海上風(fēng)電一次調(diào)頻功能改造

林檀

（福建省福能海峽發(fā)電有限公司 福建福州 350000）

0 引言

為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，近年來福建省新能源發(fā)電占比不斷增加。目前福建省所處的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展階段以及作為華東地區(qū)重要的能源輸出省份，對(duì)能源的需求依然強(qiáng)勁。面對(duì)省內(nèi)少煤缺油、礦物能源資源匱乏，石油、燃?xì)饧盎痣娙济航^大部分依賴省外采購(gòu)和進(jìn)口的特點(diǎn)，大力發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)勢(shì)在必行。福建省海域面積有13.6 萬km2，海岸線總長(zhǎng)6 128 km，受臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”影響，海上風(fēng)能資源極為豐富，這使得臺(tái)灣海峽成為1 個(gè)理想的風(fēng)能發(fā)電區(qū)域。開發(fā)利用省內(nèi)豐富的風(fēng)能資源，對(duì)于降低全省的煤炭消耗、緩解環(huán)境污染、改善電源結(jié)構(gòu)等具有非常積極的意義，是福建省能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

1 福建省電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于風(fēng)光等新能源的全額消納、核電只帶基荷運(yùn)行、徑流小水電無調(diào)節(jié)能力、用電峰谷差持續(xù)增大等客觀因素影響，福建省調(diào)峰調(diào)頻面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。截至2021年底，福建省發(fā)電裝機(jī)容量6 983.3 萬kW，其中火電3 596.2 萬kW（含氣電385.8 萬kW）、水電1 385.8 萬kW（含抽蓄180 萬kW）、核電986.2 萬kW、風(fēng)電735 萬kW、光伏277 萬kW、儲(chǔ)能3.1 萬kW。火電、水電、核電、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能占全省電源比例分別達(dá)到51.5%、19.8%、14.1%、10.5%、4.0%和0.044%，風(fēng)光等新能源占比持續(xù)增加。

2 風(fēng)電并網(wǎng)的頻率問題

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式

以福建省長(zhǎng)樂區(qū)某220 kV 海上風(fēng)電場(chǎng)為例，總裝機(jī)容量496 MW，采用57 臺(tái)永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速，無變速裝置，需在電機(jī)定子繞組和電網(wǎng)之間裝設(shè)變流器，變流器裝置將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)隔開。風(fēng)力發(fā)電具有季節(jié)性、無規(guī)律性，致使其輸出功率具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間接性等特點(diǎn)。隨著大容量高比例的風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，火電空間被大量擠占，嚴(yán)重削弱了福建省網(wǎng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐的能力。

圖1 福建省2021 年各類型機(jī)組裝機(jī)容量占比圖

2.2 風(fēng)電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)

我國(guó)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)相繼出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》（GB/T 40595—2021）中，明確要求風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備一次調(diào)頻能力。該文件進(jìn)一步細(xì)化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻要求，一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在±0.03～±0.1 Hz，一次調(diào)頻控制對(duì)象額定容量的-10%～6%限幅。國(guó)網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心對(duì)一次調(diào)頻技術(shù)參數(shù)也做出了規(guī)定，對(duì)各類型電源做了明確的要求，見表1。

表1 福建省發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)參數(shù)

表2 快速調(diào)頻裝置配置表 單位：套

3 海上風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻原理

海上風(fēng)電場(chǎng)利用一次調(diào)頻控制裝置與風(fēng)機(jī)能管系統(tǒng)（EMS）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的并網(wǎng)點(diǎn)具備參與電網(wǎng)一次調(diào)頻能力［1］。一次調(diào)頻控制對(duì)象為廠內(nèi)各可控機(jī)組或機(jī)群。一次調(diào)頻設(shè)定頻率f 與有功功率P 關(guān)系如式（1）。

式中：fL=50-fd；fH=50+fd；fd為一次調(diào)頻死區(qū)，Hz；fn為系統(tǒng)額定頻率，Hz；Pn為一次調(diào)頻控制對(duì)象額定容量，MW；δ%為新能源一次調(diào)頻調(diào)差系數(shù)；P0為一次調(diào)頻控制對(duì)象有功功率初始值，MW。

一次調(diào)頻期間新能源場(chǎng)站按照電網(wǎng)要求的有功-頻率特性輸出有功功率，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)節(jié)的能力，福建省頻率響應(yīng)的性能指標(biāo)如下：①一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)≤2 s；②一次調(diào)頻上升時(shí)間應(yīng)≤9 s；③一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)≤15 s；④有功功率調(diào)節(jié)允許偏差應(yīng)≤±1%Pn，見圖2。

