摘""要:近年來,國內(nèi)新能源快速增長,常規(guī)水火電機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量比重降低,除日漸凸顯的消納問題外,電網(wǎng)面臨的調(diào)頻壓力倍增。提升新能源機(jī)組快速頻率響應(yīng)能力,對于解決新能源高占比電網(wǎng)調(diào)頻問題至關(guān)重要。結(jié)合電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況,對新能源高占比電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)開展研究。首先,研究了風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)展形勢。其次,分析了風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)能力測試。最后,使用西北區(qū)域外送直流閉鎖后風(fēng)電機(jī)組隨頻率變化的數(shù)據(jù),說明風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)情況。
關(guān)鍵詞:新能源高占比""一次調(diào)頻""直流閉鎖""風(fēng)電機(jī)組""快速頻率響應(yīng)
中圖分類號:TG142
Research"on"Fast-Frequency"Response"of"Wind"Turbines"After"DC"Blocking"In"The"Near"Area"of"High"Proportion"New"Energy"Power"Grid
LI"Mengze""LInbsp;Bingsheng""YANG"Hongzhi
International"Education"Institute,"North"China"Electric"Power"University,"Beijing,"102200"China
Abstract:"In"recent"years,"with"the"rapid"growth"of"domestic"new"energy,"the"proportion"of"rotational"of"inertia"of"conventional"hydrothermal"power"units"has"decreased,"and"in"addition"to"the"increasingly"prominent"consumption"problem,"the"frequency"modulation"pressure"faced"by"the"power"grid"has"doubled."Improving"the"fast-frequency"response"ability"of"new"energy"units"is"crucial"for"solving"the"problem"of"frequency"regulation"of"power"grids"with"a"high"proportion"of"new"energy."Combined"with"the"actual"situation"of"power"grid"production"and"operation,"this"paper"studies"the"fast-frequency"response"of"wind"turbines"in"the"grid"with"a"high"proportion"of"new"energy."First"of"all,"the"development"situation"of"new"energy"sources"such"as"wind"power"and"photovoltaic"power"was"studied."Secondly,"the"fast-frequency"response"test"of"wind"turbines"was"analyzed."Finally,"the"data"of"the"frequency"change"of"wind"turbines"after"DC"locking"in"the"northwest"region"are"used"to"illustrate"the"fast-frequency"response"of"wind"turbines.
Key"Words:"High"proportion"of"new"energy;"Primary"frequency"modulation;"DC"blocking;"Wind"turbines;"Fast-frequency"response
隨著新能源機(jī)組大量并網(wǎng),大直流遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸電不斷增長,送受端常規(guī)水火電機(jī)組被大量替代,新能源發(fā)電的隨機(jī)性和不確定性使電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻問題日漸凸顯,電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重下降,尤其是調(diào)頻壓力劇增[]。本文結(jié)合電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況,對新能源高占比電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)開展研究。首先,研究了新能源發(fā)展形勢及對電網(wǎng)的影響。其次,分析了風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)能力測試。最后,使用西北區(qū)域外送直流閉鎖后風(fēng)電機(jī)組隨頻率變化的數(shù)據(jù),說明風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)情況。
1"""新能源快速發(fā)展給帶來電網(wǎng)的影響
“十三五”以來,國內(nèi)新能源裝機(jī)持續(xù)快速增長,在電網(wǎng)中占比日益提升,目前已進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段。截至2023年底,全國新能源發(fā)電裝機(jī)容量10.5億"kW,占總發(fā)電裝機(jī)容量29.2億"kW的35.96%,其中太陽能裝機(jī)容量6.1億"kW、風(fēng)電裝機(jī)容量4.4億"kW,均居世界第一。
