新能源高占比電網(wǎng)近區(qū)直流閉鎖后風電機組快速頻率響應(yīng)研究

摘""要：近年來，國內(nèi)新能源快速增長，常規(guī)水火電機組轉(zhuǎn)動慣量比重降低，除日漸凸顯的消納問題外，電網(wǎng)面臨的調(diào)頻壓力倍增。提升新能源機組快速頻率響應(yīng)能力，對于解決新能源高占比電網(wǎng)調(diào)頻問題至關(guān)重要。結(jié)合電網(wǎng)生產(chǎn)運行實際情況，對新能源高占比電網(wǎng)風電機組快速頻率響應(yīng)開展研究。首先，研究了風電、光伏等新能源發(fā)展形勢。其次，分析了風電機組快速頻率響應(yīng)能力測試。最后，使用西北區(qū)域外送直流閉鎖后風電機組隨頻率變化的數(shù)據(jù)，說明風電機組快速頻率響應(yīng)情況。

關(guān)鍵詞：新能源高占比""一次調(diào)頻""直流閉鎖""風電機組""快速頻率響應(yīng)

中圖分類號：TG142

Research"on"Fast-Frequency"Response"of"Wind"Turbines"After"DC"Blocking"In"The"Near"Area"of"High"Proportion"New"Energy"Power"Grid

LI"Mengze""LInbsp;Bingsheng""YANG"Hongzhi

International"Education"Institute，"North"China"Electric"Power"University，"Beijing，"102200"China

Abstract："In"recent"years，"with"the"rapid"growth"of"domestic"new"energy，"the"proportion"of"rotational"of"inertia"of"conventional"hydrothermal"power"units"has"decreased，"and"in"addition"to"the"increasingly"prominent"consumption"problem，"the"frequency"modulation"pressure"faced"by"the"power"grid"has"doubled."Improving"the"fast-frequency"response"ability"of"new"energy"units"is"crucial"for"solving"the"problem"of"frequency"regulation"of"power"grids"with"a"high"proportion"of"new"energy."Combined"with"the"actual"situation"of"power"grid"production"and"operation，"this"paper"studies"the"fast-frequency"response"of"wind"turbines"in"the"grid"with"a"high"proportion"of"new"energy."First"of"all，"the"development"situation"of"new"energy"sources"such"as"wind"power"and"photovoltaic"power"was"studied."Secondly，"the"fast-frequency"response"test"of"wind"turbines"was"analyzed."Finally，"the"data"of"the"frequency"change"of"wind"turbines"after"DC"locking"in"the"northwest"region"are"used"to"illustrate"the"fast-frequency"response"of"wind"turbines.

Key"Words："High"proportion"of"new"energy;"Primary"frequency"modulation;"DC"blocking;"Wind"turbines;"Fast-frequency"response

隨著新能源機組大量并網(wǎng)，大直流遠距離大規(guī)模輸電不斷增長，送受端常規(guī)水火電機組被大量替代，新能源發(fā)電的隨機性和不確定性使電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻問題日漸凸顯，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力嚴重下降，尤其是調(diào)頻壓力劇增[]。本文結(jié)合電網(wǎng)生產(chǎn)運行實際情況，對新能源高占比電網(wǎng)風電機組快速頻率響應(yīng)開展研究。首先，研究了新能源發(fā)展形勢及對電網(wǎng)的影響。其次，分析了風電機組快速頻率響應(yīng)能力測試。最后，使用西北區(qū)域外送直流閉鎖后風電機組隨頻率變化的數(shù)據(jù)，說明風電機組快速頻率響應(yīng)情況。

1"""新能源快速發(fā)展給帶來電網(wǎng)的影響

“十三五”以來，國內(nèi)新能源裝機持續(xù)快速增長，在電網(wǎng)中占比日益提升，目前已進入大規(guī)模發(fā)展階段。截至2023年底，全國新能源發(fā)電裝機容量10.5億"kW，占總發(fā)電裝機容量29.2億"kW的35.96%，其中太陽能裝機容量6.1億"kW、風電裝機容量4.4億"kW，均居世界第一。

