海上風(fēng)電場一次調(diào)頻改造與試驗分析

周 帥， 張?zhí)旌＃?劉 鑫， 肖新宇， 湯可怡

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211102)

截至2020年底，江蘇省的風(fēng)電裝機容量為1 547萬kW，占新能源總裝機容量的48%，形成海陸并舉、以海為主的風(fēng)電發(fā)展模式。在“十四五”期間，江蘇省預(yù)計將有超過1 000萬kW的風(fēng)電并網(wǎng)，風(fēng)電將成為新能源領(lǐng)域中的主要電源。

隨著江蘇省新能源發(fā)電滲透率的升高和區(qū)外來電量的不斷增長，不斷擠占具有轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)電源空間，電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻能力下降；同時，當(dāng)新能源發(fā)電達日最大發(fā)電功率時，全網(wǎng)火電機組深度調(diào)峰運行，無法提供向下一次調(diào)頻能力，造成電網(wǎng)頻率安全風(fēng)險進一步加大[1-2]。針對上述問題，江蘇省電力調(diào)度中心要求省內(nèi)的風(fēng)電場需要具備一次調(diào)頻功能，風(fēng)電場能夠進行有功功率調(diào)節(jié)，同時風(fēng)電場應(yīng)具備有功功率備用功能以滿足電網(wǎng)低頻增負(fù)荷能力。此外，為實時評估風(fēng)電場一次調(diào)頻能力，風(fēng)電場應(yīng)具備一次調(diào)頻在線監(jiān)測功能[3]。

目前，學(xué)者提出了多種風(fēng)電機組一次調(diào)頻控制策略，主要包括虛擬慣量(風(fēng)機轉(zhuǎn)子動能利用)和預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用(超速法、變槳法)兩種方式[4-7]，但大多主要集中于風(fēng)電機組側(cè)有功功率調(diào)節(jié)理論研究，缺乏實踐應(yīng)用。筆者從實際工程應(yīng)用出發(fā)：首先，介紹了風(fēng)電場一次調(diào)頻控制原理與一次調(diào)頻在線監(jiān)測機制；其次，對江蘇省某海上風(fēng)電場進行一次調(diào)頻改造，詳細(xì)介紹風(fēng)電場一次調(diào)頻設(shè)備與其他設(shè)備間的通信方式；最后，對該風(fēng)電場進行現(xiàn)場一次調(diào)頻功能試驗，研究海上風(fēng)電場一次調(diào)頻性能狀況。

1 風(fēng)電場一次調(diào)頻技術(shù)原理

1.1 控制原理

風(fēng)電場一次調(diào)頻控制系統(tǒng)直接采集并網(wǎng)點電壓、電流信號計算電網(wǎng)頻率，當(dāng)頻率越過死區(qū)后，按照有功功率-頻率下垂特性函數(shù)計算一次調(diào)頻有功功率[8]，計算公式如下：

(1)

式中：P為一次調(diào)頻有功功率，MW；f為一次調(diào)頻頻率，Hz；fL=fN-fd，fH=fN+fd，fd為一次調(diào)頻死區(qū)頻率，Hz，fN為電網(wǎng)額定頻率，Hz，取50 Hz；Pe為一次調(diào)頻控制對象額定功率，MW；δ為一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率，%；P0為一次調(diào)頻控制對象有功功率初始值，MW。

按照江蘇省電網(wǎng)對風(fēng)電場一次調(diào)頻要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)：一次調(diào)頻死區(qū)頻率為±0.1 Hz，一次頻率響應(yīng)限幅設(shè)置為6%Pe，風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率為5%。風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)有功功率-頻率下垂特性示意圖見圖1。

圖1 風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)有功功率-頻率下垂特性示意圖

1.2 在線監(jiān)測技術(shù)

通常風(fēng)電場在具備一次調(diào)頻功能后，由技術(shù)人員在風(fēng)電場特定穩(wěn)態(tài)工況條件下進行一次調(diào)頻性能試驗。由于風(fēng)電具有隨機性和波動性的特點，工況條件難以預(yù)測，并且風(fēng)電場一次調(diào)頻能力也時刻受到環(huán)境變化的影響，因此，僅靠場站側(cè)模擬頻差進行一次調(diào)頻測試很難準(zhǔn)確實時評估新能源場站一次調(diào)頻性能。為了保障調(diào)度人員準(zhǔn)確可靠地評估風(fēng)電場一次調(diào)頻性能，加強調(diào)度人員對風(fēng)電場一次調(diào)頻功能的監(jiān)督管理，提出一次調(diào)頻在線監(jiān)測技術(shù)。一次調(diào)頻在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信示意圖見圖2。通過實時采集風(fēng)電場動態(tài)數(shù)據(jù)并計算，使電網(wǎng)調(diào)度人員能夠?qū)崟r、全面地掌握風(fēng)電場的一次調(diào)頻能力，有效提升電網(wǎng)安全運行水平[9]。

