一种适用于新能源场站的新型一次调频系统及其应用

张健 沈文阳 王刚 池凤泉 陈建波

（1.国家电投浙江分公司 广西壮族自治区南宁市 530022 2.新华水力发电有限公司 北京市 100071）（3.南京中汇电气科技有限公司 江苏省南京市 211102）

近年来我国新能源发电产业发展迅速，截至2020年底，全国光伏、风电累计并网容量已超过534.5GW。随着“碳达峰、碳中和”和构建以新能源为主体的新型电力系统目标的提出，预示着新能源的发展步入了一个新的阶段。

新能源电站出力具有随机性和波动性，大量接入对电网的稳定运行带来了巨大的挑战，新能源电站参与电网一次调频，缓解电网调频调峰压力就显得尤为迫切和必要。新能源电站的功率输出由电力电子元器件产生，其响应速度要远远快于火电站或水电站等传统电源，在调频方面有其明显的优势，可以在出现大功率扰动情况下，进一步提升电网频率的回复能力。从2018年开始西北电网就做了新能源电站一次调频功能的试点和推广，并取得了一定的成果，为一次调频的全国推广做了铺垫。新能源电站具备一次调频功能，将能够提升电站的友好程度和电网的消纳能力。从2020年起，全国电网也逐步开始了新能源电站的一次调频建设和推广工作。本文将讨论新能源电站中一次调频系统的技术及其应用。

1 现有一次调频技术存在的不足及解决方法

跟常规电源一样，当电网频率异常，越过死区后，需要新能源电站调节有功输出将频率控制在正常运行范围内。现有新能源一次调频系统大多数情况下是作为电站独立的一套系统闭环运行，实际运行过程中发现调频系统运行数据不能及时有效的反馈给调度主站，针对这一问题可以利用模拟量输出通过硬接线的方式或者通讯的方式将所需的关键数据传输给PMU 装置，再通过PMU 将数据实时传输给调度主站,便于主站实时掌握系统频率异常时新能源电站的出力响应情况。

当电站处于自由发电状态下功率满发，未配置配套储能的情况下，此时不能满足一次调频的低频升功率的调节要求。针对这一问题，通过设计有功备用功能。当有功备用投入，装置会自动在当前功率状态下预留出一定的有功功率，来满足低频升功率的要求。当有功备用退出，自动恢复正常运行模式。

一次调频系统投运后，在某些被考核的情况下，会出现调度考核数据和电站实际运行数据无法匹配的问题。通过采用 Comtrade记录格式，并支持61850 文件服务上送，调度主站可直接从装置中调取任意时间的录波文件，进行查看核对，同时电站运维人员也可通过打印机就地将录波文件打印出来进行问题分析，可以很好的解决考核数据不对应的问题。

2 该一次调频系统的主要技术特点

2.1 并网点数据高精度实时采集运算

一次调频系统的实际使用，需要对并网点的CT 和PT 信号进行模拟量采集，采集精度的高低决定了调节精度是否满足要求。本系统频率采样精度可达到不超过0.002Hz，电压电流采样精度达到0.2%，功率精度可达0.5%，为一次调频系统的精准控制提供了坚实的保障。

2.2 分配控制策略优化

一次调频控制系统考虑每台逆变器的实际运行情况，综合整个电站情况给出最佳的调节策略，从而实现最高效的控制效果和最快速的响应时间。

2.3 快速可靠的场站通讯系统

系统独创了无数据包丢失确认方式，避免丢包问题，可靠保证整体网络的稳定流畅。并且能够在单侧数据网络遭到破坏的同时直接切换到另一侧网络，降低了网络切换延时。

2.4 整站群控群调的技术应用

群控群调技术，摒弃了过去一对一链接发送接收的传统模式，采用一对多群发的策略来提高系统的响应效率，通过多次反复的实际验证，效果显著，大大缩短了数据传输所需要的时间。

