新能源快速頻率響應(yīng)在新能源場站的應(yīng)用方案研究及工程實踐

張 軍，王瑾然，章葉青

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

2020年的聯(lián)合國大會上，習(xí)近平主席首次提出了碳達(dá)峰和碳中和的概念，明確中國將努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和［1-3］。同時，得益于我國人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的不斷進(jìn)步，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段［4-5］。風(fēng)電、光伏等新能源場站在我國電網(wǎng)占比和并網(wǎng)容量比例的不斷提高［6-8］，將有助于推動我國供給側(cè)能源改革和建立多元化的能源供應(yīng)體系，最終實現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)。

然而，在我國新能源占比較高的地區(qū)，如西北五省和西南地區(qū)，可再生能源并網(wǎng)容量的不斷提高導(dǎo)致了常規(guī)火電等傳統(tǒng)發(fā)電廠并網(wǎng)容量比例減少［9-10］，電網(wǎng)可用快速頻率響應(yīng)資源降低，電網(wǎng)的頻率控制特性的結(jié)構(gòu)性困境愈發(fā)嚴(yán)重，電網(wǎng)抵抗嚴(yán)重沖擊的能力不足。因此，推進(jìn)新能源場站參與電網(wǎng)快速頻率響應(yīng)、實現(xiàn)高精度和高速度的頻率控制響應(yīng)具有十分重要的工程意義和實踐價值［11-13］。

目前，新能源場站基本配置了自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）系統(tǒng)以對電力系統(tǒng)進(jìn)行二次調(diào)頻，可實現(xiàn)有功功率的分鐘級調(diào)節(jié)［14-16］。然而，從2018年開始，國家能源局先后發(fā)文，同意在國家電網(wǎng)有限公司西北分部進(jìn)行新能源場站快速頻率響應(yīng)的試點工作，要求新能源場站調(diào)頻的快速響應(yīng)功能時間低于2 s，且達(dá)到90%調(diào)節(jié)量的響應(yīng)時間要求不超過5 s［11］。但現(xiàn)有的AGC 控制系統(tǒng)實時計算的能力欠佳，通訊協(xié)議往往采用較長時耗的TCP/IP 協(xié)議，通訊環(huán)節(jié)冗長，僅在周期性較長的二次調(diào)頻中適用，無法實現(xiàn)當(dāng)前低時限的啟動和調(diào)節(jié)要求［17］。

針對上述問題，目前已有部分工程通過改造傳統(tǒng)的AGC系統(tǒng)來應(yīng)對新能源場站的快速頻率響應(yīng)需求。文獻(xiàn)［12］提出了通過在既有的AGC 系統(tǒng)中增加控制單元來實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)功能，且無需對有功控制單元進(jìn)行改造。文獻(xiàn)［18］探討了AGC 系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的配合矛盾和可行性。文獻(xiàn)［19］則以一個AGC 調(diào)節(jié)的具體案例，探討了通過改造傳統(tǒng)AGC的控制策略實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)的合理性和可操作性。文獻(xiàn)［20］通過改進(jìn)AGC的控制模式，分析了一次調(diào)頻與AGC系統(tǒng)的協(xié)同控制策略。然而，以上研究需要對常規(guī)AGC系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化和改造，要打破固有的設(shè)備模型和網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)架，工程實施難度極大，且對AGC 廠家和相關(guān)研發(fā)人員依賴性較強，改造升級的成本高。

