浅谈一次调频系统在电力系统中的作用与未来的发展趋势

孙晓亮，韩增涛，汪浩然，蔡逸波，赵坚

浙江运达风电股份有限公司，浙江杭州，311106

0 引言

随着社会的飞速发展，传统能源发电的弊端随之显现，高额的发电成本以及严重的环境污染问题日益加剧，取而代之的新能源发电走上历史舞台。对比火力发电的稳定性，新能源发电面临一系列棘手问题。针对社会日益增长的用电需求，保障电网的正常稳定运行，解决新能源发电不稳定问题是重中之重。同时国家大力支持发展新能源，各个新能源企业也要奋勇革新、再创佳绩。一次调频作为保障电网频率的重要手段，受到新能源发电企业的广泛重视。而如何发展、优化这一技术问题，同时也鞭策企业不断技术创新，不断优化产品结构，促使电力系统更加稳定。

1 一次调频的意义

一次调频，即当电力系统频率偏离目标频率（50Hz）时，新能源场站内控制系统接收到变动信号，快速自动反应，调整机组有功出力，进而减少频率偏差的控制功能[1]。

在新能源场站中，机组都具备基本一次调频功能，其通过调速系统的快速自动反应，调整有功出力，减少频率偏差。但机组的调频功能有限，尤其是在电网需要机组增加出力调节频率时，往往不能满足要求，所以需要采取进一步的保障措施，使得机组能快速响应电网调节频率的要求，而这个能够快速响应的系统即为一次调频系统。

2 一次调频的背景

随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电的快速发展，新能源装机占比不断增加，常规火电、水电等传统装机被新能源大量替代，然而，新能源发电的不稳定性又直接导致电网系统频率调节能力不断下降，电网频率控制问题日渐凸显，频率故障问题时有发生。新能源电站基于其自身特点，频率响应慢，使得常规发电机组调频调峰压力增大，因此，新能源电站接入一次调频系统已成必然趋势[2]。

然而，面对新能源场站的大量接入电网，将主要带来以下问题：

（1）新能源占比不断增加的条件下，电网系统频率和电压调节能力持续下降；

（2）电网对新能源发电的适应性不足，存在大规模脱网的风险；

（3）电力电子设备交互作用复杂，系统振荡问题明显。

新能源发电的快速增长带来以上突出问题，如何解决以上问题，保障新能源发电可持续性，快速频率控制系统的接入是解决以上问题中的一个重要途径。早在2016年，西北能监局已在西北五省进行快速频率响应的试点研究，2016年至2017年期间，西北电网下10家新能源电站已完成频率快速响应的功能改造，验证了新能源电站应具备电网快速频率响应能力。一次调频不再只是一种电网口号要求，需要各个新能源电站落实到实际中，进而满足电力系统的频率控制与调节。

3 一次调频功能的实现

目前，新能源场站（风电场、光伏发电站）一次调频功能主要可通过以下几种方式实现。

（1）新能源场站保留有功备用

保留有功备用需要各场站业主在上报调度场站容量时预留一部分，该预留部分专门进行一次调频，这部分实际上不包含在并网容量内，也就是业主需要增加装机容量或者在原装机容量的基础上通过减少发电量来实现有功备用。

（2）配置储能

储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程，通常储能主要指电力储能。配置储能，即通过配置电池系统等管理系统，在用电低峰时，实现电能的有效存储，用电高峰时，快速释放电能存储，响应调度控制要求。电池储能电源经由断路器和变压器进入电网。电网要求“保留有功备用或配置储能”实现一次调频功能，目前只能通过增配储能实现，因为相比备用有功，配置储能相对更经济。

（3）增加一次调频装置

新能源场站内增设一次调频装置，通过一次调频装置与AGC控制系统的配合，一次调频装置将一次调频调节量与AGC系统电网下发的有功功率调节值进行代数叠加，通过快速通道直接下发到风机功率控制系统，控制发电机组进行有功功率调节[3]。

（4）风力发电机或逆变器创新升级

这种方法提出只是作为一种愿景，因为风电和光伏不能持续发电这一现实摆在眼前，目前的技术水平是无法做到像火电机组和水电机组那样进行平滑调频的。但目前无法实现不代表将来做不到，这种方式只能寄托于未来技术发展。

以上四种方式都需要投入大笔费用，从效果来看，增加一次调频装置不能从根本上解决问题，从造价来看，保留有功比配置储能投资更大。四者折中选择，增设一次调频系统，配置场站储能，已经是各个新能源场站的必选之项。

4 一次调频的技术要求

4.1 实现原理

新能源一次调频控制系统宜独立布置，部署于新能源场站二次设备室。新能源场站通过一次调频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一次调频的能力，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。一次调频功能的有功—频率下垂特性曲线计算公式如下：