我國西北區(qū)域某省級電網(wǎng)總裝機(jī)5"600萬"kW,其中新能源裝機(jī)達(dá)3"800萬"kW,常規(guī)電源裝機(jī)僅1"700萬"kW,新能源裝機(jī)占比高達(dá)68%。根據(jù)2024年3月以來連續(xù)3個月數(shù)據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)日新能源出力超過省內(nèi)全社會用電負(fù)荷的天數(shù)為62"d,新能源出力超過省內(nèi)全社會用電負(fù)荷最早時間為09:12。
新能源的規(guī)?;尤雽﹄娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定影響極大,主要體現(xiàn)在等效轉(zhuǎn)動慣量小,影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性,無功電壓調(diào)節(jié)能力有限,有功調(diào)節(jié)支撐弱,快速頻率響應(yīng)能力不足[]。不同于常規(guī)火電機(jī)組,目前風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)功能缺乏響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的一次調(diào)頻控制[],
2"""風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)入網(wǎng)要求分析
新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)帶來的影響引起廣泛關(guān)注[],國內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)開始研究促進(jìn)新能源參與電網(wǎng)快速頻率響應(yīng)[]。2018年以來,西北電網(wǎng)率先開展新能源場站快速頻率響應(yīng)推廣,取得不錯效果。下面圍繞風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)對維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要影響展開說明。
風(fēng)電場完成快速頻率響應(yīng)功能改造后,在場站并網(wǎng)點(diǎn)通過現(xiàn)場試驗驗證是否具備快速頻率響應(yīng)功能,入網(wǎng)測試主要包括:頻率階躍擾動試驗、模擬實(shí)際電網(wǎng)頻率擾動試驗。現(xiàn)場試驗采用頻率信號發(fā)生裝置模擬場站并網(wǎng)點(diǎn)PT的二次側(cè)信號,給出頻率試驗信號,并發(fā)送給新能源場站調(diào)頻控制系統(tǒng)測頻單元,測試接線如圖1所示。
風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)控制系統(tǒng)的測量單元應(yīng)支持信號發(fā)生裝置的信號接入。在接入頻率信號發(fā)生裝置的模擬信號(三相四線)前,場站業(yè)主需采用電氣隔離的方式斷開原有的并網(wǎng)側(cè)PT信號與快速頻率響應(yīng)控制系統(tǒng)的電氣連接。在開展入網(wǎng)測試內(nèi)容試驗時,應(yīng)退出風(fēng)電場的AGC,通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證新能源場站的快速頻率響應(yīng)特性是否滿足改造要求。
1.1""試驗參數(shù)設(shè)置
風(fēng)電場利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)、單機(jī)或加裝獨(dú)立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制,使其在并網(wǎng)點(diǎn)具備參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力。快速頻率響應(yīng)有功-頻率下垂特性通過設(shè)定頻率與有功功率折線函數(shù)實(shí)現(xiàn),即:
(1)
式中:f為風(fēng)電場測量點(diǎn)最大擾動頻率,單位為Hz;fd為快速頻率響應(yīng)死區(qū),單位為Hz;fn為系統(tǒng)額定頻率,50Hz;"Pn為風(fēng)電場額定功率,單位為MW;δ%為風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)調(diào)差率;P0為新能源場站有功功率初值,單位為MW。
GB/T40595—2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗導(dǎo)則》規(guī)定風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)死區(qū)應(yīng)設(shè)置在±0.03"~±0.1"Hz范圍內(nèi),當(dāng)系統(tǒng)頻率低于額定頻率時快速頻率響應(yīng)限幅應(yīng)不小于6%運(yùn)行功率,當(dāng)系統(tǒng)頻率高于額定頻率時快速頻率響應(yīng)限幅應(yīng)不小于10%運(yùn)行功率,風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)調(diào)頻差應(yīng)為2%~10%。
1.2""頻率階躍擾動試驗
頻率階躍擾動試驗內(nèi)容包括階躍上擾和階躍下擾:階躍上擾是將試驗頻率從50"Hz階躍上升至50.2"Hz,持續(xù)20"s恢復(fù)至50"Hz;階躍下擾是將試驗頻率從50"Hz階躍下降至49.8"Hz,持續(xù)20"s恢復(fù)至50"Hz。頻率階躍擾動試驗就是測試風(fēng)電場在頻率階躍擾動情況下的響應(yīng)特性,試驗期間風(fēng)電場應(yīng)保持穩(wěn)定運(yùn)行,采集的測試數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋頻率階躍波動范圍。
圖2為試驗頻率階躍至50.2"Hz,A風(fēng)電場有功功率響應(yīng)波形圖??梢娫囼烆l率上升后,A風(fēng)電場有功功率從90"MW逐步下降至55"MW,響應(yīng)效果顯著;試驗頻率恢復(fù)正常后,有功功率又逐步上升至90"MW。
1.3""模擬實(shí)際頻率擾動試驗