此外，部分新能源場站還會采用對光伏逆變器和風(fēng)機能量管理平臺進(jìn)行軟硬件升級改造的方式來實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)［21-23］。然而，受到目前逆變器自身的限制，其測頻精度和頻率采樣周期等都無法滿足頻率響應(yīng)的時間要求，且并網(wǎng)點調(diào)頻一致性的問題難以解決。同時，文獻(xiàn)［24］-文獻(xiàn)［26］還提出了利用儲能參與一次調(diào)頻以實現(xiàn)新能源場站的快速頻率響應(yīng)，但是由于需新建儲能設(shè)施，該方案的成本較高且施工難度大。文獻(xiàn)［27］-文獻(xiàn)［28］還提出了通過改變機組的旋轉(zhuǎn)容量來瞬時增加機組對電網(wǎng)輸出功率的能力，以滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求，然而對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行會產(chǎn)生一定的風(fēng)險。此外，隨著能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）的不斷推廣與應(yīng)用，文獻(xiàn)［29］和文獻(xiàn)［30］提出了增加智能終端或通信管理終端的方法來實現(xiàn)調(diào)度中心對新能源場站的功率控制，但是該方法需要新增調(diào)度到場站的專用通道，成本較高。

基于此，為了充分利用現(xiàn)有的AGC 功率控制系統(tǒng)，避免對已有AGC 系統(tǒng)和逆變器進(jìn)行差異化改造，且進(jìn)一步提高新能源的快速頻率響應(yīng)效果，滿足電網(wǎng)對新能源場站更高的控制響應(yīng)性能需求，可以通過增加專用的嵌入式調(diào)頻裝置，即新能源快速功率控制裝置來實現(xiàn)。該裝置可以作為一次調(diào)頻的有效手段，配合既有的AGC系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)快速頻率響應(yīng)。

本文將基于南京南瑞繼保電氣有限公司（以下簡稱“南瑞繼保”）研發(fā)的新能源快速功率控制裝置，闡述和分析幾種典型新能源場站的快速頻率響應(yīng)實現(xiàn)方案，以證明通過新增新能源快速功率控制裝置，與現(xiàn)有的AGC系統(tǒng)相配合，來實現(xiàn)新能源快速頻率響應(yīng)。

1 新能源快速頻率響應(yīng)的參數(shù)和性能指標(biāo)

新能源頻率f與有功功率P的折線函數(shù)可以表示為

式（1）中，P0和PN有功功率初始值和系統(tǒng)額定功率，fd和fN表示快頻響應(yīng)死區(qū)和系統(tǒng)額定頻率。δ%則表示新能源快速頻率響應(yīng)的調(diào)差率。

自2018年起，國家能源局和國家電網(wǎng)有限公司西北五省電力公司對上述參數(shù)（如快頻響應(yīng)死區(qū)fd和調(diào)差率δ%）及相關(guān)性能指標(biāo)做出了要求［10］，一些重要指標(biāo)如下所示。

1）響應(yīng)死區(qū)fd指標(biāo)

光伏場站的響應(yīng)死區(qū)fd設(shè)置為±0.06 Hz，風(fēng)電場則應(yīng)設(shè)置為±0.1 Hz。

2）調(diào)差率δ%指標(biāo)

風(fēng)電場站的δ%為2%，光伏電站的δ%設(shè)置為3%。

3）快速頻率響應(yīng)的性能指標(biāo)

性能指標(biāo)主要包括響應(yīng)滯后時間、響應(yīng)時間和調(diào)節(jié)時間。其中，對于風(fēng)電和光伏場站，其場站的響應(yīng)滯后時間均不得高于2 s，調(diào)節(jié)時間均要低于15 s。而對于響應(yīng)時間，風(fēng)電場不得超過12 s，光伏場站則要低于5 s。

4）調(diào)頻控制偏差指標(biāo)

新能源風(fēng)電場的調(diào)頻控制偏差為±2%，光伏場站則為±1%。

5）測頻精度指標(biāo)

相關(guān)要求中對測頻精度作了明確的規(guī)定，即風(fēng)電場和光伏場站的分辨率均不大于0.003 Hz。

6）頻率采樣周期和有功控制周期

對于風(fēng)電場和光伏場站，其頻率采樣周期最大值為100 ms，有功控制周期的上限則為1 s。

7）其他要求

文件還要求，新能源場站的快速頻率響應(yīng)策略應(yīng)躲過單一短路故障引起的瞬時頻率突變。

2 新能源快速頻率響應(yīng)的工程技術(shù)方案

本節(jié)以南瑞繼保研發(fā)的新能源快速功率控制裝置為基礎(chǔ)，圍繞技術(shù)指標(biāo)和風(fēng)電、光伏場站的不同組網(wǎng)方式等方面，分析新能源快速頻率響應(yīng)的工程技術(shù)方案。

