新能源高占比电网近区直流闭锁后风电机组快速频率响应研究

摘""要：近年来，国内新能源快速增长，常规水火电机组转动惯量比重降低，除日渐凸显的消纳问题外，电网面临的调频压力倍增。提升新能源机组快速频率响应能力，对于解决新能源高占比电网调频问题至关重要。结合电网生产运行实际情况，对新能源高占比电网风电机组快速频率响应开展研究。首先，研究了风电、光伏等新能源发展形势。其次，分析了风电机组快速频率响应能力测试。最后，使用西北区域外送直流闭锁后风电机组随频率变化的数据，说明风电机组快速频率响应情况。

关键词：新能源高占比""一次调频""直流闭锁""风电机组""快速频率响应

中图分类号：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

随着新能源机组大量并网，大直流远距离大规模输电不断增长，送受端常规水火电机组被大量替代，新能源发电的随机性和不确定性使电力系统的调峰、调频问题日渐凸显，电力系统调节能力严重下降，尤其是调频压力剧增[]。本文结合电网生产运行实际情况，对新能源高占比电网风电机组快速频率响应开展研究。首先，研究了新能源发展形势及对电网的影响。其次，分析了风电机组快速频率响应能力测试。最后，使用西北区域外送直流闭锁后风电机组随频率变化的数据，说明风电机组快速频率响应情况。

1"""新能源快速发展给带来电网的影响

“十三五”以来，国内新能源装机持续快速增长，在电网中占比日益提升，目前已进入大规模发展阶段。截至2023年底，全国新能源发电装机容量10.5亿"kW，占总发电装机容量29.2亿"kW的35.96%，其中太阳能装机容量6.1亿"kW、风电装机容量4.4亿"kW，均居世界第一。

我国西北区域某省级电网总装机5"600万"kW，其中新能源装机达3"800万"kW，常规电源装机仅1"700万"kW，新能源装机占比高达68%。根据2024年3月以来连续3个月数据统计，当日新能源出力超过省内全社会用电负荷的天数为62"d，新能源出力超过省内全社会用电负荷最早时间为09：12。

新能源的规模化接入对电力系统安全稳定影响极大，主要体现在等效转动惯量小，影响电网频率稳定性，无功电压调节能力有限，有功调节支撑弱，快速频率响应能力不足[]。不同于常规火电机组，目前风机控制系统功能缺乏响应电网频率变化的一次调频控制[]，

2"""风电机组快速频率响应入网要求分析

新能源大规模接入电网带来的影响引起广泛关注[]，国内电网调度机构开始研究促进新能源参与电网快速频率响应[]。2018年以来，西北电网率先开展新能源场站快速频率响应推广，取得不错效果。下面围绕风电机组快速频率响应对维持电力系统稳定的重要影响展开说明。

风电场完成快速频率响应功能改造后，在场站并网点通过现场试验验证是否具备快速频率响应功能，入网测试主要包括：频率阶跃扰动试验、模拟实际电网频率扰动试验。现场试验采用频率信号发生装置模拟场站并网点PT的二次侧信号，给出频率试验信号，并发送给新能源场站调频控制系统测频单元，测试接线如图1所示。

风电场快速频率响应控制系统的测量单元应支持信号发生装置的信号接入。在接入频率信号发生装置的模拟信号（三相四线）前，场站业主需采用电气隔离的方式断开原有的并网侧PT信号与快速频率响应控制系统的电气连接。在开展入网测试内容试验时，应退出风电场的AGC，通过现场测试数据验证新能源场站的快速频率响应特性是否满足改造要求。

1.1""试验参数设置

风电场利用相应的有功控制系统、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。快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：

（1）

式中：f为风电场测量点最大扰动频率，单位为Hz；fd为快速频率响应死区，单位为Hz；fn为系统额定频率，50Hz;"Pn为风电场额定功率，单位为MW；δ%为风电场快速频率响应调差率；P0为新能源场站有功功率初值，单位为MW。

GB/T40595—2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》规定风电场快速频率响应死区应设置在±0.03"～±0.1"Hz范围内，当系统频率低于额定频率时快速频率响应限幅应不小于6%运行功率，当系统频率高于额定频率时快速频率响应限幅应不小于10%运行功率，风电场快速频率响应调频差应为2%～10%。

