一種適用于新能源場站的新型一次調頻系統及其應用

張健 沈文陽 王剛 池鳳泉 陳建波

（1.國家電投浙江分公司 廣西壯族自治區南寧市 530022 2.新華水力發電有限公司 北京市 100071）（3.南京中匯電氣科技有限公司 江蘇省南京市 211102）

近年來我國新能源發電產業發展迅速，截至2020年底，全國光伏、風電累計并網容量已超過534.5GW。隨著“碳達峰、碳中和”和構建以新能源為主體的新型電力系統目標的提出，預示著新能源的發展步入了一個新的階段。

新能源電站出力具有隨機性和波動性，大量接入對電網的穩定運行帶來了巨大的挑戰，新能源電站參與電網一次調頻，緩解電網調頻調峰壓力就顯得尤為迫切和必要。新能源電站的功率輸出由電力電子元器件產生，其響應速度要遠遠快于火電站或水電站等傳統電源，在調頻方面有其明顯的優勢，可以在出現大功率擾動情況下，進一步提升電網頻率的回復能力。從2018年開始西北電網就做了新能源電站一次調頻功能的試點和推廣，并取得了一定的成果，為一次調頻的全國推廣做了鋪墊。新能源電站具備一次調頻功能，將能夠提升電站的友好程度和電網的消納能力。從2020年起，全國電網也逐步開始了新能源電站的一次調頻建設和推廣工作。本文將討論新能源電站中一次調頻系統的技術及其應用。

1 現有一次調頻技術存在的不足及解決方法

跟常規電源一樣，當電網頻率異常，越過死區后，需要新能源電站調節有功輸出將頻率控制在正常運行范圍內。現有新能源一次調頻系統大多數情況下是作為電站獨立的一套系統閉環運行，實際運行過程中發現調頻系統運行數據不能及時有效的反饋給調度主站，針對這一問題可以利用模擬量輸出通過硬接線的方式或者通訊的方式將所需的關鍵數據傳輸給PMU 裝置，再通過PMU 將數據實時傳輸給調度主站,便于主站實時掌握系統頻率異常時新能源電站的出力響應情況。

當電站處于自由發電狀態下功率滿發，未配置配套儲能的情況下，此時不能滿足一次調頻的低頻升功率的調節要求。針對這一問題，通過設計有功備用功能。當有功備用投入，裝置會自動在當前功率狀態下預留出一定的有功功率，來滿足低頻升功率的要求。當有功備用退出，自動恢復正常運行模式。

一次調頻系統投運后，在某些被考核的情況下，會出現調度考核數據和電站實際運行數據無法匹配的問題。通過采用 Comtrade記錄格式，并支持61850 文件服務上送，調度主站可直接從裝置中調取任意時間的錄波文件，進行查看核對，同時電站運維人員也可通過打印機就地將錄波文件打印出來進行問題分析，可以很好的解決考核數據不對應的問題。

2 該一次調頻系統的主要技術特點

2.1 并網點數據高精度實時采集運算

一次調頻系統的實際使用，需要對并網點的CT 和PT 信號進行模擬量采集，采集精度的高低決定了調節精度是否滿足要求。本系統頻率采樣精度可達到不超過0.002Hz，電壓電流采樣精度達到0.2%，功率精度可達0.5%，為一次調頻系統的精準控制提供了堅實的保障。

2.2 分配控制策略優化

一次調頻控制系統考慮每臺逆變器的實際運行情況，綜合整個電站情況給出最佳的調節策略，從而實現最高效的控制效果和最快速的響應時間。

2.3 快速可靠的場站通訊系統

系統獨創了無數據包丟失確認方式，避免丟包問題，可靠保證整體網絡的穩定流暢。并且能夠在單側數據網絡遭到破壞的同時直接切換到另一側網絡，降低了網絡切換延時。

2.4 整站群控群調的技術應用

群控群調技術，摒棄了過去一對一鏈接發送接收的傳統模式，采用一對多群發的策略來提高系統的響應效率，通過多次反復的實際驗證，效果顯著，大大縮短了數據傳輸所需要的時間。