我國西北區(qū)域某省級電網(wǎng)總裝機5"600萬"kW，其中新能源裝機達3"800萬"kW，常規(guī)電源裝機僅1"700萬"kW，新能源裝機占比高達68%。根據(jù)2024年3月以來連續(xù)3個月數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當日新能源出力超過省內(nèi)全社會用電負荷的天數(shù)為62"d，新能源出力超過省內(nèi)全社會用電負荷最早時間為09：12。

新能源的規(guī)模化接入對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響極大，主要體現(xiàn)在等效轉(zhuǎn)動慣量小，影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，無功電壓調(diào)節(jié)能力有限，有功調(diào)節(jié)支撐弱，快速頻率響應(yīng)能力不足[]。不同于常規(guī)火電機組，目前風機控制系統(tǒng)功能缺乏響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的一次調(diào)頻控制[]，

2"""風電機組快速頻率響應(yīng)入網(wǎng)要求分析

新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)帶來的影響引起廣泛關(guān)注[]，國內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)開始研究促進新能源參與電網(wǎng)快速頻率響應(yīng)[]。2018年以來，西北電網(wǎng)率先開展新能源場站快速頻率響應(yīng)推廣，取得不錯效果。下面圍繞風電機組快速頻率響應(yīng)對維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要影響展開說明。

風電場完成快速頻率響應(yīng)功能改造后，在場站并網(wǎng)點通過現(xiàn)場試驗驗證是否具備快速頻率響應(yīng)功能，入網(wǎng)測試主要包括：頻率階躍擾動試驗、模擬實際電網(wǎng)頻率擾動試驗。現(xiàn)場試驗采用頻率信號發(fā)生裝置模擬場站并網(wǎng)點PT的二次側(cè)信號，給出頻率試驗信號，并發(fā)送給新能源場站調(diào)頻控制系統(tǒng)測頻單元，測試接線如圖1所示。

風電場快速頻率響應(yīng)控制系統(tǒng)的測量單元應(yīng)支持信號發(fā)生裝置的信號接入。在接入頻率信號發(fā)生裝置的模擬信號（三相四線）前，場站業(yè)主需采用電氣隔離的方式斷開原有的并網(wǎng)側(cè)PT信號與快速頻率響應(yīng)控制系統(tǒng)的電氣連接。在開展入網(wǎng)測試內(nèi)容試驗時，應(yīng)退出風電場的AGC，通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證新能源場站的快速頻率響應(yīng)特性是否滿足改造要求。

1.1""試驗參數(shù)設(shè)置

風電場利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)、單機或加裝獨立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制，使其在并網(wǎng)點具備參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力。快速頻率響應(yīng)有功-頻率下垂特性通過設(shè)定頻率與有功功率折線函數(shù)實現(xiàn)，即：

（1）

式中：f為風電場測量點最大擾動頻率，單位為Hz；fd為快速頻率響應(yīng)死區(qū)，單位為Hz；fn為系統(tǒng)額定頻率，50Hz;"Pn為風電場額定功率，單位為MW；δ%為風電場快速頻率響應(yīng)調(diào)差率；P0為新能源場站有功功率初值，單位為MW。

GB/T40595—2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗導(dǎo)則》規(guī)定風電場快速頻率響應(yīng)死區(qū)應(yīng)設(shè)置在±0.03"～±0.1"Hz范圍內(nèi)，當系統(tǒng)頻率低于額定頻率時快速頻率響應(yīng)限幅應(yīng)不小于6%運行功率，當系統(tǒng)頻率高于額定頻率時快速頻率響應(yīng)限幅應(yīng)不小于10%運行功率，風電場快速頻率響應(yīng)調(diào)頻差應(yīng)為2%～10%。

1.2""頻率階躍擾動試驗

頻率階躍擾動試驗內(nèi)容包括階躍上擾和階躍下擾：階躍上擾是將試驗頻率從50"Hz階躍上升至50.2"Hz，持續(xù)20"s恢復(fù)至50"Hz；階躍下擾是將試驗頻率從50"Hz階躍下降至49.8"Hz，持續(xù)20"s恢復(fù)至50"Hz。頻率階躍擾動試驗就是測試風電場在頻率階躍擾動情況下的響應(yīng)特性，試驗期間風電場應(yīng)保持穩(wěn)定運行，采集的測試數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋頻率階躍波動范圍。