實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生擾動時,全網(wǎng)所有電源機(jī)組都參與一次調(diào)頻,頻率波動更為復(fù)雜。模擬實(shí)際頻率擾動試驗主要測試風(fēng)電場在模擬電網(wǎng)實(shí)際頻率擾動情況下的響應(yīng)特性,隨機(jī)觸發(fā)試驗擾動頻率后,采集該測試工況下60"s內(nèi)風(fēng)電場有功功率響應(yīng)情況,計算出力響應(yīng)合格率和積分電量合格率[6-7]。
出力響應(yīng)合格率:在頻率變化超過快速頻率響應(yīng)死區(qū)下限(或上限)開始至快速頻率響應(yīng)應(yīng)動作時間內(nèi)(如果時間超過60"s,則按60"s計算),風(fēng)電場實(shí)際最大出力調(diào)整量占理論最大出力調(diào)整量的百分比。積分電量合格率:在頻率變化超過快速頻率響應(yīng)死區(qū)下限(或上限)開始至快速頻率響應(yīng)動作時間內(nèi)(如果時間超過60"s,則按60"s計算),風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)實(shí)際貢獻(xiàn)電量占理論貢獻(xiàn)電量的百分比。
3""近區(qū)直流閉鎖后風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)分析
2022年某日15:43:25,某西北外送直流極Ⅱ閉鎖,損失功率232萬"kW,西北主網(wǎng)頻率最高升至50.109"9"Hz,超過西北電網(wǎng)規(guī)定的風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)死區(qū)±0.1"Hz,A風(fēng)電場測量點(diǎn)頻率最高達(dá)50.115"Hz,風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng),有功功率變化如圖3所示,可以看出,頻率超過風(fēng)電場響應(yīng)死區(qū)上限后,風(fēng)電場有功持續(xù)下降,下面使用A風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)裝置記錄的ms級錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。
根據(jù)式(1)分別計算出力響應(yīng)合格率和積分電量合格率。其中理論最大出力調(diào)整量計算公式
式中:A風(fēng)電場額定功率Pn348.5"MW,測量點(diǎn)最大上擾功率f50.115nbsp;Hz,上擾死區(qū)頻率f50.1"Hz,額定頻率f50"Hz,調(diào)差率δ%2%??傻美碚撟畲蟪隽φ{(diào)整量為
直流閉鎖后頻率變化超過響應(yīng)死區(qū)上限50.1"Hz后,A風(fēng)電場實(shí)際有功功率從63.11"MW下降至55.61"MW,最大出力調(diào)整量為-7.4"MW,出力響應(yīng)合格率
理論貢獻(xiàn)電量為式(2)計算得到出力調(diào)整量的積分電量1.9599"kW時,實(shí)際貢獻(xiàn)電量為圖7所有點(diǎn)位一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量出力的積分電量2.2061"kW時,積分電量合格率
可見響應(yīng)合格率和積分電量合格率均超過100%,A風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)效果較好。
4"""結(jié)論
本文通過西北區(qū)域某省風(fēng)電場快速頻率響應(yīng)測試及近區(qū)直流閉鎖后有功數(shù)據(jù)變化分析,計算得出了風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)大于大電網(wǎng)的頻率,具有積極意義。
主要結(jié)論如下:風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)試驗和實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明,風(fēng)電機(jī)組快速頻率響應(yīng)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,驗證了風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)大擾動后快速頻率響應(yīng)的可行性與有效性,對大規(guī)模風(fēng)電慣量及一次調(diào)頻改造具有指導(dǎo)和借鑒意義。
后續(xù)將基于試驗數(shù)據(jù)對風(fēng)電場慣量及一次調(diào)頻仿真模型進(jìn)行模型校驗與參數(shù)辨識,進(jìn)一步針對特定電網(wǎng)條件開展系統(tǒng)頻率穩(wěn)定仿真分析,總結(jié)與提煉不同電網(wǎng)條件下風(fēng)電參與系統(tǒng)慣量及一次調(diào)頻的參數(shù)整定原則。
參考文獻(xiàn):
[1]"李東東,張佳樂,徐波,等.考慮頻率分布特性的新能源電力系統(tǒng)等效慣量評估[J].電網(wǎng)技術(shù),2020,44(8):2913-2921.
[2]"李生虎,朱國偉.基于有功備用的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻能力及調(diào)頻效果分析[J].電工電能新技術(shù),2015,34(10):28-33,50.
[3]"孫吳松.新能源汽車電池技術(shù)發(fā)展瓶頸分析及對策[J].中國科技投資,2021(9):113,137.
[4]"王博,楊德友,蔡國偉.高比例新能源接入下電力系統(tǒng)慣量相關(guān)問題研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2020,44(8):2998-3007.
[5]"聶春元,李鍇.2009年華中電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻試驗分析[J].華中電力,2009,22(6):23-26.
[6]曹子龍.新能源高占比電網(wǎng)慣量在線評估與預(yù)警方法研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京),2023.
[7]"彭官明,吳朝陽.新能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2022(10):76-78.