圖2 調(diào)頻指標(biāo)曲線圖

圖3 AGC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 快速調(diào)頻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 海上風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻方案

4.1 海上風(fēng)電一次調(diào)頻現(xiàn)狀

福建省海上風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)展迅猛，根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2021）對(duì)已并網(wǎng)的風(fēng)電項(xiàng)目的有功調(diào)節(jié)能力作出明確要求，目前省內(nèi)風(fēng)電項(xiàng)目均具備AGC 功能。AGC 系統(tǒng)能根據(jù)主站指令自動(dòng)調(diào)節(jié)全場(chǎng)有功輸出，確保風(fēng)電場(chǎng)輸出功率跟隨調(diào)度給定值，以便在電網(wǎng)故障和特殊運(yùn)行方式時(shí)確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而AGC 依靠跟隨主站指令，控制計(jì)算實(shí)時(shí)性不佳，調(diào)節(jié)速率較慢，缺少與電網(wǎng)有效的“同步”機(jī)制，在電網(wǎng)處于緊急情況時(shí)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，開展存量風(fēng)量場(chǎng)一次調(diào)頻改造工作迫在眉睫。

4.2 一次調(diào)頻改造方案

4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

以福建省長(zhǎng)樂區(qū)某220 kV 海上風(fēng)電場(chǎng)為例，目前該海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電場(chǎng)只配置AGC 系統(tǒng)，共采用兩型57 臺(tái)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。對(duì)于當(dāng)前啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間較短的一次調(diào)頻等快速頻率響應(yīng)功能，需增加專用的一次調(diào)頻裝置（簡(jiǎn)稱快速調(diào)頻裝置）來實(shí)現(xiàn)，該裝置與AGC 系統(tǒng)相互配合分工，通過信號(hào)聯(lián)閉鎖，實(shí)現(xiàn)兩者功能的相互協(xié)調(diào)配合［2］。

4.2.2 系統(tǒng)硬件組成

一次調(diào)頻控制系統(tǒng)需提供人機(jī)交互界面，用于查看頻率、電壓、電流、遙信、遙測(cè)實(shí)時(shí)波形等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及各種歷史數(shù)據(jù)的檢索，并提供組態(tài)工具、波形分析工具［3］。還可將穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及暫態(tài)數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE 文件格式輸出，同時(shí)快速調(diào)頻裝置必須滿足系統(tǒng)安全加固及電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求，在備份和導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)隔絕各種病毒對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響［4-6］。

4.2.3 系統(tǒng)工作流程

一次調(diào)頻控制系統(tǒng)直接采集并網(wǎng)點(diǎn)PT、CT 信號(hào)計(jì)算電網(wǎng)頻率，根據(jù)頻率死區(qū)和調(diào)差率計(jì)算一次調(diào)頻負(fù)荷。通過AGC 系統(tǒng)獲取調(diào)度AGC 指令設(shè)定值等參數(shù)計(jì)算總的有功調(diào)節(jié)值，利用系統(tǒng)中預(yù)留的通訊接口（IEC104 等規(guī)約）獲取兩型風(fēng)機(jī)能量管理平臺(tái)上送的實(shí)時(shí)功率信息以及有功可調(diào)額度上下限，根據(jù)兩型風(fēng)機(jī)提供的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況將有功增量指令值采用優(yōu)化的場(chǎng)群控制策略合理分配給每一個(gè)風(fēng)機(jī)組群，做到對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)組群的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)組群根據(jù)平臺(tái)下發(fā)的目標(biāo)值進(jìn)行負(fù)荷的調(diào)節(jié)，達(dá)到頻率調(diào)節(jié)的目的。

為滿足國(guó)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，快速調(diào)頻裝置需具備以下功能：①有功-頻率下垂特性曲線控制功能；②具備AGC 與一次調(diào)頻協(xié)調(diào)配合控制功能；③低負(fù)荷工況條件下，具備穿越模擬電網(wǎng)的高低壓暫態(tài)過程功能；④具備躲過單一短路故障引起的瞬時(shí)頻率突變功能；⑤具備一次調(diào)頻裝置在特定控制對(duì)象額定容量時(shí)，能夠按要求以安全的模式輸出有功功率功能；⑥具備慣量支撐功能。

5 結(jié)語

開展海上風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻功能改造，是在風(fēng)光等新能源占比越來越高的情況下對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要舉措，對(duì)促進(jìn)海上風(fēng)電持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。后續(xù)將通過對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻功能工程實(shí)例來對(duì)該項(xiàng)研究進(jìn)行驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣。