多機型風力機機組實現(xiàn)一次調頻功能

華能新能源陜西分公司 杜永華 靳文冕

通過現(xiàn)場試驗檢驗風機是否具備快速頻率響應能力，完成與常規(guī)水、火電機組快速頻率響應性能對比，實測分析風電場快速頻率響應性能，研究相關調節(jié)參數(shù)對快速頻率響應的影響。新能源場站總裝機容量為300MW，分別為一、二、三、四期，其中一期項目50MW，安裝25臺明陽MY2.0-110/85(S)型風力發(fā)電機組；二期項目50MW，安裝25臺海裝H111L-2.0型風力發(fā)電機組；三期項目100MW，安裝50臺海裝H111L-2.0型風力發(fā)電機組；四期項目100MW，安裝50臺北車CWT2000-D110型風力發(fā)電機組。

1 電站基本情況

1.1 第一次開展一次調頻試驗

1.1.1 第一次快速頻率響應改造方案

通過改造南瑞SCS-500穩(wěn)控裝置功能，監(jiān)測主變（出線）頻率，若頻率偏移工頻超過定值范圍，通過調整執(zhí)行站集控系統(tǒng)有功計劃實現(xiàn)一次調頻功能。通過給定有功-頻率特性曲線函數(shù)，實現(xiàn)新能源場站快速頻率響應功能，即：P=P0-PN×(f-fd)/fN×1/δ%，其中：fd為快速頻率響應動作門檻；PN為額定功率；δ%為調差率；P0為功率初值。

1.1.2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

新能源場站總共安裝了150臺單機2.0MW的風力發(fā)電機組，分別為明陽25臺、海裝75臺、北車50臺。風電場總的功率控制由一套南瑞的AGC進行控制，每個廠家的風機由各廠家的能量管理平臺控制，正常的功率調節(jié)為：風電場AGC收到調度負荷調節(jié)指令后，根據(jù)3個廠家的機組數(shù)量和當前風速情況將負荷分別分配給各能量管理平臺，3個廠家的能量管理平臺收到AGC調節(jié)指令、再將具體每臺機組功率給定值分配至各機組，由各機組根據(jù)負荷給定值調整機組槳距角和機組轉速進行負荷調節(jié)。正常情況下風電場AGC只接收調度負荷增減指令，不根據(jù)系統(tǒng)頻率調整負荷，不具備根據(jù)頻率調節(jié)負荷的能力。

本次新能源場站頻率快速調節(jié)試點工作主要是在風電場AGC控制端進行改造，將系統(tǒng)頻率引入AGC作為控制量，當系統(tǒng)頻率超過頻率死區(qū)門檻值后根據(jù)下式計算新的功率給定值，并將新的功率給定值重新分配至3個能量管理平臺，由能量管理平臺控制機組實現(xiàn)風場的負荷調節(jié)：PAGC=PAGCO+(50-f±DB)/50/ep×PE，式中：PAGC為頻率超過死區(qū)后AGC目標值；PAGC0為初始AGC給定值；f為系統(tǒng)頻率；DB為頻率死區(qū)；ep為調差率；PE為風場額定出力。

1.1.3 存在問題

中車AGC系統(tǒng)頻率來源于遠動裝置測量值，數(shù)據(jù)的測量刷新速度較慢，實時性較差，不能滿足快速頻率響應要求；明陽風機存在控制周期較長（經過優(yōu)化后為3s）、機組接受調節(jié)指令時間（0～3s）不等，造成部分工況滯后時間較長，此外明陽風機超調現(xiàn)象嚴重；海裝風機存在超調現(xiàn)象。

1.2 第二次一次調頻試驗

根據(jù)上次試驗中所存在的問題，進行了如下整改[1]：第一次調頻測試時調整了主控程序功率變化速率，由25kW/s調整為100kW/s；調整了ems采集數(shù)據(jù)和下發(fā)指令的頻率，由1s調整為300ms；增加了快速頻率動作前10s至動作結束后5s啟動記錄數(shù)據(jù)功能；本次實驗相比上次增加測頻裝置，由該裝置越過AGC直接與能量管理平臺通訊。由測頻裝置向能量管理平臺發(fā)出頻率信號。由能量管理平臺計算快速頻率響應目標值，并下發(fā)給機組進行功率調整。對一次調頻測頻模塊的要求如下：并網點PT信號接入頻率測量裝置；將頻率測量裝置的信號通過網線接入各能量管理平臺；測試期間不接PT，接調速器輸出的頻率信號。

1.2.1 試驗方法

頻率階躍擾動試驗。實測風電場、風電機組頻率階躍擾動下快速頻率響應性能。試驗條件：風電場具備變負荷條件，快速頻率響應參數(shù)已設置完畢，快速頻率響應功能投入；試驗方法：風電場各機組穩(wěn)定運行，改變輸入頻率（AGC控制系統(tǒng)根據(jù)預先設定的頻率信號變化文件，每秒一個點），頻率信號為50.0→50.10→50.00Hz，注意測試記錄在頻率擾動前開始，每次調節(jié)穩(wěn)定后進行下一次擾動試驗；上次擾動試驗已結束，風電場各機組穩(wěn)定運行，改變輸入頻率信號為50.0→50.20→50.00Hz；風電場限負荷運行，限負荷量不低于15%，風電場各機組穩(wěn)定運行后，改變輸入頻率信號為50.0→49.90→50.00Hz；風電場限負荷運行，限負荷量不低于15%，風電場各機組穩(wěn)定運行后，改變輸入頻率信號為50.0→49.80→50.00Hz。

