并網新能源場站調頻能力檢測技術研究

沐潤志，吳水軍，陳晶，何廷一

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

云南新能源近年發展較快，根據云南電網2020年度運行方式，截止到2020年初，云南新能源裝機已達到總裝機容量的15%，新能源場站主動參與系統頻率調整是新能源大規模并網后電力系統為保證其自身安全做出的必然選擇。自2016年云南電網與南方電網異步聯網方案實施后，異步運行的云南電網面臨系統等效容量減小，網內的電壓、頻率與異步聯網之前相比將呈現較大的差異，尤其網內的頻率問題，將嚴重威脅云南電力系統的安全穩定。

我國一系列標準已經規定并網新能源場站應具備參與電網頻率擾動調整的能力[1-3]。新能源場站的調頻可以分為單機、站級的調頻方式，單機的調頻方法理論研究已經較為成熟，但可行性較低；站級的調頻研究相對較少，特別針對調頻期間的有功功率分配策略、多機協調控制配合，從現場的工程改造情況來看，站級的調頻控制方式可行性較高。根據目前的現場應用情況表明，風電和光伏參與調頻的特性優于常規的水電、火電機組，具有較好的應用前景[4-7]。

目前新能源場站調頻能力測試方法較少，國內外尚無明確的規程規定如何進行調頻能力檢測[1-2]；文獻[8]提出了一種適用于西北電網新能源場站調頻功能的入網試驗方法，從頻率階躍擾動試驗、模擬實際頻率擾動試驗、防擾動性能校驗、AGC協調試驗四個方面對新能源場站調頻能力檢測，但西北電網與南方電網和云南電網差異較大，所提方法不能滿足云南電網新能源場站調頻能力的測試；文獻[9-11]采用頻率階躍分析風電場和光伏的調頻能力，測試方法單一，不能全面測試場站的調頻性能。目前國家、南網的規程和技術要求規定的調頻指標要求較寬，僅規定風電場應具備頻率單次階躍、連續階躍的調頻功能，云南電網處于異步聯網的送端，網內頻率威脅著系統穩定運行，亟待研究并實踐出測試方法，滿足云南電網調頻能力檢測工作的需求。

本文提出了一種適用云南電網的新能源戰場調頻能力測試方法，采用標準數據源、仿真數據回放、實測數據回放結合從調頻功能、防擾動性能等方面，完成新能源場站的調頻能力測試，已在云南電網和南方電網的多個風電場、光伏電站得到應用，具備良好的應用前景。

1 現有風電場調頻方法

目前國內外的風電場調頻多數處于理論層理的研究，實際應用較少。新能源發電機組按調頻原理不同，可以分為慣量控制、功率備用控制、慣量和功率備用聯合控制。

慣量的控制方式響應速度快、支撐時間短，短暫的支持時間能為常規水電機組調速器動作提供一定的響應時間，對于以水電機組為主要調頻機組的云南電網中，新能源發電機組的快速頻率響應特性更能夠有效地和水電組的水錘效應導致調整有功時的有功反調形成互補效果[4]。功率備用控制通過槳距角調整，其速度慢，槳距角頻繁的動作會縮減風機壽命和增加檢修費用[6]。慣量控制可增加電網系統慣性，功率備用控制能為系統提供有功備用，聯合兩種控制方式能進一步改善新能源機組的頻率響應特性。

風電場至少包含數十臺風電機組，目前投運的風電機組一般不具備調頻能力，逐臺風電調頻能力改造及檢測，將是一個巨大的工作量，同時需優化風電機組之間的控制策略，因此需從風電場站級提出解決方法[4]。

站級調頻主要從整個場站為控制對象，在場端測量并網點頻率，根據頻率變化量和變化率，計算得調頻功率，再考慮每臺風機的運行情況，通過場站的有功分配平臺把調頻功率分配給每一臺機組，如圖1所示。