2.1 新能源快速功率控制裝置

針對新能源快速頻率響應(yīng)的相關(guān)要求，南瑞繼保創(chuàng)新性地研發(fā)了PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制裝置。該裝置主要應(yīng)用于新能源場站的快速功率控制。當(dāng)新能源場站的頻率出現(xiàn)異常時，該裝置可以旁路原有的控制系統(tǒng)，對本場站中的光伏/風(fēng)機逆變器進(jìn)行直接或間接地有效控制，進(jìn)而使新能源電站功率變化達(dá)到要求。

PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制裝置基于高性能的通用型硬件平臺，采用多個32位微處理器進(jìn)行并行計算，具有強大的實時計算能力。同時，還支持調(diào)度主站、風(fēng)機/光伏逆變器、網(wǎng)源在線監(jiān)測和PMU 等對外接口，兼容標(biāo)準(zhǔn)103 和61850 通訊規(guī)約，適應(yīng)能力強。

2.2 新能源光伏場站組網(wǎng)方式

基于嵌入式芯片的快速功率控制裝置PCS-9726M/S，可針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行靈活且自主可控的配置，以滿足不同類型和規(guī)模的光伏場站的一次調(diào)頻需求。根據(jù)新能源光伏場站所需控制對象數(shù)量的不同，可以分為單機模式和主從機模式進(jìn)行組網(wǎng)。

2.2.1 光伏場站的單機組網(wǎng)模式

對于單出線或雙出線的中小型新能源光伏場站，只需配置一臺PCS-9726M主機，即采用快速功率控制裝置的單機組網(wǎng)模式。該裝置需要直采并網(wǎng)點的電壓和電流測量數(shù)據(jù)，并與場站內(nèi)原有的AGC系統(tǒng)進(jìn)行連閉鎖配合，如圖1所示。

圖1 光伏場站的單機組網(wǎng)模式Fig.1 Single-unit network mode of photovoltaic station

在單機組網(wǎng)模式下，PCS-9726M 對下可與逆變器利用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)直接通訊，或經(jīng)由通信管理機、數(shù)據(jù)采集器與逆變器進(jìn)行間接通信，最終將生成的控制指令下發(fā)至對應(yīng)的發(fā)電單元。需要注意的是，考慮到最佳控制效果，單臺PCS-9726M裝置的最大控制對象不超過100個。

2.2.2 光伏場站的主從機組網(wǎng)模式

考慮到部分地區(qū)的新能源光伏場站往往規(guī)模大、電壓等級高且需調(diào)控的光伏逆變器數(shù)量多，采用單PCS-9726M 的單機組網(wǎng)模式難以對規(guī)模龐大的光伏終端進(jìn)行控制，因此需要采用主從機的組網(wǎng)模式，即使用多臺PCS-9726S 從機配合一臺PCS-9726M 主機進(jìn)行組網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 光伏場站的主從機組網(wǎng)模式Fig.2 Master-slave unit network mode of photovoltaic station

其中，快速頻率響應(yīng)主機負(fù)責(zé)具體的調(diào)頻計算、控制邏輯并與AGC進(jìn)行通訊，而從機則負(fù)責(zé)對下發(fā)電單元的信息收集整理和指令下發(fā)。主/從機之間采用GOOSE 通訊，能夠有效縮短通訊延時，保障大規(guī)模光伏場站的整體調(diào)節(jié)效果。

主從模機式的組網(wǎng)方式最多支持8 臺從機，單臺從機可控對象上限為100 個。因此，為了保證控制質(zhì)量，采用該方式進(jìn)行組網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)中的最大控制對象數(shù)目不得超過800個，且需要根據(jù)實際情況靈活配置。