2.5 目标数据无限逼近策略

在实际调节过程中，由于各种因素，比如逆变器自身的采样误差，并网点数据的采集误差，以及电站中一次设备自身损耗等，控制系统并不能保证发出一次调节命令就能将并网点功率值调节到所需的目标。对于这个问题，通过采用无限逼近控制模式，有限制的采用差值叠加策略完成目标的调节精度。为了不引起振荡，系统也限制了差值的极限范围，避免无条件叠加以及无限次累计，从而保证了系统的可靠性和调节精度。

3 一次调频系统与AGC的配合

在原系统中增加一套一次调频控制系统，包含新增的新能源快速频率响应装置（以下简称装置），利用原有网络结构和原来的控制子站来实现调频功能。该系统与AGC 系统相互配合分工，通过信号闭锁，分别实现光伏电站的一次调频和二次调频控制功能，并且实现两者间的功能协调配合。装置直接高精度采集光伏电站并网点频率和电压电流信号，并计算得到相应的功率，当频率变化越过死区后启动一次调频控制功能，通过信号闭锁AGC 系统二次调频控制，装置参考一次调频参数生成合适的功率调节目标值下发给执行机构，使并网点功率达到所需的预期目标值。当频率恢复正常后，退出一次调频控制，解除一次调频闭锁信号，AGC 系统进入正常二次调频控制模式。

4 系统实际应用效果

该新型一次调频系统在南方某大型地面光伏电站安装完成后经中国电科院检测，各项指标均达到了国家标准，并远优于标准要求。

4.1 频率测量精度校验

测试方法：通过信号源输出标准信号，校验一次调频控制系统的频率测量精度。频率测量分辨率不大于0.002Hz。频率测量精度记录如表1。

表1：频率测量精度记录

4.2 频率阶跃扰动测试

测试方法：分别在20%-30%轻载负荷限功率、50%-90%重载负荷限功率工况下采用信号源模拟电网频率阶跃扰动信号，场站在频率阶跃扰动情况下的特性，如图1和图2所示。

图1：轻载负荷工况下频率阶跃49.8Hz 有功功率响应波形

图2：重载负荷工况下频率阶跃50.15Hz 有功功率响应波形

4.3 频率波动

测试方法：分别在20%-30%轻载负荷限功率、50%-90%重载负荷限功率工况下采用信号源模拟电网频率波动信号，测试场站在频率波动情况下的特性，如图3和图4所示。

图3：轻载负荷工况下频率波动有功功率响应波形

图4：重载负荷工况下频率波动有功功率响应波形

4.4 调频死区校验

测试方法：通过信号源输出死区频率±0.003Hz，校验一次控制系统的调频死区控制精度。光伏场站一次调频的死区宜设置为±0.02-0.05Hz，推荐设置值为±0.05Hz。如图5和图6所示。

图5：频率阶跃至49.947Hz，有功功率响应波形

图6：频率阶跃至49.953Hz，有功功率响应波形

5 结束语

该新型一次调频控制系统具备通过直流模拟量或通讯的方式输出一次调频关键数据，调度主站可实时监测。具备录波及文件传输服务，为调度主站与场站一次调频动作数据的校核提供简洁有效的途径。具备有功备用功能，在没有外部有功支撑的环境下，能够满足低频升负荷的功能要求。该系统算法精准，控制速度快，多种控制策略，适应不同使用环境。避开通信冗余环节，直采直控，群控群调，使通讯达到最快、最准响应,实时接收AGC 指令，实现一次频率响应与AGC 的协调控制，同时保证AGC 的正常运行,系统具备完整的闭锁逻辑判断，保障了场站安全稳定的运行。

该系统为新能源场站参与电网一次调频，维持电网频率稳定，提供了可靠保障，提升了新能源电站在电网频率波动时通过快速改变电站有功出力使频率恢复正常的能力，这一能力为构建以新能源发电为主体的新型电力系统提供了强有力的技术支撑，值得广泛推广应用。