圖1 站級有功分配示意圖

新能源場站的調頻有功分配策略可以分為調整量平均分配、調整量等比分配、調整量相似出力裕度分配、調整量按機組運行風機或光強成正比分配。由于每臺機組的運行狀態不一致，有功調整量平均分配、等比分配顯然不合理；相似裕度分配是多數廠家采用的方法，也是現有AGC調整功率的主要方法，其是考慮機組自身的發電裕度進行分配[12]；機組運行風機或光強成正比分配是根據發電機組的實際運行情況進行有功分配，大風機組承擔較多的調頻有功功率任務，小風機組承擔較少的調頻有功功率任務[4]。由于調頻要求具有較快的時間響應，致使有功的分配需要發電機組之間或發電機組與總機之間進行相互較快的通信，這也就增加新能源場站的投資。

2 并網新能源場站調頻能力測試探討

云南電網的風電場要求應具有頻率變化量、頻率變化率、頻率變化量+頻率變化率三種調頻方式，同時具有頻率連續階躍調頻的功能。

2.1 測試方法

新能源場站一次調頻功能可分為機組級和場站級調頻。機組級調頻指風電場單臺機組或光伏電站單個陣列具備調頻能力，場站級調頻指由場站級主控系統將調頻指令下發至風電場各個機組或光伏電站各個陣列實現一次調頻功能。

2.1.1 單機調頻功能測試方法

單臺機組的調頻能力檢測方法一種是從機組主控系統二次回路加入頻率信號，另一種是在機組箱變高壓側與集電線路之間串入新能源電網適應性檢測平臺，接線示意圖如圖2所示。其中，新能源電網適應性檢測平臺采用電力電子控制方式實現，將風機并網點與系統間形成“交—直—交”的背靠背連接方式，通過改變檢測平臺發電機側的電氣量（電壓、頻率）輸出信息，達到改變被測風機真實的并網點電壓、頻率的目的。

通過云南電網新能源電網適應性檢測平臺真實改變新能源發電機組并網點電壓、頻率后，機組測頻環節采用變頻器鎖相環測頻，其測頻結果通過通信方式輸出至發電機組主控系統，主控系統內置一次調頻功能（變槳調頻、慣量調頻、變槳+慣量調頻），相應的調頻模塊將調頻運算結果（變功率、變槳、變轉速）分別輸出至變頻器模塊及變槳、轉速控制模塊，從而實現機組的各種調頻功能。利用高精度電量記錄分析儀在測試點采集機組電壓、電流數據等，分析現場單機調頻能力。

2.1.2 站級調頻功能測試方法

風電場的裝機在數十兆瓦以上，風電場站級調頻能力檢測無法從一次側加量模擬電網頻率擾動，僅能從站級調頻控制柜二次加量模擬場站并網點母線電壓、頻率擾動。

站級調頻測試示意圖如圖3所示，采用高精度頻率信號發生器在調頻控制柜的母線電壓采集板上加入指定頻率幅值及變化率的頻率信號，以模擬電網頻率變化，通過高精度電量記錄分析儀采集對應的頻率信號、全站功率響應曲線等，以及調頻控制錄波數據，分析現場站級調頻能力。

圖3 場站調頻測試接線示意圖

2.2 對測試調頻裝置功能的技術要求

調頻功能測試設備的一個關鍵技術是自定義頻率階躍波形輸出、將仿真波形或者實測波形再現為一個電壓信號。根據現場單機和站級風電場調頻功能的現場試驗情況分析，測試設備不僅需具有精確的頻率連續輸出功能，還需要支持高電壓穿越測試、低電壓穿越測試、諧波擾動測試、不限時的故障回放等功能，回放數據采樣頻率不低于1.2 K，回放電壓精度不低于0.1 V，電流不低于0.01 A，頻率精度不低于0.0001 Hz；不同廠家、不同設備的錄波波形存儲格式不一致，要求調頻測試裝置能夠支持多廠家錄波波形存儲格式的輸入；具有輸入輸出波形比較功能，確保回放輸出準確性。