圖2 一次調(diào)頻在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信示意圖

風(fēng)電場投入一次調(diào)頻時，調(diào)度主站系統(tǒng)可實時下發(fā)一次調(diào)頻進入測試指令，風(fēng)電場進入一次調(diào)頻在線測試狀態(tài)，一次調(diào)頻功能退出實際運行，不再對并網(wǎng)點實際頻率變化產(chǎn)生響應(yīng)，一次調(diào)頻控制系統(tǒng)中的頻差信號自動切換到試驗回路，由調(diào)度主站下發(fā)頻率指令，一次調(diào)頻在線監(jiān)測邏輯見圖3。調(diào)度主站系統(tǒng)分別下發(fā)一次調(diào)頻負(fù)荷測試模擬頻率或一次調(diào)頻增/減負(fù)荷測試、一次調(diào)頻特性參數(shù)測試等指令，對風(fēng)電場一次調(diào)頻性能、特性參數(shù)設(shè)置進行遠方測試。測試完成后再通過下發(fā)一次調(diào)頻退出測試指令結(jié)束一次調(diào)頻在線測試，實現(xiàn)遠方對風(fēng)電場一次調(diào)頻性能的評估。

圖3 一次調(diào)頻在線監(jiān)測系統(tǒng)測試邏輯圖

1.3 一次調(diào)頻要求

《江蘇新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)范》要求風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)過程應(yīng)滿足以下條件：

(1)響應(yīng)滯后時間thx(自頻率越過風(fēng)電場調(diào)頻死區(qū)開始，至發(fā)電功率可靠地向頻率方向開始變化所需的時間)不超過 3 s。

(2)響應(yīng)時間t0.9(自頻率越過風(fēng)電場調(diào)頻死區(qū)開始，至一次調(diào)頻控制對象有功功率調(diào)節(jié)量達到調(diào)頻目標(biāo)功率與初始功率之差的90%所需時間)不超過 12 s。

(3)調(diào)節(jié)時間ts(自頻率越過風(fēng)電場調(diào)頻死區(qū)開始，至一次調(diào)頻控制對象有功功率達到穩(wěn)定(功率波動不超過一次調(diào)頻控制對象額定功率的±2%)的最短時間)不超過 15 s。

(4)調(diào)頻控制偏差應(yīng)控制在一次調(diào)頻控制對象額定功率的±2%以內(nèi)。

(5)一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)(0～30 s內(nèi)風(fēng)電場實際動作積分電量與理論動作積分電量的比值)大于0.7。

對于調(diào)節(jié)目標(biāo)變化量不低于6%Pe的頻率階躍擾動，風(fēng)電場一次調(diào)頻頻率階躍擾動過程調(diào)節(jié)示意圖見圖4。

圖4 風(fēng)電場一次調(diào)頻階躍擾動調(diào)節(jié)示意圖

模擬實際電網(wǎng)擾動過程中，一次調(diào)頻響應(yīng)合格率為一次調(diào)頻響應(yīng)功率合格率和一次調(diào)頻響應(yīng)積分電量合格率的代數(shù)平均值，該值不小于70%。其中：一次調(diào)頻響應(yīng)功率合格率是在頻率變化超過一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)開始至一次調(diào)頻響應(yīng)動作時間內(nèi)，風(fēng)電場實際最大功率調(diào)整量占理論最大功率調(diào)整量的比；一次調(diào)頻響應(yīng)積分電量合格率是在頻率變化超過一次頻率響應(yīng)死區(qū)下限(或上限)開始至一次調(diào)頻響應(yīng)動作時間內(nèi)，風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)實際貢獻電量占理論貢獻電量的比。