其中：

fd——一次调频死区定值；

fN——系统额定频率（50Hz）；

PN——新能源场站额定功率；

P0——有功功率初值；

δ%——调差率。

一次调频功能的有功—频率下垂特性曲线示意图如图1所示。

图1 频率—下垂特性曲线示意图

其中：k1——一次调频上调功率限值系数；k2——一次调频下调功率限值系数；kmin——一次调频调节总功率下限系数。

4.2 风电场网络结构

风电场网络结构如图2所示。

图2 风电场网络结构

4.3 一次调频功能描述

高精度频率采样装置采集系统频率、有功功率，并快速上传到快速频率响应控制系统，保证系统响应速度与精度需求。调度下发AGC指令到远动机，快速频率响应控制终端从远动机获取AGC指令值。快速频率响应控制终端与AGC控制系统配合，当频率越限时，启动快速频率响应控制系统，控制风机能量管理平台有功出力；当频率正常时，自动退出快速频率响应控制系统，由AGC系统控制风机能量管理平台有功出力[4]。风机能量管理平台可以直接接入快速频率响应控制终端，无需经过多层结构接入，加快响应速度。

4.4 一次调频适用场合

风机能量管理平台必须支持以太网ModBus或IEC104规约，可以直接接入快速频率响应控制终端。

4.5 实施要点与难点

如果风机能量管理平台不支持单机控制，即快速频率响应控制终端不能直接控制单台风机机组，只能给风机能量管理平台下发总有功指令值，风机能量管理平台负责控制单台风机，一次调频系统可保证频率变化到指令生成下发时间，时间在500ms以下，但在风机群内部的命令分配时间不受控，需风机能量管理平台进行技术优化。

4.6 风电场设备性能要求

（1）风机能量管理平台性能要求

平台可以接入多个监控系统，即风机能量管理平台可以同时接入快速频率响应终端和AGC系统；可以接收并响应快频系统高频率（1s一次）的指令下发；支持网络Modbus或者IEC104通信；从收到上级发出的功率调节指令到响应调节量的2%，不超过2s；从收到上级发出的功率调节指令到响应调节量的90%，不超过11s；从收到上级发出的功率调节指令到响应调节量的100%，不超过14s；风机调节精度应控制在额定出力的±1%以内；能够接收快频装置传来的“快频启动调节”信号，当该信号为1时，接收并执行快频下发的目标调节指令；当该信号为0时，接收并执行AGC下发的目标调节指令。

（2）AGC系统性能要求

AGC系统能够接收快频装置传来的“快频启动调节”信号，当该信号为1时，AGC自动闭锁，控制权交由快频装置；当该信号为0时，AGC恢复调节功能；AGC系统应能向快频装置传送调度指令值、实发功率等实时信号。

（3）PMU性能要求

支持IEC104通信；支持接收快频装置一次调频投退、动作信号以及频率、实时有功等模拟量，并能实时上传给调度。

4.7 工程实施

（1）新增快速频率响应控制柜，需要安装布线。

（2）快速频率响应控制柜中的交换机需要与AGC组网交换机连接，需要布网线。

（3）快速频率响应控制柜中的交换机需要与风机能量管理平台设备连接，需要布网线。

（4）高精度频率采样装置需要采集系统中并网点频率、有功功率，需要接入系统并网点频率、有功功率采集回路。

（5）设备上电调试。

5 一次调频技术的发展优化

大规模储能参与调频：当电网频率越过动作死区时，储能电源系统因其自动化程度高、增减出力灵活、对负荷随机和瞬时变化等优点可做出快速反应。未来可研究开发具有长时段（如月、季度）调节能力的大规模液态金属电池，以及可变速的抽水蓄能电站[5]。未来，发电机和逆变器厂家必须同步进行产品升级改造，使产品得到质的提升。风机厂家对能管平台程序要不断优化改造，最终得以实现单机功率精确控制。建设主站系统在线实时监控：建立调频响应全景数据统一信息平台，供系统层各高级应用子系统进行统一、标准化、规范化的数据存取访问及向调度系统进行上送。

6 结语

未来，电网必将与信息数字化技术相结合。建设一套功能齐全的调频响应全景数据统一平台，对电网频率全方位、全天候、全领域的异常波动态势感知，供系统内的各级子系统进行统一、标准化、规范化数据存储访问以及向调度系统进行实时数据上传。这不仅能够实现频率的随时调节，同时也可以进行防控预测，使电网能够安全稳定运行。伴随电网对风电场站更加完善的细则要求，必然促使调频技术优化升级。大量的储能设备参与调频，又会带来新的发展机遇。而我们更要立足实际，稳步向前，在未来的发展中合理运用相关技术，对一次调频领域的功能进行深入研究和开发，为电力系统事业的发展和稳定做出贡献。