李衛(wèi)東

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關于頻率響應控制未來發(fā)展的思考

李衛(wèi)東

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧省 大連市 116024)

特高壓輸電工程逐步推進導致單一元件故障所造成功率失衡數(shù)量不斷增加，可再生能源大規(guī)模接入導致常規(guī)機組容量占比持續(xù)降低，頻率穩(wěn)定控制攻防兩端此消彼長，頻率穩(wěn)定問題凸顯；而不斷豐富的源網(wǎng)荷側頻率響應控制手段需要更好地協(xié)調，以充分發(fā)揮其控制效能從而提升頻率穩(wěn)定水平。通過頻率響應控制視角下未來電網(wǎng)的結構與形態(tài)分析，明確了頻率響應控制資源需要精細化管理與控制，指出需要開展動態(tài)視角下的頻率響應運行調度和頻率響應資源集中統(tǒng)一協(xié)調控制等理論的研究工作，為頻率響應調節(jié)資源的規(guī)劃、計劃與調度和多類主體參與頻率響應控制提供參考，從而提高系統(tǒng)整體頻率響應能力，提升大擾動下的頻率穩(wěn)定抵御能力。

頻率響應；一次調頻；安全穩(wěn)定控制；頻率穩(wěn)定；輔助服務；頻率控制；廣域控制；新能源高滲透率

0 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴重和能源危機的不斷加劇，人類的能源利用問題凸顯，發(fā)展可再生能源是全球共識。按照2050年的各國規(guī)劃藍圖，歐洲力爭實現(xiàn)100%可再生能源的電力系統(tǒng)，美國要實現(xiàn)80%可再生能源的電力系統(tǒng)，而中國將實現(xiàn)60%可再生能源的電力系統(tǒng)。因此，人類能源利用將進入多能源時代：核能、太陽能、氫能等將成為未來的主要能源來源。

我國新能源發(fā)展極為迅猛。迄今為止，風電新增和累計裝機容量均超美居世界第一，光伏新增裝機全球居首，累計裝機超德國成為全球第 一[1]。由于各省區(qū)能源資源稟賦差異顯著，遠離負荷中心的風光水能需要通過超遠距離大容量輸送。因此，我國未來將是特高壓大電網(wǎng)與分布式微電網(wǎng)共同運行[2]。

頻率響應(frequency response)是阻止運行頻率大幅波動，從而維護系統(tǒng)運行頻率穩(wěn)定的第一道主動控制防線(慣性為第一道防線，但在目前的頻率控制中其為自主行為)，對保證系統(tǒng)運行頻率穩(wěn)定至關重要[3-5]。本文面對未來我國電力系統(tǒng)結構形態(tài)，對頻率響應控制的發(fā)展趨勢、存在的問題和相關研究工作進行了思考和討論，以期為相關探索和研究提供參考。

1 頻率響應控制視角下未來電網(wǎng)的結構與形態(tài)

1.1 頻率響應在安全穩(wěn)定控制中的功能

大擾動下頻率穩(wěn)定控制問題屬于大系統(tǒng)穩(wěn)定控制范疇。我國電力系統(tǒng)運行中，根據(jù)運行經(jīng)驗、參考國外相關理論與實踐，設計了適合我國電網(wǎng)實際運行情況的安全穩(wěn)定控制框架，具體可劃分為預防控制、防止電網(wǎng)失穩(wěn)的控制、防止電網(wǎng)崩潰的控制和恢復控制4種控制方式，并將其與3道防線對應[6]，具體如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制框架

在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制體系中，預防控制用于在電力系統(tǒng)正常運行時保證電網(wǎng)安全性與充裕性，與繼電保護共同組成電網(wǎng)第一道防線，為開環(huán)控制；防止電網(wǎng)失穩(wěn)的控制是對預想的運行方式和故障存在的暫態(tài)穩(wěn)定問題，由穩(wěn)控裝置依據(jù)控制決策表控制以保持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，屬于第2道防線，為前饋控制；防止電網(wǎng)崩潰的控制是在檢測到失步振蕩、頻率異常、電壓異常等事故后采取的就地措施，用于防止系統(tǒng)崩潰，屬于第3道防線，是反饋控制；恢復控制則是用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞或崩潰后恢復系統(tǒng)充裕性。

