海上風電場一次調頻方案研究

陸冉

摘? 要：江蘇沿海風資源條件優越，海上風電裝機容量位居全國第一。文章針對海上風電參與電網一次調頻進行分析，提出了一次調頻目標，并結合風場現狀提出三種調頻方案。

關鍵詞：海上風電場;一次調頻;有功功率控制

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0111-02

Abstract： Jiangsu Province has superior coastal wind resources， and its installed capacity of offshore wind power ranks first in China. This paper analyzes the participation of offshore wind power in the primary frequency regulation of power grid， puts forward the primary frequency regulation target and three frequency modulation schemes based on the current situation of wind field.

Keywords： offshore wind farm; primary frequency regulation; active power control

由于江蘇新能源裝機規模不斷擴大，同時區外來電持續增長，電力系統面臨轉動慣量下降、頻率控制困難等結構性困境，電力系統安全面臨嚴重威脅。為了防止電網發生突發大功率缺額導致低頻減載動作，保證地區電網安全穩定運行，新能源場站需實現一次調頻功能。截止2019年末，江蘇省內已并網海上風電423萬千瓦，位居全國第一[1]。江蘇省沿海風資源條件優越，距離負荷中心較近，已成為風電發展的重要方向。按照一次調頻控制對象額定容量的6%限幅，海上風電將為電網提供一定的有功備用容量。故而對海上風電場一次調頻方案的討論具有較高的實際意義。

1 海上風電場一次調頻目標

海上風電場利用一次調頻控制裝置與主機SACDA系統結合，實現獨立的并網點具備參與電網一次調頻能力。一次調頻設定頻率f與有功功率P關系如式1：

（式1）

式中，fd-一次調頻死區，Hz;fN-系統額定頻率，Hz;Pe-一次調頻控制對象額定容量，MW;δ%-新能源一次調頻調差系數;P0-一次調頻控制對象有功功率初始值，MW;

fL=50-fd;fH=50+fd。

海上風電場按6%一次調頻控制對象額定容量進行控制，頻率階躍擾動過程調節如圖1所示。

圖1中，thx-響應滯后時間，s，不應超過3s;t0.9-自頻率超出調頻死區開始，至一次調頻控制對象有功功率調節量達到調頻目標值與初始功率之差的90%所需時間，不應超過12s;ts-調節時間，s，不應超過15s。

2 海上風電場一次調頻方案

當海上風電場一次調頻控制對象有功功率在一次調頻控制對象額定容量的26%以上時，海上風電場應能夠實現有功功率的連續平滑調節，并能夠參與電網一次調頻。

從特許權項目至競價項目，海上風電項目發展迅猛，已并網的項目大多數已具備AGC功能。AGC系統應能根據調度部門指令等信號自動調節有功功率輸出，并網控制模塊具備針對各個風機變流器協調控制的功能，自動確定最優策略，確保風力發電站最大輸出功率及功率變化率不超過調度給定值，以便在電網故障和特殊運行方式時確保電力系統的穩定。故一次調頻應用工程分為已并網且具備AGC的工程、新建工程。

2.1 新建工程

海上風電場配置一體化功率控制裝置，包含一次調頻、一次調頻在線監測與AGC功能。一體化功率控制裝置采集并網點（POI）電壓、電流數據，計算實時模擬量，實現一次調頻功能，如調頻響應時間需要達到ms級時，需直接采集并網點（POI）頻率數據。需同時完成AGC任務。裝置內部，一次調頻優先級高于AGC功能。該裝置應能躲過單一短路故障引起的瞬時頻率突變，具備一次調頻功率上、下調節功能[2-3]。

一體化功率控制裝置，向上與遠動網關機進行信息交互，向下與主機SCADA系統進行信息交互。SCADA系統將一次調頻指令傳至VMP風機控制器，由頂部VCP控制器實現功率控制。

2.2 改擴建工程

海上風電場已具備AGC功能，新增一次調頻裝置。其中，有功功率控制功能由一次調頻裝置和AGC系統實現。一次調頻功能分為兩種接線方式：

方式一，一次調頻裝置與AGC系統并聯，由風機SCADA系統作為控制主體，風機SCADA系統進行升級改造，上傳風機運行信息，接受有功調節指令，協調一次調頻裝置和AGC進行控制。風機SCADA系統需要改造。

方式二，一次調頻裝置與AGC系統串聯，由一次調頻裝置和AGC系統作為控制主體，與方式一的不同在于，增加AGC系統與一次調頻裝置之間的信息交互。一次調頻裝置應與AGC控制相協調，海上風電場有功功率的控制目標應為一次調頻控制對象有功功率初始值與一次調頻調節量代數和。這種方式中AGC系統和風機SCADA系統均不需要改造。

一次調頻有功-頻率下垂特性如圖2所示。

3 海上風電場一次調頻在線監測

一次調頻在線監測功能應包含一次調頻性能遠方測試、一次調頻特性參數測試和一次調頻錄波文件召喚功能。

正常運行情況下，海上風電場一次調頻投入時，調度主站系統可實時下發一次調頻進入測試指令，海上風電場進入一次調頻在線測試。

海上風電場一次調頻裝置通過網關機與調度主站進行一次調頻在線監測信號交互，當接收到一次調頻進入測試信號后，一次調頻功能切換到測試模式，一次調頻功能退出實際運行。調度主站系統下發測試信號進行一次調頻性能遠方測試，海上風電場一次調頻裝置根據測試頻率進行一次調頻負荷響應。

4 結束語

開展海上風電場一次調頻響應推廣工作，是保障新能源高占比狀態下電網安全穩定運行的重要舉措，對促進海上風電持續健康發展具有重要意義。現階段考慮通過對AGC有功控制系統改造或新增獨立控制裝置來實現一次調頻功能，下階段還需開展海上風電場配套儲能系統或保留有功備用與一次調頻系統配合的經濟性比選[4]。

參考文獻：

[1]遲永寧，梁偉，張占奎，等.大規模海上風電輸電與并網關鍵技術研究綜述[J].中國電機工程學報，2016（14）：3758-3770.

[2]孫慶.風力發電系統監測管理與故障分析研究[J].電力自動化，2020（1）：103-105.

[3]董敏，董英.風電不確定性對電力系統的影響研究[J].價值工程，2018，37（33）：182-183.

[4]高捷，趙斌，楊超，等.海上儲能技術發展動態與前景[J].新能源進展，2020（4）：136-142.