模擬實際頻率擾動試驗。實測風電場、風電機組模擬實際電網頻率擾動下快速頻率響應性能。試驗條件：風電場具備變負荷條件，快速頻率響應參數(shù)已設置完畢，快速頻率響應功能投入；試驗方法：風電場各機組穩(wěn)定運行后，模擬實際電網頻率擾動信號（AGC控制系統(tǒng)根據(jù)預先設定的頻率信號變化文件，每秒一個點），做實際電網頻率擾動試驗，記錄整個擾動過程；待上次擾動試驗結束后分別輸入頻率擾動信號進行試驗；風電場限負荷運行，限負荷量不低于15%，風電場各機組穩(wěn)定運行后，輸入頻率擾動信號進行試驗；如測試效果不理想改變頻率響應死區(qū)值，重復上述試驗。

1.2.2 試驗結論

明陽風機調節(jié)過程不穩(wěn)定，調節(jié)時間和響應時間均不理想，調節(jié)性能相比較差，有待進一步優(yōu)化。

1.3 第三次一次調頻試驗

1.3.1 整改

為滿足風電場快速頻率響應的有關要求，新能源場站對風電場內的機組控制策略和能量管理平臺進行了升級改造并新增了測頻裝置：調整了機組主控程序功率變化速率，由25kW/s調整為100kW/s；調整了風電場內能量管理平臺的采集數(shù)據(jù)和下發(fā)指令的時間間隔，由1s調整為300ms；增加了快速頻率動作前10s至動作結束后5s的數(shù)據(jù)保存記錄功能；新增加專用測頻裝置，測頻裝置直接與能量管理平臺通訊。由測頻裝置向能量管理平臺發(fā)出頻率信號。由能量管理平臺計算快速頻率響應目標值，并下發(fā)給機組進行功率調整。風電場并網點的PT信號直接接入頻率測量裝置，模擬測試期間測頻裝置接調速器輸出的頻率信號。

1.3.2 試驗方法

速頻率響應結構：新能源場站快速頻率響應采用下圖的結構，全場由一套快速頻率響應系統(tǒng)下發(fā)調頻指令和數(shù)據(jù)的記錄、分析。測控系統(tǒng)根據(jù)電網頻率的偏差計算下發(fā)調頻的調節(jié)量、調頻狀態(tài)等指令，各能量管理平臺上送機組AGC給定值、實發(fā)功率等數(shù)據(jù)（具體詳見按通信規(guī)約）。

能量管理平臺要求：快速頻率測控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)頻率計算將下發(fā)三個狀態(tài)量：快速頻率響應投入；快速頻率動作；反向閉鎖AGC調節(jié)（頻差大于0.1Hz），快速頻率調節(jié)量，該值為數(shù)字量。能量管理平臺向測控系統(tǒng)上送限負荷狀態(tài)量，兩個數(shù)字量：AGC給定值、實發(fā)功率值。能量管理平臺需要協(xié)調快速頻率響應與AGC的關系，具體要求如下：

能量管里平臺首先判斷頻快速率響應功能投入、快速頻率動作后，有功功率的控制目標應為AGC指令值與快速頻率響應調節(jié)量代數(shù)和，其中，當風電場在非限負荷工況下時AGC指令按頻率超出死區(qū)時刻的實發(fā)功率計算；當電網頻率超出50±0.1Hz時，風電場快速頻率響應功能應閉鎖AGC反向調節(jié)指令；根據(jù)要求AGC調節(jié)速率與快速頻率響應速率要求不一致，要求能量管理平臺在無快速頻率響應信號時采用正常的AGC調節(jié)速率進行負荷調節(jié)。當收到快速頻率動作時立刻切換到快速頻率響應的模式進行快速調節(jié)負荷。快速頻率動作消失后切回正常AGC調節(jié)參數(shù)，能夠正常的自動調節(jié)。

1.4 第四次全網試驗

四期參數(shù)設置：bp=2%，死區(qū)DB=0.06Hz。對機組開展重復開展頻率階躍擾動試驗、模擬實際頻率擾動試驗得出以下結論：

新能源場站在電網頻率上升的情況下，無論是從響應電網頻率的速度還是積分電量合格率來說，均能很好的滿足電網對新能源場站的要求；在電網頻率下擾的4次實驗里，從數(shù)據(jù)的總體趨勢來看，實際出力并沒有按照理論的走向，考慮風場當時的出力僅有45MW，僅占全場的六分之一左右，因此，初步估計，結果不理想的原因是風電場當時的出力較低，可以考慮改進風機在低風速時調頻策略；在整個調頻過程的180秒里的積分電量達到了105.58%，并且數(shù)據(jù)結果也很好的跟隨了電網頻率的變化，因此數(shù)據(jù)也是滿足電網要求的。在180s的積分電量達到了78.85%，也是滿足電網要求的。結合以上兩點，新能源場站在本次的一次調頻實驗中，調頻效果滿足要求。

2 結語

根據(jù)第三次試驗指標，對于調節(jié)目標變化量為額定出力10%的頻率階躍擾動，滯后時間thx平均約2s，響應時間t0.9平均約為11.2s，積分電量合格率平均約為67.5%；根據(jù)第四次全網試驗曲線，風場基本能夠根據(jù)頻率變化做出相應調節(jié)，180s積分電量合格率多次試驗平均值約為190%，60s積分電量合格率多次試驗平均值約為98%。綜上，多機型新能源場站具備快速頻率響應調節(jié)能力。