與歐美國家采用的安穩(wěn)控制框架相比，我國與其大體相似，但較為細致，只是在故障后控制措施分類方面略有不同，具體為將繼電保護、防止電網(wǎng)失穩(wěn)的控制和防止電網(wǎng)崩潰的控制統(tǒng)稱為緊急控制或校正控制[7-8]。

在頻率穩(wěn)定控制方面，電網(wǎng)正常運行以消除本地頻差為控制目標，主要從預防和校正兩個方面進行控制。其中，頻率響應控制與自動發(fā)電控制、切機、切負荷、低頻減載(高頻切機)等措施一起構成校正控制，其作用的時間尺度為秒至數(shù)十秒。

1.2 電能平衡控制將成為主流服務

隨著可再生能源機組容量占比的不斷提升，火電等化石燃料機組容量占比將逐漸降低，風光水核等清潔能源將成為電能量的主要來源；而隨著輸電、電力電子和通信等技術的不斷發(fā)展，電力體制改革不斷縱深[9]，主動負荷控制、儲能(包括電動汽車)等技術將日漸成熟[10-11]，常規(guī)和新型種類發(fā)電(如燃氣等)機組、主動負荷響應(如虛擬發(fā)電機、精準切負荷等)、儲能設備和直流輸電線路功率調制等手段，將成為頻率響應控制的主要手段。

可再生能源生產(chǎn)邊際成本的趨零特征，儲能成本的持續(xù)降低和云儲能[12]的逐步興起，電能量(電力公司主服務)價格將會越來越低，甚至趨零；與此同時，由于輸出功率可控的常規(guī)能源機組的逐步退出、清潔能源輸出的不確定性等因素，電能平衡控制(電力公司輔助服務)價格將會越來越高，成為電能服務行業(yè)利潤的主要來源。

因此，在未來特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)逐漸成型、新能源機組成為主流、常規(guī)火電機組逐步退出、輸電、電力電子和通信等技術快速發(fā)展、新技術不斷涌現(xiàn)、電力市場日趨成熟的背景下，電能平衡控制服務將超越電能供給服務，從而成為電力公共服務事業(yè)中的主流。在此背景下，大擾動下電力系統(tǒng)頻率響應控制將面臨新的局面。

1.3 頻率響應控制所面臨的局面將更為緊張

“頻率響應”又被稱為“一次調頻(primary frequency control)”，是電力系統(tǒng)中用以遏制和穩(wěn)定頻率的一種動作行為，主要由加裝調速器的發(fā)電機組所提供頻率響應、負荷頻率響應(以電動機為主)，以及其他基于本地頻差控制的相關設備所提供快速頻率響應構成。該功能是針對有功功率的調整，其性能由有功功率頻率響應特性[13]衡量，描述了頻率響應服務提供主體在系統(tǒng)運行頻率偏離計劃值時，自動調整自身輸出或取用有功功率所表現(xiàn)出的特性。

頻率響應的作用在不同系統(tǒng)運行狀態(tài)下并不相同：1）在大功率缺失下，迅速補充功率損失，對頻率下降實施有效攔截，為后續(xù)較為緩慢調節(jié)手段(如自動發(fā)電控制、在線經(jīng)濟調度等)的投入贏得時間，從而更好地保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，維護系統(tǒng)運行安全；2）在較小功率波動下，一方面作為快速調節(jié)手段對頻率波動進行迅速調節(jié)，從而提高頻率質量，另一方面對于短暫的功率波動予以快速反應，避免二次調節(jié)進行無謂調節(jié)從而提高運行經(jīng)濟性。