防擾動試驗過程中，風(fēng)電場應(yīng)能躲過單一短路故障引起的瞬時頻率突變，不發(fā)生頻率響應(yīng)。

自動發(fā)電控制(AGC)協(xié)調(diào)試驗過程中，風(fēng)電場一次調(diào)頻控制目標(biāo)應(yīng)為一次調(diào)頻控制對象有功功率初始值與一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)節(jié)量的代數(shù)和。風(fēng)電場一次調(diào)頻功率指令應(yīng)與AGC功率指令相協(xié)調(diào)，滿足正向疊加、反向閉鎖的要求。

2 改造方案

蘇省某海上風(fēng)電場裝機容量為202.5 MW，安裝45臺單機容量為4.5 MW的雙饋型風(fēng)電機組。每臺風(fēng)電機組均通過1臺0.69 kV/35 kV升壓變壓器接入風(fēng)電場內(nèi)35 kV線路，由16條35 kV線路連接至風(fēng)電場，經(jīng)額定功率為240 MV·A的主變壓器升壓并入220 kV電網(wǎng)(35 kV/220 kV)。

根據(jù)站內(nèi)設(shè)備組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，該風(fēng)電場一次調(diào)頻改造方案采用新增一次調(diào)頻裝置與現(xiàn)有AGC系統(tǒng)進行并聯(lián)的方式實現(xiàn)一次調(diào)頻有功功率控制，由風(fēng)機能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)一次調(diào)頻功率指令與AGC功率指令，風(fēng)電場一次調(diào)頻改造方案見圖5。

圖5 改造方案示意圖

一次調(diào)頻裝置(包含一次調(diào)頻在線監(jiān)測、一次調(diào)頻錄波文件召喚等功能)直接高精度采集并網(wǎng)點電壓互感器、電流互感器信號計算電網(wǎng)實時頻率。一次調(diào)頻裝置將實時采集計算的電網(wǎng)頻率和一次調(diào)頻在線監(jiān)測測試頻率發(fā)送至風(fēng)機能量管理系統(tǒng)，風(fēng)機能量管理系統(tǒng)根據(jù)頻率死區(qū)和調(diào)差率等參數(shù)計算一次調(diào)頻指令并協(xié)調(diào)AGC功率指令，進行風(fēng)電場總負(fù)荷調(diào)節(jié)。

通過優(yōu)化風(fēng)機能量管理系統(tǒng)有功指令分配策略等方式，使其下屬所控風(fēng)電機組能夠根據(jù)負(fù)荷指令變化快速調(diào)節(jié)有功功率輸出，從而滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)能力。

一次調(diào)頻裝置對上與RTU、PMU通信，對下與風(fēng)機能量管理系統(tǒng)通信，場站相關(guān)數(shù)據(jù)由AGC裝置從風(fēng)機能量管理系統(tǒng)采集后上送至調(diào)度主站，相關(guān)信息流為：

(1)RTU通過IEC104規(guī)約將一次調(diào)頻有功功率備用請求投入/退出測試、一次調(diào)頻投入/退出測試、一次調(diào)頻增/減負(fù)荷測試、一次調(diào)頻特性參數(shù)測試、一次調(diào)頻負(fù)荷測試模擬頻率信號發(fā)送給一次調(diào)頻裝置。

(2)一次調(diào)頻裝置通過IEC104規(guī)約將一次調(diào)頻模擬頻率、一次調(diào)頻模擬負(fù)荷指令、一次調(diào)頻負(fù)荷測試模擬頻率返回值、一次調(diào)頻控制對象額定功率、一次調(diào)頻控制對象有功功率、一次調(diào)頻投入/退出指令、一次調(diào)頻投入允許指令、一次調(diào)頻增/減負(fù)荷測試中、一次調(diào)頻特性參數(shù)測試中、一次調(diào)頻動作/復(fù)位指令、一次調(diào)頻有功備用請求投入/退出指令發(fā)送給RTU。

(3)AGC系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約與RTU通信進行AGC調(diào)節(jié)指令及反饋指令信息交互。

(4)風(fēng)機能量管理系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約將風(fēng)電機組運行信息發(fā)送給AGC系統(tǒng)。

(5)AGC系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約將負(fù)荷調(diào)節(jié)指令發(fā)送給風(fēng)機能管理系統(tǒng)。

(6)一次調(diào)頻裝置通過IEC104規(guī)約將負(fù)荷調(diào)節(jié)指令、一次調(diào)頻動作信號發(fā)送給風(fēng)機能量管理系統(tǒng)。

