朱建軍，楊彥波

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001； 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

隨著電力技術(shù)的飛速發(fā)展，新能源裝機規(guī)模不斷擴大。截至2017年底，寧夏電網(wǎng)新能源裝機達到1 596.6萬kW，占全網(wǎng)總裝機容量的40.45%。新能源滲透率的不斷升高對電網(wǎng)頻率安全帶來新的挑戰(zhàn)[1-3]，主要體現(xiàn)在尚不具備參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的能力，因此隨著其出力占比的增高，不斷擠占具有轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)能源機組出力空間[4]，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)頻裕量不足，寧夏電網(wǎng)頻率擾動抑制能力持續(xù)下降；同時，地處西北大送端電網(wǎng)，隨著特高壓直流外送工程的大量投產(chǎn)，系統(tǒng)有功平衡及調(diào)頻難度不斷加大[5]，直流大功率閉鎖對電網(wǎng)頻率安全造成了嚴(yán)重威脅[6-8]。僅2016—2017年，就發(fā)生了6次超過0.1 Hz的大頻差擾動事件，電網(wǎng)安全運行形勢異常嚴(yán)峻；因此，亟需開展新能源電站快速頻率響應(yīng)研究，加快并網(wǎng)新能源場站快速頻率響應(yīng)功能推廣應(yīng)用，從源頭提升寧夏電網(wǎng)本質(zhì)安全能力。

2017年初，國家電網(wǎng)西北分中心牽頭組織西北五省開展新能源電站快速頻率響應(yīng)研究工作。寧夏電網(wǎng)選取了3座直調(diào)新能源場站(2座風(fēng)電場、1座光伏電站)作為試點研究對象。通過參照常規(guī)水、火電機組一次調(diào)頻實現(xiàn)方式，重點研究了試點場站單機、匯集線有功功率在不同調(diào)頻參數(shù)配置下的響應(yīng)性能；充分考慮了寧夏電網(wǎng)日常運行過程中頻率波動情況、光伏逆變器和風(fēng)機槳葉連續(xù)變化調(diào)節(jié)的能力，并結(jié)合掛網(wǎng)實際運行測試效果，制定出了新能源場站快速頻率響應(yīng)參數(shù)配置方案，西北電網(wǎng)全網(wǎng)試驗驗證了該方案的可行性。截至2020年9月，該方案作為參考已經(jīng)指導(dǎo)寧夏電網(wǎng)第1批次50余座新能源場站完成快速頻率響應(yīng)功能改造并投入實際運行。

1 新能源場站快頻試點研究情況

1.1 快速頻率響應(yīng)原理

參照常規(guī)水、火電機組一次調(diào)頻[9]實現(xiàn)策略，試點場站頻率-有功下垂曲線如圖1所示。fmax為頻率響應(yīng)最大值，fmin為頻率響應(yīng)最小值，DB+為頻率正向死區(qū)，DB-為頻率負(fù)向死區(qū)，ep為調(diào)差率，PL-為有功負(fù)向限幅值，PL+為有功正向限幅值，PE為場站容量。

圖1 新能源場站頻率-有功下垂特性曲線

新能源場站按照式(1)進行頻率-有功調(diào)節(jié):

1.2 試點場站情況簡介

選擇寧夏電網(wǎng)直調(diào)風(fēng)電場A，B和光伏電站A三座新能源場站為試點，試點裝機容量526 MW，如表1所示。由場站能量管理平臺直接導(dǎo)入試驗數(shù)據(jù)文件，采集主變35 kV側(cè)匯集線、單臺風(fēng)機、單臺逆變器PT、CT信號進行數(shù)據(jù)分析。

表1 試點新能源場站信息

對比常規(guī)火電機組一次調(diào)頻實現(xiàn)方式及參數(shù)設(shè)置，考慮新能源場站自動發(fā)電控制負(fù)荷調(diào)節(jié)速率優(yōu)于火電機組，設(shè)置多組調(diào)頻參數(shù)配置進行試點研究，如表2所示。

表2 試點場站調(diào)頻參數(shù)配置

1.3 試點場站響應(yīng)特性分析

1.3.1 光伏電站頻率響應(yīng)特性

試點光伏電站頻率響應(yīng)特性如圖2—圖3所示，不考慮實際運行中電網(wǎng)頻率采集時延，光伏電站在不同頻率參數(shù)配置下，頻率階躍變化超出設(shè)置死區(qū)后，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間在0.1～1.5 s，到達理論動作量90%的時間均小于3 s，且均能在5 s內(nèi)達到穩(wěn)定。

圖2 光伏電站頻率階躍試驗響應(yīng)曲線

通過多次導(dǎo)入銀—東直流閉鎖無尖峰頻率數(shù)據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，動態(tài)頻率變化過程中，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間小于2 s，3 s以內(nèi)能夠響應(yīng)頻率峰值。