由于大功率缺失下的頻率控制關乎系統(tǒng)運行安全，在該情形下，若系統(tǒng)的頻率響應能力滿足要求，則小擾動下的頻率響應則不成問題，因此，在系統(tǒng)運行中，一般是對大功率缺失下的頻率響應能力做出明確規(guī)定。

頻率響應控制的本質是在擾動后秒至分鐘級時間尺度的有功功率平衡，目的是對頻率的快速下降進行攔截，避免頻率大幅減低至低頻減載(高頻切機)的啟動閾值。該目的是否奏效取決于控制“攻防”兩端的勢力對比?！肮ァ睂诠收纤鶎е碌墓β什黄胶鈹?shù)量，“防”對應于故障前頻率值、系統(tǒng)慣性和頻率響應能力等3個主要因素。

在未來電網(wǎng)結構形態(tài)下，頻率響應控制“攻防”兩端將面臨如下趨勢。

“攻”側，一方面，百萬甚至千萬千瓦級風電能源基地的清潔能源需要通過特高壓交直流輸電線路遠距離輸送，清潔高效的巨型火電和核電機組逐步代替了污染低效的小火電機組，因此，無論是輸電線路還是火電機組出現(xiàn)故障(單一元件故障)所引起功率失衡數(shù)量將大幅增加；另一方面，相對較差的自然環(huán)境，加之直流線路積污速度較快，導致特高壓輸電線路直流單極閉鎖故障率較高，因此，單一元件故障率亦將有所提升。

“防”側，可再生能源裝機容量和輸出電量占比的逐步提升，將擠占常規(guī)火電機組的發(fā)電空間，導致常規(guī)機組并網(wǎng)數(shù)量不斷減少，因此，系統(tǒng)慣性和頻率響應能力將持續(xù)下降。在這種情況下，若不增加新的頻率響應控制手段，則，系統(tǒng)慣性和頻率響應能力的下降會使系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的頻率偏差將會整體加大，從而導致故障前頻率處于低位(高位)的概率大幅上升，慣性下降會使故障后頻率下降速率提升，頻率響應能力下降會造成系統(tǒng)遏制頻率下降的能力降低。這些因素綜合在一起，將會增加低頻減載或高頻切機措施投入的風險。

綜上所述，頻率響應控制 “攻防” 兩方面的此消彼長，使得未來頻率響應控制所面臨的局面將更為緊張，頻率穩(wěn)定問題將會十分嚴峻。

2 需要研究的問題

2.1 面向市場的頻率響應精細化的管理

目前，頻率響應作為輔助服務所實行的運行與管理機制，是電監(jiān)會2006年底頒布的《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理暫行辦法》、《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》[14-15]。隨后，我國6個區(qū)域電網(wǎng)結合各自區(qū)域內電源、負荷和網(wǎng)絡結構等實際情況，制定了相應的“兩個細則”。

出于保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行和維護電能質量等電網(wǎng)正常運行的控制需要，頻率響應被定義為電網(wǎng)內相關主體必須無償提供的基本輔助服務。在此機制下，頻率響應服務和電能量捆綁在一起，由系統(tǒng)運行調度部門根據(jù)系統(tǒng)運行情況按需調用。

如前述，隨著頻率響應“攻守”局面的日益緊張，即在頻率響應能力供給與需求矛盾的日益突出的局面下，已有的常規(guī)機組所提供的頻率響應能力將不能滿足運行要求，需要專門提供該功能的服務主體。因此，需要建立新的市場化的頻率響應輔助服務新機制，將頻率響應輔助服務與電能量主服務解捆，作為有償服務。即，常規(guī)機組和其他能夠提供頻率響應服務的其他設備與手段一樣通過參與頻率響應輔助服務獲取相關服務收入。