2.3 新能源風(fēng)電場站組網(wǎng)方式

2.3.1 風(fēng)電場站的單機組網(wǎng)模式

風(fēng)電場的配置方案與光伏電站單機模式類似，主要區(qū)別在于對下的控制對象是風(fēng)機的能量管理平臺，而每個能量管理平臺可控制多臺風(fēng)機，因此單機模式基本能滿足目前的風(fēng)電場調(diào)頻需求，如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場站的單機組網(wǎng)模式Fig.3 Single-unit network mode of wind station

在該模式下，快速功率控制裝置采用網(wǎng)絡(luò)Modbus或IEC104規(guī)約與風(fēng)機能量管理平臺直接通訊，建立一對一的通信網(wǎng)絡(luò)，獲取風(fēng)機能量管理平臺的運行信息，下發(fā)快頻控制指令。同時，裝置還會與既有的AGC系統(tǒng)進(jìn)行通訊以獲得調(diào)度主站下發(fā)的AGC目標(biāo)值，并上送閉鎖信號。

目前，新能源風(fēng)電場站的單PCS-9726M的組網(wǎng)方式可支持單點、多點遙調(diào)，下發(fā)的指令包括快頻目標(biāo)值的模擬量和快頻動作標(biāo)識的狀態(tài)量兩種，最多支持同時控制8個能量管理平臺。

2.3.2 風(fēng)電場站的主從機組網(wǎng)模式

考慮到部分地區(qū)，諸如內(nèi)蒙古等地，新能源場站很多都是風(fēng)光同場的形式，為此需要根據(jù)實際情況采用主從機模式的組網(wǎng)和控制方案，如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場站的主從機組網(wǎng)模式Fig.4 Master-slave unit network mode of wind station

其中主機負(fù)責(zé)與場站AGC系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，采集并網(wǎng)點的模擬量信息，并對從機下發(fā)相關(guān)指令。從機負(fù)責(zé)直接對風(fēng)能量管理平臺進(jìn)行控制，或通過通訊管理機連接常規(guī)的集中式逆變器。該組網(wǎng)方式最多支持8個從機和800個控制對象，具體的控制數(shù)量可根據(jù)實際情況方便地進(jìn)行擴展。

3 新能源快速頻率響應(yīng)的工程實施案例

自2018 年以來，該產(chǎn)品已在西北五省以及內(nèi)蒙、云南、河北、浙江等地中標(biāo)調(diào)頻項目近百個，具有豐富的實踐基礎(chǔ)和工程優(yōu)勢。本小節(jié)將以兩個典型的光伏和風(fēng)電場站為例，介紹不同組網(wǎng)模式下新能源快速頻率響應(yīng)的具體工程實施案例，以驗證快速功率控制裝置的控制效果。

3.2 寧夏銀川某光伏場站

該光伏場站位于寧夏自治區(qū)銀川市，光資源豐富，具有良好的實驗和試點條件。場站全站裝機容量為650 MW，采用國產(chǎn)的組串式逆變器，共計400 余個光伏方陣。由于逆變器數(shù)量較多，因此需要采用主/從機的組網(wǎng)方式。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)置了1 臺PCS-9726M主機和6臺PCS-9726S從機。

根據(jù)入網(wǎng)要求，需要在各廠家逆變器的配合下，讓第三方檢測機構(gòu)進(jìn)行頻率階躍擾動實驗和模擬頻率實際擾動實驗。其中，在頻率階躍擾動實驗中，在指定工況下分別進(jìn)行了兩次階躍上擾和階躍下擾實驗。實驗中，死區(qū)設(shè)置為±0.06 Hz，調(diào)差率為3%。實驗結(jié)果如表1所示，其中階躍擾動1為出力區(qū)間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2為出力區(qū)間大于50%Pn。