圖3 光伏電站模擬實際網(wǎng)頻擾動試驗響應(yīng)曲線

1.3.2 風(fēng)電場頻率響應(yīng)特性

試點風(fēng)電場頻率響應(yīng)特性如圖4—圖5所示，不考慮實際運行中電網(wǎng)頻率采集時延，風(fēng)電場在不同頻率參數(shù)配置下，頻率階躍變化超出設(shè)置死區(qū)后，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間在0.6～1.8 s，到達理論動作量90%的時間均小于8 s，且均能在12 s內(nèi)達到穩(wěn)定。

圖4 風(fēng)電場頻率階躍試驗響應(yīng)曲線

圖5 風(fēng)電場模擬實際網(wǎng)頻擾動試驗響應(yīng)曲線

通過多次導(dǎo)入拉西瓦水電機組打跳試驗電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，動態(tài)頻率變化激勵過程中，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間小于2 s，6 s以內(nèi)能夠響應(yīng)頻率峰值。

1.4 試點場站掛網(wǎng)實測

2017年7月—8月，寧夏電網(wǎng)組織3座試點新能源場站開展快速頻率響應(yīng)性能掛網(wǎng)實測。參數(shù)按照死區(qū)±0.06 Hz、調(diào)差率2%、最大限幅10%設(shè)置。

如圖6—圖8所示，掛網(wǎng)實測分析顯示，掛網(wǎng)運行期間寧夏電網(wǎng)單日頻率超過0.06 Hz，次數(shù)為1～4次，且調(diào)差率2%、最大限制10%參數(shù)配置，能夠滿足場站調(diào)頻需要。

圖6 試點光伏電站月度調(diào)頻動作情況

圖7 試點風(fēng)電場月度調(diào)頻動作情況

圖8 試點場站掛網(wǎng)實測響應(yīng)典型曲線

2 快頻參數(shù)配置

(1)調(diào)頻死區(qū)設(shè)置0.06 Hz。

經(jīng)統(tǒng)計，寧夏電網(wǎng)每日頻率波動超出0.06 Hz為3～5次，超出0.05 Hz達80余次，為避免光伏逆變器、風(fēng)機槳葉控制系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)造成磨損，設(shè)定值不宜過小。

(2)調(diào)差率2%～3%。

基于調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻限幅的設(shè)置情況，確保電網(wǎng)最大頻率偏差在0.15～0.2 Hz之間時新能源場站調(diào)頻目標(biāo)達到最大限幅。

(3)調(diào)頻限幅10%。

風(fēng)電限幅10%考慮夜間光伏停發(fā)，風(fēng)電定位為常規(guī)水、火電機組調(diào)頻能量補充；光伏電站考慮10%釋放能量能夠滿足大功率擾動有功缺額，且大部分新能源場站控制策略設(shè)計出力低于10%會出現(xiàn)風(fēng)機或逆變器停運現(xiàn)象。

3 西北全網(wǎng)試驗響應(yīng)結(jié)果

2017年11月，西北電網(wǎng)組織開展全網(wǎng)一次調(diào)頻試驗，通過拉西瓦水電廠水電機組快速增減出力，產(chǎn)生網(wǎng)頻擾動，寧夏電網(wǎng)試點新能源電站按照本文提出的參數(shù)配置方案設(shè)置，參與電網(wǎng)頻率擾動試驗，如圖9所示。

圖9 試點場站全網(wǎng)試驗響應(yīng)典型曲線

分析發(fā)現(xiàn)：所有參試場站均能夠快速、準(zhǔn)確響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，動作方向正確，積分電量貢獻指數(shù)、出力響應(yīng)指數(shù)[10]均大于60%；風(fēng)機、逆變器運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況，調(diào)節(jié)性能優(yōu)于同等容量的火電機組，與水電機組相當(dāng)，能夠為電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)提供有效支撐。

4 結(jié) 論

(1)試點新能源電站經(jīng)快速頻率響應(yīng)功能改造，具有參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的能力。試點新能源電站快速頻率響應(yīng)死區(qū)設(shè)置0.06 Hz、調(diào)差率2%～3%、調(diào)頻限幅10%，既可以滿足調(diào)頻需求，又可避免風(fēng)機槳葉、光伏逆變器頻繁調(diào)節(jié)，減小設(shè)備損害。

(2)通過試點研究，發(fā)現(xiàn)同等容量的新能源電站調(diào)頻性能優(yōu)于火電機組，與水電機組相當(dāng)?？勺鳛殡娋W(wǎng)調(diào)頻的重要補充，在電網(wǎng)發(fā)生大頻差擾動時，充分發(fā)揮快速調(diào)頻優(yōu)勢，為常規(guī)能源機組調(diào)頻動作爭取時間。