出于節(jié)約運行成本的考量，電網(wǎng)公司需要對系統(tǒng)運行頻率響應能力需求進行更為精細化的管理，而相關機構亦會對頻率響應調節(jié)資源的規(guī)劃、計劃與調度進行深入研究，為相關服務主體的投資與運行決策提供參考。

2.2 不同種類頻率響應調節(jié)資源的精細化統(tǒng)一控制

目前在我國，頻率響應的提供來源主要是常規(guī)的火電與水電機組，其控制模式為依據(jù)本地頻差的分散自主控制。隨著新的頻率響應調節(jié)手段的不斷成熟，頻率響應服務的提供者將更為多元，相關設備的種類更為豐富。這些不同種類的控制手段，控制性能不一，控制依據(jù)也不相同，控制機制亦不一樣。

大擾動下最受關注的是頻率波動的最低點，因其決定低頻減載的啟動與否。從擾動發(fā)生到頻率下降至最低點時間短暫，一般以秒計。頻率響應的作用是在系統(tǒng)經(jīng)受大功率擾動下頻率快速下降時段迅速補充由于功率缺失的能量損失，對頻率下降實施有效攔截，在避免低頻減載啟動的同時，為后續(xù)緩慢調節(jié)手段的投入贏得時間。

由于擾動后頻率快速下降時間短暫，在此期間若能對各類頻率響應手段進行合理調配與精確控制，則可提高頻率響應的控制效果，從而避免低頻減載的發(fā)生，更好地保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，維護系統(tǒng)運行安全。

故障后的功率缺失偏差量在各頻率響應元件間分配依據(jù)的是元件與故障點間的電氣距離[16]?？拷收宵c的控制元件由于被分配數(shù)量較大，其所在的電氣位置頻率跌落較快，而遠離故障點的電氣位置則頻率下降較為緩慢，這就導致電網(wǎng)中各點頻率變化不一致，使得系統(tǒng)各節(jié)點的頻率呈現(xiàn)出較為明顯的時空分布特性。在大規(guī)模系統(tǒng)中，擾動所引起的頻率變化在空間上呈現(xiàn)為從擾動中心向電網(wǎng)傳播，隨電氣距離的增加，頻率變化量趨于減小，響應延時趨于增加，但該過程非嚴格單調變化。

在現(xiàn)有頻率響應控制策略下，故障后系統(tǒng)中具有頻率響應能力的頻率響應調節(jié)資源依據(jù)本地頻差確定增減輸出功率數(shù)量，消除頻率波動或攔截頻率大幅下降，為后續(xù)緩慢的調節(jié)手段贏取時間，從而保證系統(tǒng)運行安全。

當功率缺失數(shù)量較大時，整個系統(tǒng)內頻差時空分布特性較為明顯，與遠離故障點的設備相比，靠近故障點的頻率響應設備所“感知”的頻差不僅較大而且較早，使得系統(tǒng)內所有設備的頻率響應不僅啟動時刻不一樣，而且所依據(jù)的頻差亦不相同。其后果是，在故障發(fā)生后，靠近故障點處控制元件的頻率響應能力發(fā)揮較為充分，而其他位置的控制元件還未發(fā)揮或只發(fā)揮出部分頻率響應能力。

系統(tǒng)的頻率響應能力是所有頻率響應控制元件頻率響應能力的綜合。目前被普遍采用的被動頻率響應方式，會導致系統(tǒng)內相關設備的頻率響應不能迅速同步啟動并發(fā)揮預期能力，造成系統(tǒng)的頻率響應能力難以充分發(fā)揮。若能采取措施使得系統(tǒng)內所有設備同步且快速響應，則可有效發(fā)揮系統(tǒng)內所有頻率響應控制資源的頻率響應能力，提升故障后頻率最低點，提高頻率穩(wěn)定性，從而避免低頻減載和解列事故的發(fā)生，保證系統(tǒng)運行的安全與穩(wěn)定。