表1 頻率階躍擾動實驗結(jié)果Table 1 Frequency step disturbance experiment results

模擬頻率實際擾動實驗結(jié)果如表2 所示，其中階躍擾動1 為出力區(qū)間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2 為出力區(qū)間大于50%Pn。

表2 模擬頻率實際擾動實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

測試結(jié)果表明，各項調(diào)節(jié)指標(biāo)均優(yōu)于第一節(jié)中提出的指標(biāo)要求。

對于防擾動性能校驗，實驗中通過高精度頻率信號發(fā)生器模擬電網(wǎng)高低電壓穿越等9 組暫態(tài)過程，快速頻率響應(yīng)裝置能夠正確識別，未出現(xiàn)快頻響應(yīng)功能誤動作現(xiàn)象，且暫態(tài)頻率擾動過程中，場站有功出力穩(wěn)定，滿足西北調(diào)控［2018］137 號文件要求。在AGC 協(xié)調(diào)試驗中，共開展8組頻率擾動幅度為50±0.2 Hz的快速頻率響應(yīng)與AGC協(xié)調(diào)試驗，協(xié)調(diào)控制邏輯設(shè)計滿足電網(wǎng)安全運行要求。

3.2 青海共和某風(fēng)電場站

該風(fēng)電場位于青海省共和縣，全站風(fēng)機裝機容量為200 MW，配備2 個能量管理平臺，共計100 臺風(fēng)機。由于場內(nèi)配置的能量管理平臺較少，因此采用了單PCS-9726M 的組網(wǎng)模式，死區(qū)設(shè)置為±0.1 Hz，調(diào)差率為2%。頻率階躍擾動實驗和模擬頻率實際擾動實驗結(jié)果如表3 和表4 所示，其中階躍擾動1 為出力區(qū)間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2為出力區(qū)間大于50%Pn。

表3 頻率階躍擾動實驗結(jié)果Table 3 Frequency step disturbance experiment results

表4 模擬頻率實際擾動實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

測試結(jié)果表明，各項調(diào)節(jié)指標(biāo)均優(yōu)于國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的指標(biāo)要求。

實驗中還進(jìn)行了防擾動性能校驗和AGC 協(xié)調(diào)性試驗。其中，防擾動性能校驗?zāi)M電網(wǎng)高低電壓穿越等9 組暫態(tài)過程，檢驗新能源場站快速頻率響應(yīng)功能是否會誤動作，實驗結(jié)果皆不存在頻率響應(yīng)誤動作。在AGC 協(xié)調(diào)實驗中，AGC 采用本地閉環(huán)模型運行，高精度信號發(fā)生裝置作為信號發(fā)生源輸出頻率階躍上擾或下擾信號，根據(jù)AGC指令和快頻響應(yīng)指令的先后次序和類型，光伏電站分別在50±0.2 Hz和50±0.09 Hz兩種擾動幅值情況下開展指令疊加測試，結(jié)果均為合格。

目前，南瑞繼保研發(fā)的快速功率控制裝置已經(jīng)通過中國電機工程學(xué)會技術(shù)鑒定的產(chǎn)品，整體技術(shù)性能國際領(lǐng)先。同時，在2019年中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行的快速調(diào)頻專項測試中，各測試項目均滿足相關(guān)性能指標(biāo)要求，且通過了國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實驗驗證中心和電磁兼容實驗室的型式檢測。

4 結(jié)語

我國的風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)容量日益增大，場站數(shù)目也不斷增多。針對場站內(nèi)現(xiàn)有的AGC 系統(tǒng)無法滿足調(diào)頻快速響應(yīng)要求的問題，本文介紹了通過新增新能源快速功率控制裝置來實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)的工程應(yīng)用方案。最后對兩個實際案例進(jìn)行了分析，表明新能源快速功率控制裝置能夠使得新能源場站在一次調(diào)頻、功率快速調(diào)節(jié)上具備較優(yōu)的調(diào)節(jié)效果。