2.3 測試工況的選取

要求當場站有功功率在總額定出力的20%以上時，場站應能夠實現連續平滑的有功功率調整，能夠參與系統頻率調整。新能源場站開展場站級一次調頻試驗時，因故障或檢修不能參與一次調頻試驗的機組容量應不超過總裝機容量的10%。

不同的測試項目應分別在對應的工況下完成現場試驗，測試工況按照表1定義。

表1 新能源場站調頻功能測試工況

為盡可能詳細檢測新能源場站調頻能力，上表中按新能源場站出力負荷區間和是否預留容量劃分測試工況，其中Pn為新能源場站額定有功功率，P為新能源場站實發有功功率,當預留容量時，為確保場站具有有功功率上調的能力，預留容量為10%Pn，依次進行每個工況下的測試[8]，詳見下文。

2.4 性能評價指標

目前對新能源場站一次調頻功能的具體指標主要依據國標、行標、企標等。但這些規程和技術要求規定的調頻指標較寬，不能滿足云南電網穩定性的需求。經過現場測試和結合云南電網的特殊性，新能源場站響應的功能衡量指標主要如下：

1）調頻動態指標

a．新能源場站調頻啟動時間不大于3 s；

b．風電場調頻響應時間不大于10 s，調節時間不大于15 s；

c．光伏電站調頻響應時間不大于5 s，調節時間不大于15 s。

2）調頻控制偏差：在頻率偏離死區出力穩定后，新能源場站響應調頻指令的有功出力偏差應在額定出力的±2%以內。

3）調頻控制柜應具有錄波功能，至少記錄調頻過程中的并網點頻率、實際有功功率、實際無功功率、設定理論有功功率、電壓、電流、調頻啟動信號，以及每臺機組的實際有功功率、設定理論有功功率、槳距角、轉速、風速、光照強度等數據。還需進一步采用實測數據用于調頻性能測試。云南電網發生的兩次直流閉鎖波形如圖4、5所示，電網發生頻率擾動并不是簡單的頻率上擾或下擾，而是一個反復振蕩過程，持續時間較長，仿真并不能達到這種效果。

圖4 靈紹直流閉鎖頻率擾動波形

3 并網試驗內容

3.1 調頻功能測試

新能源場站一次調頻試驗應包含一次調頻死區、調節幅度、調差系數和動態指標相關測試內容。通過理論結合多個新能源場站現場調頻能力檢測經驗得，新能源場站現場調頻功能測試應采用標準數據源、仿真電網頻率擾動數據回放、實測電網頻率擾動數據回放等進行調頻功能測試。

標準數據源測試是基于高精度頻率發生器輸出的標準頻率單次階躍、連續階躍、頻率變化率的頻率信號對調頻系統進行測試；仿真數據回放測試是基于利用電力系統仿真軟件，仿真各種情況下電網故障時的頻率擾動，通過高精度頻率發生器的回放功能對調頻系統進行測試；實測數據回放測試依賴云南電網目前電網故障時的頻率擾動，特別是直流閉鎖故障下記錄的頻率擾動波形進行回放測試。

標準數據源測試根據需求自定義高精度頻率發生器輸出不同電壓信號；仿真電網需根據電網實際情況進行仿真，仿真是一種對隨時間運行的真實系統或進程的模擬，數據易于獲取，具備完整性；實測數據的數量受限于電網實際發生故障的次數，數量有限，同時實測數據最能反映實際運行狀況和故障過程，但實測數據在測試中很少使用。目前風電場調頻功能測試中，主要依賴測試設備標準數據源輸出的階躍頻率擾動，缺少基于實測數據或者仿真數據的測試。

實測故障數據與電力系統仿真軟件仿真獲取的故障數據存在較大差別，不能僅用仿真的故障數據作為新能源場站調頻能力測試的依據，

圖5 永富直流極Ⅱ閉鎖波形

基于標準數據源的測試方法只適用于理論分析、基本功能的調頻測試；若需要對場站調頻性能的適應性分析、功能測試，則需利用實測故障數據和仿真故障數據進行測試。在電網中并不是每種故障類型或每條直流閉鎖都能找到典型的實測數據，所以需要基于標準數據源、實測故障數據、仿真數據的測試方法相結合使用，才能到達對新能源場站調頻功能的完整性能測試。

