新能源场站一次调频技术及参数配置分析

王 磊,于腾凯,陈铄鑫,王秋莎

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.河北华瑞能源集团有限公司,河北 石家庄 050021;3.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北 石家庄 050031)

1 概述

随着国家新能源战略的实施和新能源发电技术的不断进步,我国新能源电源得到了长足的发展,截止2021年1月河北省南部电网(简称“河北南网”)新能源装机2 200万k W,预计“十四五”期间河北南网新能源装机总容量将突破3 000万k W,超过火电装机规模。

大规模新能源并网改变了河北南网的运行方式,其间歇性、波_动性、转动惯量小等因素都给电网的安全稳定运行带来了较大的压力。随着河北南网新能源在电网中占比不断增加,常规同步机组占比逐渐下降,导致电网一次调频能力随之减弱,因此要求新能源需具备参与电网一次调频的能力[1-4]。

一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时,发电机组通过调速系统的自动反应,调整有功出力减少频率偏差。发电机组的一次调频能力是维持电网功率平衡和安全稳定的第一道重要屏障,其调节性能对电网的动态稳定性起着很重要的作用。风电、光伏发电等电能的大规模并网会引入随机功率扰动,影响电网安全稳定性。合理规范机组一次调频参数和性能,对电网的安全稳定运行和未来智能电网环境下的优化调度具有重要的意义[5-10]。

2 新能源场站一次调频技术改造

新能源场站一次调频不同于火电机组一次调频依靠原动机调速系统自动完成,新能源场站需利用自动发电控制系统(AGC)、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制,使其在并网点具备参与电网频率快速调整能力。风电场、光伏电站一次调频改造技术思路相同,以光伏电站为例,一次调频改造可行方案主要有3种:AGC系统改造、逆变器改造和加装一次调频响应装置。

2.1 AGC系统改造

通过在AGC系统现有的软件中增加控制模块来实现一次调频功能,如图1所示。AGC系统接收光伏电站并网点频率和功率信号,按要求判定和计算后,通过通信单元将功率调节命令下发给光伏逆变器。

图1 基于AGC改造的光伏电站一次调频响应方案

(1)优点:无需改动光伏电站自动发电控制系统架构。

(2)缺点:现有光伏电站测控装置的测频精度、频率采样周期大多无法满足频率响应的快速性要求,需要根据光伏电站实际情况进行优化或加装专用高精度测频模块。通信环节较多,响应时间较长,需优化通信网络。

2.2 逆变器改造

对光伏逆变器进行软硬件改造,增加通信/采样模块,实现发电单元有功-频率下垂控制,实现一次调频功能,如图2所示。各发电单元都主动参与频率响应,使得整个新能源电站对外表现为具有一次调频响应功能。

图2 基于逆变器改造的光伏电站一次调频响应方案

(1)优点:逆变器能够非常快速地响应频率事件。

(2)缺点:现有光伏电站测控装置的测频精度、频率采样周期大多无法满足频率响应的快速性要求,需要根据光伏电站实际情况进行优化或加装专用高精度测频模块。光伏电站闭环调节难度较大,需解决并网点调频一致性问题。光伏电站逆变器数量众多,改造工作量巨大,而且很难开展现场测试。

2.3 加装一次调频响应装置

一次调频响应装置内置高精度测频模块,如图3所示,当出现频率越限时,一次调频响应装置启动调节,通过叠加AGC指令,将命令发送到通信单元,最后由通信单元完成对逆变器的指令下发,并在规定的时间内监测功率调节结果,形成闭环控制。

图3 基于加装装置的光伏电站一次调频响应方案

(1)优点:对于现有电站和新建站可以做到兼容,改造周期短。直接与现有通信单元连接,频率异常时可在一定程度上缩减系统的通信时间,提高响应速率。

(2)缺点:需进行通信网络优化,并完成与AGC控制策略协调。

对比上述3种新能源场站一次调频技术,加装一次调频响应装置优点明显,目前新能源场站基本采用此种方式进行一次调频改造。

3 新能源场站一次调频技术参数配置分析

3.1 下垂特性

新能源场站通过一次调频响应控制系统完成并网点的有功-频率下垂控制,使新能源场站在并网点具备参与电网频率快速调节的能力,且不影响原有监控系统和AGC系统性能和功能。一次调频响应控制系统设定频率变化死区定值,当频率变化越过死区时,一次调频响应功能通过设定频率与有功功率折线函数(有功-频率下垂特性曲线函数)实现,即:

