新能源電站電網(wǎng)主動頻率支撐技術(shù)研究

何飛躍，遲海龍

（中國水利水電科學(xué)研究院自動化所，北京 100038）

0 引言

大量新能源的并網(wǎng)給傳統(tǒng)電網(wǎng)運行與控制帶來一定的挑戰(zhàn)。伴隨著新能源裝機(jī)容量的逐年增加及其在電網(wǎng)中滲透率的不斷提升，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運行規(guī)劃方式與安穩(wěn)控制策略已經(jīng)難以適應(yīng)高比例新能源滲透下的需求。新能源發(fā)電與傳統(tǒng)的火電不同，其具有顯著的波動性、間歇性，并且其不確定性也會給電網(wǎng)制定發(fā)電計劃帶來一定的困難，造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生。同時，當(dāng)電網(wǎng)沒有足夠的慣量支撐時，新能源的波動性還將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成沖擊，如引起頻率擾動事件可能會嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，甚至引發(fā)電力事故。

大量并網(wǎng)新能源電站對電網(wǎng)穩(wěn)定控制也存在一定的影響。含高比例新能源電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電機(jī)組以最大功率跟蹤模式運行于當(dāng)前環(huán)境下最大功率點處，并且不同于常規(guī)調(diào)頻機(jī)組，其輸出功率與電網(wǎng)頻率解耦，無法在系統(tǒng)頻率擾動時對系統(tǒng)提供快速的有功支撐。另一方面，新能源機(jī)組自身無慣性或慣性較低，當(dāng)大量新能源機(jī)組并網(wǎng)時會使電網(wǎng)面臨系統(tǒng)慣量偏低的風(fēng)險，在面臨有功擾動事件時，電網(wǎng)穩(wěn)定性變差。與此同時，在大規(guī)模新能源并網(wǎng)匯集區(qū)域，風(fēng)速、輻照度等氣象因素的突然變化會引起新能源功率短時間內(nèi)大幅漲落，進(jìn)而引起并網(wǎng)點電壓波動。因此，研究新能源并網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓策略，增強(qiáng)對電網(wǎng)的電壓和頻率支撐能力，也是提高電網(wǎng)對新能源接納能力的關(guān)鍵。

為保證電力系統(tǒng)安全可靠運行，降低新能源接入對頻率、電壓質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外有文獻(xiàn)對新能源的一次調(diào)頻、慣量支撐等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]分別從轉(zhuǎn)子慣性控制、轉(zhuǎn)子超速控制、變槳控制及其組合等方面詳細(xì)分析了風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)及其不足，并分析儲能參與風(fēng)電場調(diào)頻的可行性。文獻(xiàn)[2]在風(fēng)電高滲透率的背景下，介紹了主要的頻率控制要求，討論了風(fēng)機(jī)參與初級頻率控制和提供初級儲備的能力。文獻(xiàn)[3]針對風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運行特點，基于分段調(diào)頻控制的理念，提出了一種風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略。文獻(xiàn)[4]提出一種基于自適應(yīng)下垂控制的風(fēng)光儲微網(wǎng)調(diào)頻控制方法，建立了風(fēng)光儲微網(wǎng)的系統(tǒng)模型，重點闡述了電池儲能單元的三階模型，確定了風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電的動態(tài)出力策略。文獻(xiàn)[5]重點闡述了示范工程風(fēng)電、光伏發(fā)電和儲能的規(guī)模及組成，針對可再生能源并網(wǎng)問題，分析了平滑風(fēng)光功率輸出、跟蹤計劃發(fā)電和參與系統(tǒng)調(diào)頻，以及4種風(fēng)光儲系統(tǒng)聯(lián)合運行控制策略。文獻(xiàn)[6]對近年來實際電網(wǎng)中由于慣量支撐能力不足而引發(fā)的電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)停電事故進(jìn)行了回顧，從慣性的量化評估、慣量支撐能力提升及基于慣量的新能源電網(wǎng)優(yōu)化運行方面對弱慣量支撐電力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及研究路徑進(jìn)行歸納梳理。文獻(xiàn)[7]基于新能源主動支撐的控制策略，分析不同新能源占比下VSC采用不同控制策略的兩區(qū)系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定，同時考慮主動支撐控制不同參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)效果。以上文獻(xiàn)主要對新能源機(jī)組的慣量支撐進(jìn)行了研究，對新能源場站與新能源機(jī)組在慣量支撐作用研究方面相對較少。

本文對風(fēng)電機(jī)組的慣量支撐進(jìn)行了理論分析，提出了虛擬慣量控制加下垂控制的綜合頻率控制策略，并給出了針對風(fēng)電場的綜合頻率控制實施方案。實施方案采用廠站級綜合控制器加設(shè)備級綜合控制器的協(xié)同控制方式，廠站級綜合控制器測量風(fēng)電場并網(wǎng)點的頻率、頻率偏差以及頻率微分信號，完成各風(fēng)電機(jī)組的補償功率的協(xié)調(diào)控制，并下發(fā)至各機(jī)組的設(shè)備級綜合控制器，設(shè)備級綜合控制器實現(xiàn)對單臺風(fēng)機(jī)的補償功率控制。