3.2 防擾動性能測試

風電場調頻功能的正確動作不僅指調頻控制系統感受電網頻率波動時，風電場出力相應變化，還是考慮電網電壓驟升或驟降時電壓相位突變，或風電場并網點發生諧波擾動時，調頻控制柜的鎖相環應保持頻率不變，即高電壓和低電壓穿越期間、諧波擾動閉鎖調頻功能。

新能源場站防擾動新能校驗主要包含高電壓穿越、低電壓穿越、諧波等方面的測試，高、低電壓穿越根據規程規定的故障穿越要求[13]。本試驗項目要求新能源場站調頻系統具有抗擊暫態故障或干擾引起的擾動性能。

調頻系統防擾性能的校驗也分為標準數據源、仿真電網擾動數據回放、實測電網擾動數據回放三個方面的測試，每個方面都包含高電壓穿越、低電壓穿越、諧波測試內容；其中高、低電壓穿越又包括對稱故障和不對稱故障，采用標準數據源輸出高、低電壓穿越電壓波形時在電壓跌落（升高）和恢復時完成兩次相移，每次相移≥60度。

調頻功能測試應在四個工況下分別開展；防擾動性能校驗若現場情況允許，應盡可能分別采用標準數據源、仿真電網擾動數據回放、實測電網擾動數據回放在四個工況下開展，但至少在其中一個工況下開展測試。

4 現場測試案例分析

4.1 光伏電站單機現場調頻功能測試分析

圖8 頻率變化量+變化率調頻測試

以新能源電網適應性檢測平臺在2018年10月-11月在華能石林光伏電站進行的40號光伏陣列調頻功能測試結果為例分析，光伏陣列有頻率變化量和頻率變化率調頻功能；測頻模塊誤差不超過±0.001 Hz，慣性時間系數Tj為4，調頻頻率死區(f)：±0.03 Hz。以圖2所示的單機調頻檢測方法進行光伏陣列調頻能力測試，此處僅以低負荷預留容量下的頻率變化量、頻率變化率、頻率變化量+變化率三種調頻為例進行分析，分別如圖6-9所示，其中圖7和圖9中的頻率變化率為0.5 Hz/s。

圖6 變化量調頻測試

圖7 頻率變化率調頻測試

圖9 三種調頻模式對比

圖9 為負荷預留容量下的頻率變化量、頻率變化率、頻率變化量+變化率三種調頻有功變化對比圖。從圖中可以看出，光伏調頻響應速度快，變化率調頻功能短時輸出有功功率，一定時間后會造成“功率坑”。

結合上述分析和現場試驗情況，得到如下結論：

1）對變化量調頻模式而言，穩態功率調節量與理論計算結果相符；功率調節動態指標（啟動時間、響應時間和調節時間）均在3.0 s內完成，具有較快的響應特性。

2）對變化率調頻模式而言，由于目前暫無光伏電站變化率調頻（慣量調頻）的性能指標，在結合現場頻率擾動過程中的頻率變化實際，結果表明變化率調頻時間指標均在2.0 s內完成。

3）對單獨的變化率調頻，或者變化率+變化量調頻，由于變化率的影響，功率調節過程中出現超調，該超調顯現將進一步導致光伏列陣直流母線電壓的快速變化，出現“功率坑”。

4.2 風電場站級現場調頻功能測試分析

以采用新能源調頻高精度信號發生器在2019年10月在桂林黃花嶺風電場的測試結果為例分析，僅具備頻率變化量調頻功能；測頻模塊誤差不超過0.001 Hz，有功調頻系數定為20，變化量Δf調頻人工頻率死區（f）：±0.05 Hz。此處限于篇幅僅以高負荷預留容量下的頻率下調、高負荷不預留下電網實測數據回放測試、低電壓穿越為例進行分析。