2.5 目標數據無限逼近策略

在實際調節過程中，由于各種因素，比如逆變器自身的采樣誤差，并網點數據的采集誤差，以及電站中一次設備自身損耗等，控制系統并不能保證發出一次調節命令就能將并網點功率值調節到所需的目標。對于這個問題，通過采用無限逼近控制模式，有限制的采用差值疊加策略完成目標的調節精度。為了不引起振蕩，系統也限制了差值的極限范圍，避免無條件疊加以及無限次累計，從而保證了系統的可靠性和調節精度。

3 一次調頻系統與AGC的配合

在原系統中增加一套一次調頻控制系統，包含新增的新能源快速頻率響應裝置（以下簡稱裝置），利用原有網絡結構和原來的控制子站來實現調頻功能。該系統與AGC 系統相互配合分工，通過信號閉鎖，分別實現光伏電站的一次調頻和二次調頻控制功能，并且實現兩者間的功能協調配合。裝置直接高精度采集光伏電站并網點頻率和電壓電流信號，并計算得到相應的功率，當頻率變化越過死區后啟動一次調頻控制功能，通過信號閉鎖AGC 系統二次調頻控制，裝置參考一次調頻參數生成合適的功率調節目標值下發給執行機構，使并網點功率達到所需的預期目標值。當頻率恢復正常后，退出一次調頻控制，解除一次調頻閉鎖信號，AGC 系統進入正常二次調頻控制模式。

4 系統實際應用效果

該新型一次調頻系統在南方某大型地面光伏電站安裝完成后經中國電科院檢測，各項指標均達到了國家標準，并遠優于標準要求。

4.1 頻率測量精度校驗

測試方法：通過信號源輸出標準信號，校驗一次調頻控制系統的頻率測量精度。頻率測量分辨率不大于0.002Hz。頻率測量精度記錄如表1。

表1：頻率測量精度記錄

4.2 頻率階躍擾動測試

測試方法：分別在20%-30%輕載負荷限功率、50%-90%重載負荷限功率工況下采用信號源模擬電網頻率階躍擾動信號，場站在頻率階躍擾動情況下的特性，如圖1和圖2所示。

圖1：輕載負荷工況下頻率階躍49.8Hz 有功功率響應波形

圖2：重載負荷工況下頻率階躍50.15Hz 有功功率響應波形

4.3 頻率波動

測試方法：分別在20%-30%輕載負荷限功率、50%-90%重載負荷限功率工況下采用信號源模擬電網頻率波動信號，測試場站在頻率波動情況下的特性，如圖3和圖4所示。

圖3：輕載負荷工況下頻率波動有功功率響應波形

圖4：重載負荷工況下頻率波動有功功率響應波形

4.4 調頻死區校驗

測試方法：通過信號源輸出死區頻率±0.003Hz，校驗一次控制系統的調頻死區控制精度。光伏場站一次調頻的死區宜設置為±0.02-0.05Hz，推薦設置值為±0.05Hz。如圖5和圖6所示。

圖5：頻率階躍至49.947Hz，有功功率響應波形

圖6：頻率階躍至49.953Hz，有功功率響應波形

5 結束語

該新型一次調頻控制系統具備通過直流模擬量或通訊的方式輸出一次調頻關鍵數據，調度主站可實時監測。具備錄波及文件傳輸服務，為調度主站與場站一次調頻動作數據的校核提供簡潔有效的途徑。具備有功備用功能，在沒有外部有功支撐的環境下，能夠滿足低頻升負荷的功能要求。該系統算法精準，控制速度快，多種控制策略，適應不同使用環境。避開通信冗余環節，直采直控，群控群調，使通訊達到最快、最準響應,實時接收AGC 指令，實現一次頻率響應與AGC 的協調控制，同時保證AGC 的正常運行,系統具備完整的閉鎖邏輯判斷，保障了場站安全穩定的運行。

該系統為新能源場站參與電網一次調頻，維持電網頻率穩定，提供了可靠保障，提升了新能源電站在電網頻率波動時通過快速改變電站有功出力使頻率恢復正常的能力，這一能力為構建以新能源發電為主體的新型電力系統提供了強有力的技術支撐，值得廣泛推廣應用。