1 綜合頻率控制

電力系統(tǒng)的慣量反映了系統(tǒng)阻止頻率突變的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，系統(tǒng)產(chǎn)生功率不平衡，慣量可以讓感應(yīng)發(fā)電機(jī)有充足的時間來調(diào)節(jié)功率，阻止頻率的突變，重新建立起頻率的平衡。在常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組中，若電網(wǎng)負(fù)荷增加，則電網(wǎng)頻率降低，同步發(fā)電機(jī)組減速，釋放轉(zhuǎn)子中所儲存的動能，從而改善電網(wǎng)頻率的波動問題。同樣若電網(wǎng)負(fù)荷降低，則電網(wǎng)頻率升高，機(jī)組通過增速，儲存動能，從而減小電網(wǎng)頻率的升高。這即為常規(guī)同步機(jī)組的慣量響應(yīng)。但變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在傳統(tǒng)功率跟蹤控制時，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過電力電子設(shè)備并網(wǎng)，這使得有功功率與電網(wǎng)頻率解耦，對有功的變化無法做出反饋。如果電網(wǎng)頻率突然增大或者減小時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能及時響應(yīng)該頻率的變化，故而不能在有擾動的情況下對其提供慣量支撐。如果使與電網(wǎng)頻率無法直接耦合的風(fēng)機(jī)含有慣性，那么就需要在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制器中引入相關(guān)的一些頻率信號來控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)這些信號實時做出相應(yīng)改變，就能應(yīng)對頻率上出現(xiàn)的突變問題，實現(xiàn)對電網(wǎng)的主動頻率支撐。

在任何轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω下，風(fēng)機(jī)具有的旋轉(zhuǎn)動能Ek表示為：式中，J為機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2），是發(fā)電機(jī)和原動機(jī)的總轉(zhuǎn)動慣量。

如果ω變化，釋放的功率為：

慣性響應(yīng)時間常數(shù)H定義為額定轉(zhuǎn)速ωs的動能除以視在功率S，即

慣性響應(yīng)時間常數(shù)H可以通過參數(shù)辨識的方法獲得[8]。

用標(biāo)幺值表示有：

由于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω與額定轉(zhuǎn)速ωs偏差很小（即=1)，所以上式等效為

虛擬慣量控制是一個暫態(tài)過程，該補償功率與頻率變化率成正比，主要用于阻尼頻率的快速變化，因此只能在頻率突變的暫態(tài)變化過程提供短暫頻率支撐。在頻率跌落至最低點或升高到最高點后停止作用。為了保證系統(tǒng)頻率達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，使風(fēng)電機(jī)組持續(xù)補償額外有功功率，可以采用類似同步發(fā)電機(jī)的頻率下垂控制的DFIG一次調(diào)頻策略，如式（7）：

式（7）中，Kp定義為風(fēng)電機(jī)組有功調(diào)頻系數(shù)，是指在系統(tǒng)頻率波動時，風(fēng)電機(jī)組有功功率變化量標(biāo)幺值與系統(tǒng)頻率變化量標(biāo)幺值的比值，式中，ΔP為風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率的變化量(kW)；PN為風(fēng)電機(jī)組的額定功率 (kW)；Δf為系統(tǒng)頻率的變化量（Hz)；fN為系統(tǒng)額定頻率(Hz)。所以綜合慣量控制的最終補償功率為：

2 實施方案

實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組綜合頻率控制，可以通過新能源裝備制造企業(yè)在所生產(chǎn)裝備中增加調(diào)頻模塊，實現(xiàn)快速調(diào)頻。這種方式需要捆綁其裝備，在新開發(fā)的新能源場站有較好的推廣前景。但一方面，我國新能源大規(guī)模開發(fā)已超過10年，大量新能源機(jī)組進(jìn)入運維和出質(zhì)保期，上述方案在應(yīng)用于早期新能源裝備時成本過高，難以推廣；另一方面，目前新能源裝備制造企業(yè)的相關(guān)技術(shù)僅針對單機(jī)進(jìn)行改造，并不具備多機(jī)快速協(xié)同控制功能。因此，可以采用圖1所示的廠站級綜合控制器加設(shè)備級綜合控制器的方案。

圖1 風(fēng)電場綜合頻率控制

其中，廠站級綜合控制器采用高精度、高采樣頻率測量技術(shù)，實現(xiàn)對新能源廠站并網(wǎng)點的頻率、功率的測量。從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率波動時，對頻差和頻率微分的高精度測量，并依據(jù)綜合虛擬慣量控制機(jī)制，在計級場站各機(jī)組的狀態(tài)、機(jī)頭風(fēng)速、機(jī)組理論發(fā)電能力的基礎(chǔ)上，對全站各個機(jī)組所在的設(shè)備級綜合控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)，綜合頻率控制最終由設(shè)備級綜合控制器實現(xiàn)對單臺風(fēng)電機(jī)組的控制。

3 結(jié)語

本文在風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量和頻率下垂控制的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)電機(jī)組綜合頻率控制模型及實施方案。在頻率擾動初期頻率偏差往往較小，僅靠下垂控制無法提供較大的有功支撐，不能充分發(fā)揮其調(diào)頻能力。因此，需要與動態(tài)慣量控制相配合，共同響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。如果僅采用風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制，控制效果存在二次頻率跌落的風(fēng)險。另外，在綜合頻率控制的基礎(chǔ)上，還可以考慮增加儲能設(shè)備，不僅可以平抑頻率波動，還可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免頻率的二次跌落。