1.2""频率阶跃扰动试验

频率阶跃扰动试验内容包括阶跃上扰和阶跃下扰：阶跃上扰是将试验频率从50"Hz阶跃上升至50.2"Hz，持续20"s恢复至50"Hz；阶跃下扰是将试验频率从50"Hz阶跃下降至49.8"Hz，持续20"s恢复至50"Hz。频率阶跃扰动试验就是测试风电场在频率阶跃扰动情况下的响应特性，试验期间风电场应保持稳定运行，采集的测试数据应覆盖频率阶跃波动范围。

图2为试验频率阶跃至50.2"Hz，A风电场有功功率响应波形图。可见试验频率上升后，A风电场有功功率从90"MW逐步下降至55"MW，响应效果显著；试验频率恢复正常后，有功功率又逐步上升至90"MW。

1.3""模拟实际频率扰动试验

实际电网发生扰动时，全网所有电源机组都参与一次调频，频率波动更为复杂。模拟实际频率扰动试验主要测试风电场在模拟电网实际频率扰动情况下的响应特性，随机触发试验扰动频率后，采集该测试工况下60"s内风电场有功功率响应情况，计算出力响应合格率和积分电量合格率[6-7]。

出力响应合格率：在频率变化超过快速频率响应死区下限（或上限）开始至快速频率响应应动作时间内（如果时间超过60"s，则按60"s计算），风电场实际最大出力调整量占理论最大出力调整量的百分比。积分电量合格率：在频率变化超过快速频率响应死区下限（或上限）开始至快速频率响应动作时间内（如果时间超过60"s，则按60"s计算），风电场快速频率响应实际贡献电量占理论贡献电量的百分比。

3""近区直流闭锁后风电机组快速频率响应分析

2022年某日15：43：25，某西北外送直流极Ⅱ闭锁，损失功率232万"kW，西北主网频率最高升至50.109"9"Hz，超过西北电网规定的风电场快速频率响应死区±0.1"Hz，A风电场测量点频率最高达50.115"Hz，风电机组快速频率响应，有功功率变化如图3所示，可以看出，频率超过风电场响应死区上限后，风电场有功持续下降，下面使用A风电场快速频率响应装置记录的ms级录波数据进行具体分析。

根据式（1）分别计算出力响应合格率和积分电量合格率。其中理论最大出力调整量计算公式

式中：A风电场额定功率Pn348.5"MW，测量点最大上扰功率f50.115nbsp;Hz，上扰死区频率f50.1"Hz，额定频率f50"Hz，调差率δ%2%。可得理论最大出力调整量为

直流闭锁后频率变化超过响应死区上限50.1"Hz后，A风电场实际有功功率从63.11"MW下降至55.61"MW，最大出力调整量为-7.4"MW，出力响应合格率

理论贡献电量为式（2）计算得到出力调整量的积分电量1.9599"kW时，实际贡献电量为图7所有点位一次调频调节量出力的积分电量2.2061"kW时，积分电量合格率

可见响应合格率和积分电量合格率均超过100%，A风电场快速频率响应效果较好。

4"""结论

本文通过西北区域某省风电场快速频率响应测试及近区直流闭锁后有功数据变化分析，计算得出了风电机组快速频率响应大于大电网的频率，具有积极意义。

主要结论如下：风电机组快速频率响应试验和实测数据分析表明，风电机组快速频率响应指标均满足相关标准要求，验证了风电机组在电网大扰动后快速频率响应的可行性与有效性，对大规模风电惯量及一次调频改造具有指导和借鉴意义。

后续将基于试验数据对风电场惯量及一次调频仿真模型进行模型校验与参数辨识，进一步针对特定电网条件开展系统频率稳定仿真分析，总结与提炼不同电网条件下风电参与系统惯量及一次调频的参数整定原则。

参考文献：

[1]"李东东，张佳乐，徐波，等.考虑频率分布特性的新能源电力系统等效惯量评估[J].电网技术，2020，44（8）：2913-2921.

[2]"李生虎，朱国伟.基于有功备用的风电机组一次调频能力及调频效果分析[J].电工电能新技术，2015，34（10）：28-33，50.

[3]"孙吴松.新能源汽车电池技术发展瓶颈分析及对策[J].中国科技投资，2021（9）：113，137.

[4]"王博，杨德友，蔡国伟.高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述[J].电网技术，2020，44（8）：2998-3007.

[5]"聂春元，李锴.2009年华中电网统调机组一次调频试验分析[J].华中电力，2009，22（6）：23-26.

[6]曹子龙.新能源高占比电网惯量在线评估与预警方法研究[D].北京：华北电力大学（北京），2023.

[7]"彭官明，吴朝阳.新能源发展的技术瓶颈[J].农机使用与维修，2022（10）：76-78.