式中:fd为一次调频响应死区,Hz;fn为系统额定频率,50 Hz;Pn为新能源场站额定功率,MW;δ%为新能源场站一次调频响应调差率;P0为新能源场站有功功率初值,MW。

3.2 参数分析设置

3.2.1 一次调频响应死区

依据GB/T 40595-2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》征求意见稿:风电场站一次调频的死区宜设置为±0.03～0.06 Hz,光伏场站一次调频的死区宜设置为±0.02～0.05 Hz,参考火电机组一次调频响应死区为±0.033 Hz、冀北电网一次调频响应死区为±0.05 Hz,设置河北南网一次调频响应死区为±0.05 Hz。

3.2.2 一次调频响应限幅

依据GB/T 40595-2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》征求意见稿:当系统频率低于额定频率时,新能源场站应根据一次调频曲线增加有功功率输出,一次调频有功功率调节量限幅值宜设置为3%～6%Pn;当系统频率高于额定频率时,新能源场站应根据一次调频曲线减少有功输出,一次调频有功功率调节量限幅值一般不小于10%Pn,考虑“十四五”期间河北南网新能源装机总容量将突破3 000万k W,并参考西北电网一次调频响应限幅为10%Pn,设置河北南网一次调频响应限幅为10%Pn。

3.2.3 一次调频响应频率结束点

一次调频响应频率结束点指电网频率超过此范围,新能源不需再进行功率调整。

采用中国电力科学研究院有限公司bpa程序,基于国家电力调度中心2021年夏季低负荷数据,考虑采用华北孤网方式,河北南网开机1 720万k W,负荷2 950万k W,忻都-石北500 k V线路严重故障,锦界、府谷电厂机组损失全部出力,功率冲击为624万k W,电网频率最低跌幅0.15 Hz,如图4所示,设置河北南网一次调频响应频率结束点为±0.15 Hz。

图4 华北主网频率变化

3.2.4 一次调频响应调差率

依据一次调频响应死区、响应限幅、频率结束点及公式(1),可得出一次调频响应调差率为2%。

河北南网新能源场站一次调频响应功能的有功-频率下垂特性曲线如图5所示。

图5 新能源场站一次调频功能下垂特性

4 实例验证及效果

在某额定功率为35 MW的新能源场站安装一次调频响应装置,并按照上述参数进行配置,开展新能源场站一次调频响应现场测试。采用三相调频调压信号源模拟并网点频率阶跃变化从50 Hz到49.896 Hz,电量分析记录仪录取波形,如图6所示。

图6 新能源场站一次调频阶跃响应曲线

图6 中,f为频率阶跃曲线,Pref为理论有功响应曲线,Pact为实际有功响应曲线。通过曲线可以看出,功率由18.93 MW到20.83 MW,上述数据通过公式(1)及参数配置可以得到验证,证明了一次调频响应装置的准确性,实际有功曲线能够准确跟踪理论有功曲线,证明了该装置的有效性。

依据DL/T 1870-2018《电力系统网源协调技术规范》要求,通过图6可以看出一次调频响应滞后时间为1.8 s,一次调频负荷响应速率时间为2.3 s,一次调频稳定时间为5.4 s,调频控制偏差为0.32%,满足标准要求。

河北南网新能源场站一次调频改造后,依据本文参数配置,可大幅提升一次调频能力,初步估算为1 100 MW。

5 结束语

本文分析了新能源场站一次调频改造的3种方式及其优缺点,针对河北南网新能源场站进行了一次调频响应死区、响应限幅、频率结束点、调差率等参数的分析计算,能够为新能源场站开展一次调频技术改造、现场试验提供技术支撑。依据本文参数配置一次调频响应装置,通过现场实测,验证了频率阶跃扰动下装置工作的准确性和有效性。