1）高負荷預留容量下的頻率下調的調頻測試（50.00-49.80 Hz）

當系統頻率超出死區時，調頻程序能夠正確發出全場功率調節指令，且實際發出的功率調節量與理論計算值相符，該指令到各臺風機的分配采用非平均分配形式所示），調頻持續時間取決于高頻或低頻持續時間。

圖11 頻率連續階躍并網點頻率與實際調頻功率對比圖

圖10 11看出風電場通過全站調頻協調控制，對出力較大的機組充分利用其調頻能力，以彌補不具備調頻能力機組的調頻功率“差額”，該情況充分顯示站級調頻系統協調功能的重要性；與此同時，單機對調頻系統調頻指令的響應存在時間滯后現象，導致機組的實際功率響應與并網頻率之間存在“時間差”，該現象導致全站的總有功功率響應與并網點頻率之間也存在一定的“時間差”。

圖10 頻率單次階躍并網點頻率與實際調頻功率對比圖

2）高負荷不預-留容量下的電網實測數據回放調頻測試

圖12 調頻自身錄波結果并網點頻率與實際調頻功率對比圖

從實測電網頻率擾動變化量調頻的調節量過程分析，功率調節方向與頻率變化方向相反，符合調頻預期；頻率變化量越大，導致的功率調節量也越大。

3）仿真數據回放的低穿期間閉鎖調頻功能測試

通過圖13分析可知，低電壓穿越期間，調頻電壓跌落時相位突變，調頻電壓頻率上升或下降，調頻系統鎖相環采集到的頻率仍為50.00 Hz，且調頻系統的一次調頻功能未啟動，即調頻系統在低電壓穿越期間閉鎖一次調頻功能。

圖13 低電壓穿越期間調頻功能錄波波形

綜上所述，本文所提的風電場調頻功能測試方法能夠可靠驗證風電場具有調頻功能。

5 現場實際調頻動作分析

云南電網內的彝山風電場站級一次調頻功能于2019年5月完成試驗并掛網運行，并于2019年7月19日 正 式 投 入。2019年10月22日16點10分，云 南 電 網±800 kV楚穗直流極Ⅱ閉鎖，直流功率由3750 MW減至1420 MW，系統初始頻率49.96 Hz，電網主網頻率最高升至50.17 Hz，47秒后系統頻率恢復正常。在這該次直流閉鎖的電網實際頻率波動過程中，彝山風電場調頻正確動作，如圖14所示。新能源參與調頻有效的緩解了云南電網在小頻差范圍內的調頻困難壓力，對電網調頻有著非常優良的作用效果。

圖14 電網實測擾動調頻動作圖

6 結束語

本文提出一種適用于南方電網，特別是云南電網的新能源場站的單機和站級調頻功能試驗方法：

1）明確云南電網新能源場站需具備的調頻能力和調頻實現方法、單機和站級調頻能力的測試方法、測試工況的選取、調頻性能評價指標等，使調頻能力測試具備可行性。

2）提出采用標準數據源、仿真數據回放、實測數據回放進行新能源場站的功能測試、防擾測試，基于標準數據源的測試方法只適用于理論分析、基本功能的測試，結合仿真數據回放、實測數據回放測試能夠對新能源場站調頻能力全面測試。

3）選取風電場站級調頻和光伏電站單機調頻檢測進行實例分析，驗證本文所提的調頻能力測試方法具有可行性，能夠全面地檢測新能源調頻能力；同時也驗證本文所提測試方法不僅適用于云南電網新能源場站調頻能力檢測，還適用于南方電網范圍內的新能源場站調頻能力檢測，具備良好的應用價值和應用前景。

該測試方法必將有力推進云南電網并網風電、光伏電網一次調頻能力測試與研究工作，也將進一步保障和促進異步聯網后新能源與電網之間頻率問題的友好、協調發展。