(7)風(fēng)機能量管理系統(tǒng)通過Modbus通信協(xié)議將負(fù)荷指令發(fā)送給風(fēng)電機組。

(8)一次調(diào)頻裝置通過GB/T 26865.2—2011 《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 第2部分：數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》將一次調(diào)頻模擬頻率、一次調(diào)頻模擬負(fù)荷指令、一次調(diào)頻控制對象有功功率、一次調(diào)頻控制對象發(fā)電機組有功功率4個動態(tài)信息發(fā)送給PMU，由PMU上傳至調(diào)度主站。

3 現(xiàn)場試驗分析

為真實可靠地了解風(fēng)電場一次調(diào)頻功能狀況，現(xiàn)場進行一次調(diào)頻性能試驗，試驗內(nèi)容主要包括一次調(diào)頻本地試驗和一次調(diào)頻在線監(jiān)測試驗。試驗時，風(fēng)電機組處于正常運行狀態(tài)，主要參數(shù)無報警或異常，處于故障停機的風(fēng)電機組額定功率占風(fēng)電場總額定功率比例不超過10%。一次調(diào)頻本地試驗示意圖見圖6。

圖6 一次調(diào)頻本地試驗示意圖

3.1 一次調(diào)頻本地試驗

一次調(diào)頻本地試驗包括頻率階躍擾動試驗、模擬實際電網(wǎng)頻率擾動試驗、防擾動試驗、AGC協(xié)調(diào)試驗。其中，頻率階躍擾動試驗與模擬實際電網(wǎng)頻率擾動試驗在低負(fù)荷(0.2Pe≤P≤0.35Pe)和高負(fù)荷(0.5Pe≤P≤0.9Pe)2個負(fù)荷工況下開展，防擾動試驗在低負(fù)荷工況下開展，AGC協(xié)調(diào)試驗在高負(fù)荷工況下開展。

3.1.1 頻率階躍擾動試驗

選取低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況頻率階躍上擾(+0.25 Hz)與頻率階躍下擾(-0.25 Hz)試驗，以及高負(fù)荷不預(yù)留備用功率工況頻率階躍上擾(+0.25 Hz)試驗的試驗結(jié)果，見圖7～圖9。

圖7 低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況頻率階躍上擾試驗曲線

圖8 低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況頻率階躍下擾試驗曲線

圖9 高負(fù)荷不預(yù)留備用功率工況頻率階躍上擾試驗曲線

由圖7～圖9可知：該風(fēng)電場頻率階躍擾動超過死區(qū)時，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間在2 s內(nèi)，響應(yīng)時間小于5 s，并在15 s內(nèi)達到穩(wěn)定，計算30 s內(nèi)的一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)均高于0.7，滿足風(fēng)電場對階躍擾動的相應(yīng)要求。

3.1.2 模擬實際電網(wǎng)功率擾動試驗

選取低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況模擬實際電網(wǎng)頻率上擾與高負(fù)荷預(yù)留備用功率工況模擬實際電網(wǎng)下擾試驗的試驗結(jié)果，見圖10、圖11、表1。

圖10 低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況頻率上擾試驗曲線

圖11 高負(fù)荷預(yù)留備用功率工況頻率下擾試驗曲線

表1 模擬實際電網(wǎng)頻率擾動試驗結(jié)果

由圖10、圖11及表1可知：該風(fēng)電場模擬實際電網(wǎng)擾動過程中一次調(diào)頻響應(yīng)功率合格率與一次調(diào)頻響應(yīng)積分電量合格率均大于70%，滿足江蘇省電網(wǎng)調(diào)頻要求。

3.1.3 防擾動試驗

在低負(fù)荷預(yù)留備用功率工況下開展風(fēng)電場一次調(diào)頻防擾動試驗，利用信號發(fā)生源模擬電網(wǎng)的高低電壓穿越等暫態(tài)過程，檢驗風(fēng)電場一次調(diào)頻是否避開瞬時頻率突變。低電壓穿越時，電壓瞬間跌落到0%、20%、40%、60%、80%額定電壓，持續(xù)150 ms；高電壓穿越時，電壓瞬間階躍到115%、120%、125%、130%額定電壓，持續(xù)500 ms。防擾動試驗結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 電壓下擾試驗曲線