集中控制下，距擾動點較遠機組能夠依據(jù)擾動點頻差動作，實現(xiàn)所有機組頻率響應的同步控制，以快速且充分地發(fā)揮整個系統(tǒng)的頻率響應潛力，從而更好地保證系統(tǒng)運行安全與穩(wěn)定。

在這種控制方式下，由于頻率響應是依據(jù)擾動處信息，按照制定好的的控制參數(shù)進行主動控制，故將這種頻率響應控制方式稱為“主動頻率響應”，這種方式下的控制策略稱為“主動頻率響應控制策略”[4]。

隨著電網(wǎng)通信技術的發(fā)展，基于同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)的廣域測量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)，不僅能提供高密度精準頻率采樣數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)頻差信號的遠距離實時傳播，這些為發(fā)電機組頻率響應實現(xiàn)由分散控制到集中控制的轉變提供技術基礎。

主動頻率響應控制的思路是，針對大電網(wǎng)頻率較為顯著的空間分布特征，利用已趨成熟的先進通信技術，將種類眾多的快速頻率響應控制手段由傳統(tǒng)的依據(jù)本地參量的分散比例反饋控制，轉變?yōu)橐罁?jù)故障處參量的集中事件(或參量)前饋主動控制，通過優(yōu)化協(xié)調控制以充分發(fā)揮已有設備控制效能，從而提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定水平。

由于頻率響應模型復雜，頻率響應過程分析涉及微分方程解算，難以實現(xiàn)在線分析與控制，因此，可采用離線分析、在線應用的方式實現(xiàn)控制。文獻[4]開展了相關理論的探索工作。

2.3 動態(tài)視角下的頻率響應運行調度理論研究

描述頻率響應能力最為主要的特征是有功功率—頻率自然特性，簡稱功頻自然特性，用于反映電氣元件或系統(tǒng)的輸出有功功率和對應頻差之間的關系，其性能可用自然頻率特性(或功頻自然特性)系數(shù)或單位調節(jié)功率來描述。其他特征包括：響應時間、功率輸出速率和最大功率等。注意到，目前所采用的有功功率-頻率自然特性系數(shù)，是頻率響應充分完成后的穩(wěn)態(tài)情況下所反映出的特性，為穩(wěn)態(tài)參數(shù)[17]。

火電機組的能量轉換過程較為緩慢，因此，其需要快速響應的頻率響應增發(fā)功率的能量是來自于鍋爐蓄熱，故其頻率響應能力會隨鍋爐蓄熱的增減而動態(tài)變化。而水電機組在頻率響應控制時間區(qū)段內會發(fā)生水錘效應，該效應會對頻率響應控制的效果產(chǎn)生影響。而水錘效應與水庫水位、水輪機運行水流量等參數(shù)相關，因此，水輪機組的頻率響應能力與運行狀態(tài)密切相關。

另一方面，頻率響應屬于分散控制，依據(jù)是本地頻率；而頻率具有時間和空間上的分布特 性[18]，特別是故障初期差異較大，其會導致不同電氣位置的機組頻率響應并不同步；大規(guī)模可再生能源接入和季節(jié)更迭等所導致系統(tǒng)運行方式的變化，均可造成上網(wǎng)機組數(shù)量、不同類型容量占比及其運行狀態(tài)的變化。

上述因素共同作用，使得系統(tǒng)的頻率響應表現(xiàn)出較強的非線性動態(tài)特性。這意味著，采用靜態(tài)觀點所確定的電網(wǎng)應具有的頻率響應能力，在運行中或并不具備，或即使具備也并不一定能全部釋放并起作用，甚至可能會大打折扣。當頻率響應能力裕度較大時，采用靜態(tài)觀點分析和考量不會引起問題；而當裕度臨界時，頻率響應“供需”矛盾緊張，則使用原有的靜態(tài)分析方法會問題凸顯。