圖2為試驗頻率階躍至50.2"Hz，A風電場有功功率響應(yīng)波形圖。可見試驗頻率上升后，A風電場有功功率從90"MW逐步下降至55"MW，響應(yīng)效果顯著；試驗頻率恢復(fù)正常后，有功功率又逐步上升至90"MW。

1.3""模擬實際頻率擾動試驗

實際電網(wǎng)發(fā)生擾動時，全網(wǎng)所有電源機組都參與一次調(diào)頻，頻率波動更為復(fù)雜。模擬實際頻率擾動試驗主要測試風電場在模擬電網(wǎng)實際頻率擾動情況下的響應(yīng)特性，隨機觸發(fā)試驗擾動頻率后，采集該測試工況下60"s內(nèi)風電場有功功率響應(yīng)情況，計算出力響應(yīng)合格率和積分電量合格率[6-7]。

出力響應(yīng)合格率：在頻率變化超過快速頻率響應(yīng)死區(qū)下限（或上限）開始至快速頻率響應(yīng)應(yīng)動作時間內(nèi)（如果時間超過60"s，則按60"s計算），風電場實際最大出力調(diào)整量占理論最大出力調(diào)整量的百分比。積分電量合格率：在頻率變化超過快速頻率響應(yīng)死區(qū)下限（或上限）開始至快速頻率響應(yīng)動作時間內(nèi)（如果時間超過60"s，則按60"s計算），風電場快速頻率響應(yīng)實際貢獻電量占理論貢獻電量的百分比。

3""近區(qū)直流閉鎖后風電機組快速頻率響應(yīng)分析

2022年某日15：43：25，某西北外送直流極Ⅱ閉鎖，損失功率232萬"kW，西北主網(wǎng)頻率最高升至50.109"9"Hz，超過西北電網(wǎng)規(guī)定的風電場快速頻率響應(yīng)死區(qū)±0.1"Hz，A風電場測量點頻率最高達50.115"Hz，風電機組快速頻率響應(yīng)，有功功率變化如圖3所示，可以看出，頻率超過風電場響應(yīng)死區(qū)上限后，風電場有功持續(xù)下降，下面使用A風電場快速頻率響應(yīng)裝置記錄的ms級錄波數(shù)據(jù)進行具體分析。

根據(jù)式（1）分別計算出力響應(yīng)合格率和積分電量合格率。其中理論最大出力調(diào)整量計算公式

式中：A風電場額定功率Pn348.5"MW，測量點最大上擾功率f50.115nbsp;Hz，上擾死區(qū)頻率f50.1"Hz，額定頻率f50"Hz，調(diào)差率δ%2%。可得理論最大出力調(diào)整量為

直流閉鎖后頻率變化超過響應(yīng)死區(qū)上限50.1"Hz后，A風電場實際有功功率從63.11"MW下降至55.61"MW，最大出力調(diào)整量為-7.4"MW，出力響應(yīng)合格率

理論貢獻電量為式（2）計算得到出力調(diào)整量的積分電量1.9599"kW時，實際貢獻電量為圖7所有點位一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量出力的積分電量2.2061"kW時，積分電量合格率

可見響應(yīng)合格率和積分電量合格率均超過100%，A風電場快速頻率響應(yīng)效果較好。

4"""結(jié)論

本文通過西北區(qū)域某省風電場快速頻率響應(yīng)測試及近區(qū)直流閉鎖后有功數(shù)據(jù)變化分析，計算得出了風電機組快速頻率響應(yīng)大于大電網(wǎng)的頻率，具有積極意義。

主要結(jié)論如下：風電機組快速頻率響應(yīng)試驗和實測數(shù)據(jù)分析表明，風電機組快速頻率響應(yīng)指標均滿足相關(guān)標準要求，驗證了風電機組在電網(wǎng)大擾動后快速頻率響應(yīng)的可行性與有效性，對大規(guī)模風電慣量及一次調(diào)頻改造具有指導(dǎo)和借鑒意義。

后續(xù)將基于試驗數(shù)據(jù)對風電場慣量及一次調(diào)頻仿真模型進行模型校驗與參數(shù)辨識，進一步針對特定電網(wǎng)條件開展系統(tǒng)頻率穩(wěn)定仿真分析，總結(jié)與提煉不同電網(wǎng)條件下風電參與系統(tǒng)慣量及一次調(diào)頻的參數(shù)整定原則。

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