圖13 電壓上擾試驗曲線

由圖12、圖13可以看出：在模擬電網(wǎng)電壓瞬間變化暫態(tài)過程中，并網(wǎng)點功率正常，未出現(xiàn)誤動作，風(fēng)電場一次調(diào)頻功能良好。

3.1.4 AGC協(xié)調(diào)試驗

在風(fēng)電場預(yù)留備用功率條件下，選取高負(fù)荷工況開展AGC協(xié)調(diào)試驗。風(fēng)電場并網(wǎng)點總功率應(yīng)為AGC功率指令與一次調(diào)頻功率指令的代數(shù)和(正向疊加、反向閉鎖)，即一次調(diào)頻優(yōu)先執(zhí)行且能夠閉鎖AGC方向調(diào)節(jié)指令。AGC協(xié)調(diào)試驗結(jié)果見圖14。

圖14 總有功功率響應(yīng)曲線圖

由圖14可以看出：一次調(diào)頻動作過程中可以閉鎖AGC反向調(diào)節(jié)指令；AGC動作過程中一次調(diào)頻優(yōu)先執(zhí)行。風(fēng)機能量管理系統(tǒng)能夠正確協(xié)調(diào)一次調(diào)頻功率指令與AGC功率指令，滿足江蘇省電網(wǎng)一次調(diào)頻要求。

3.2 一次調(diào)頻在線監(jiān)測試驗

一次調(diào)頻在線監(jiān)測試驗包括一次調(diào)頻特性參數(shù)遠方測試、一次調(diào)頻性能遠方測試。

風(fēng)電場一次調(diào)頻特性參數(shù)遠方測試指令由調(diào)度主站系統(tǒng)下發(fā)，一次調(diào)頻控制系統(tǒng)中的模擬頻率信號以0.005 Hz/s的速率從49.7 Hz變化到50.3 Hz，一次調(diào)頻模擬頻率和一次調(diào)頻功率指令信號通過RTU和PMU發(fā)送至調(diào)度主站系統(tǒng)，實時計算兩者的函數(shù)關(guān)系，得到一次調(diào)頻死區(qū)頻率、一次調(diào)頻限幅、一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率等參數(shù)。一次調(diào)頻特性參數(shù)試驗曲線圖見圖15，試驗結(jié)果顯示該風(fēng)電場一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置正確。

圖15 一次調(diào)頻特性參數(shù)遠方試驗曲線圖

風(fēng)電場一次調(diào)頻性能遠方測試時，風(fēng)電場AGC系統(tǒng)處于自由發(fā)電模式并在該條件下進行一次調(diào)頻減負(fù)荷測試，之后調(diào)度遠方投入有功功率備用并在該條件下進行一次調(diào)頻增負(fù)荷測試，試驗結(jié)果見圖16、圖17，調(diào)度主站分別計算2次試驗的30 s一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)為0.90、0.86，滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場的一次調(diào)頻性能要求，風(fēng)電場參與一次調(diào)頻過程中機組安全穩(wěn)定運行。

圖16 頻率上擾試驗曲線圖

圖17 頻率下擾試驗曲線圖

4 結(jié)語

以江蘇省某海上風(fēng)電場為對象進行一次調(diào)頻改造并詳細(xì)介紹設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信情況，實現(xiàn)了風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)功能與一次調(diào)頻在線監(jiān)測功能。之后，對該風(fēng)電場進行了一次調(diào)頻性能試驗，試驗結(jié)果表明：

(1)風(fēng)電場通過一次調(diào)頻改造后能夠根據(jù)并網(wǎng)點頻率變化快速響應(yīng)并滿足江蘇省電網(wǎng)對風(fēng)電場一次調(diào)頻性能的要求。

(2)風(fēng)電場一次調(diào)頻在線監(jiān)測功能完備，可以通過調(diào)度主站進行風(fēng)電場一次調(diào)頻遠方測試，能夠?qū)崟r評估風(fēng)電場一次調(diào)頻裕量。

(3)風(fēng)電場通過有功功率備用功能預(yù)留部分功率滿足了電網(wǎng)低頻增負(fù)荷要求。

風(fēng)電場一次調(diào)頻改造的應(yīng)用使得風(fēng)電場能夠參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，將有效減輕常規(guī)電源(火電、水電等)發(fā)電的調(diào)頻壓力，增強網(wǎng)源協(xié)調(diào)水平，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。