在頻率響應控制手段多元，且需要精細化管理的情況下，應該著力開展動態(tài)視角下的頻率響應運行調度理論研究，通過準確地確定系統(tǒng)所具有的頻率響應能力，以充分利用已有常規(guī)頻率響應資源；在此基礎上通過對各類不同頻率響應資源的最優(yōu)規(guī)劃、計劃與運行配置，以最有效地方式加以利用，提高系統(tǒng)運行效益。

在頻率響應的動態(tài)模型構建工作中需要計入動態(tài)特性的影響，需要解決諸如：如何確定頻率響應備用需求數(shù)量、若數(shù)量不足如何補充、這些備用如何安排、監(jiān)視、控制和評價等問題，目前均沒有成熟的理論和方法，需要加以研究。

3 結論

對電力系統(tǒng)頻率響應控制的未來發(fā)展趨勢、存在的問題和相關研究工作進行了思考和討論，相關結論如下。

1）在未來特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)逐漸成型、新能源機組成為主流、常規(guī)火電機組逐步退出、輸電、電力電子和通信等技術快速發(fā)展、新技術不斷涌現(xiàn)、電力市場日趨成熟的背景下，大擾動下電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制將面臨新的局面。

2）不同種類頻率響應調節(jié)資源的精細化統(tǒng)一控制，通過頻率響應控制由分散被動反饋控制向集中主動前饋控制的轉變，可實現(xiàn)快速頻率響應的最優(yōu)協(xié)調控制，有效提高系統(tǒng)整體頻率響應控制能力。

3）在頻率響應控制手段多元，且需要精細化管理的情況下，應該著力開展動態(tài)視角下的頻率響應運行調度理論研究，通過準確地確定系統(tǒng)所具有的頻率響應能力，充分利用已有常規(guī)頻率響應資源，在此基礎上通過對各類不同頻率響應資源的最優(yōu)規(guī)劃、計劃與運行配置，以最有效地方式加以利用，提高系統(tǒng)運行效益。

致 謝

本文中安全穩(wěn)定控制框架部分的內容由博士研究生晉萃萃撰寫與整理，在此向她表示衷心的感謝。

[1] 國家電網(wǎng)有限公司．國家電網(wǎng)公司促進新能源發(fā)展白皮書[EB/OL]．http：//www.sgcc.com.cn/html/sgcc_ main/col2017031258/2017-10/22/20171022173158487305092_1.shtml

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(責任編輯 車德競)

On Frequency Response Control of Future Grid

LI Weidong

(School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China)

As the development of ultra-high voltage (UHV) AC and DC transmission system in China, the quantity of unbalanced power caused by a single element fault will continue to increase. The large-scale renewable energy integration will keep decreasing the capacity ratio of conventional thermal units. Of both ends on the floor in frequency response control, the “offense” will be strengthening while the “defense” be lessening, and the frequency stability have become outstanding. On the other hand, the ever-richer frequency response control measures on “source-grid-load” side should be coordinated better, to make full use of their control performance so as to improve frequency stability level. Through analyzing the structure and shape of future grid from the perspective of frequency response control, it is clear that frequency response control resources need more refined management and control, and the relevant theory should be progressing with time. It is pointed out that the research of dispatch of frequency response from the dynamic perspectives and centralized and unified coordination and control of frequency response control measures should be developed. This will provide the references for planning, scheduling and dispatching of frequency response control measures and the participants of kinds of subject in frequency control. So, the frequency stability defense capacity will be reinforced with enhanced system frequency response control ability.

frequency response; primary frequency regulation; control of safety and stabilization; frequency stability; ancillary services; frequency control; wide area control; high penetration of renewable energy

2017-10-05。

李衛(wèi)東(1964)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)調度自動化、電力市場，特別是有功功率運行 平衡控制及其性能評價、清潔能源并網(wǎng)后的運行調度等理論與應用，wdli@dlut.edu.cn。

國家自然科學基金項目(51677018)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51677018).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.014