海上风电一次调频功能改造

林檀

（福建省福能海峡发电有限公司 福建福州 350000）

0 引言

为响应国家“双碳”目标，近年来福建省新能源发电占比不断增加。目前福建省所处的经济社会发展阶段以及作为华东地区重要的能源输出省份，对能源的需求依然强劲。面对省内少煤缺油、矿物能源资源匮乏，石油、燃气及火电燃煤绝大部分依赖省外采购和进口的特点，大力发展海上风电产业势在必行。福建省海域面积有13.6 万km2，海岸线总长6 128 km，受台湾海峡“狭管效应”影响，海上风能资源极为丰富，这使得台湾海峡成为1 个理想的风能发电区域。开发利用省内丰富的风能资源，对于降低全省的煤炭消耗、缓解环境污染、改善电源结构等具有非常积极的意义，是福建省能源发展战略的重要组成部分。

1 福建省电力系统现状

由于风光等新能源的全额消纳、核电只带基荷运行、径流小水电无调节能力、用电峰谷差持续增大等客观因素影响，福建省调峰调频面临严峻考验。截至2021年底，福建省发电装机容量6 983.3 万kW，其中火电3 596.2 万kW（含气电385.8 万kW）、水电1 385.8 万kW（含抽蓄180 万kW）、核电986.2 万kW、风电735 万kW、光伏277 万kW、储能3.1 万kW。火电、水电、核电、风电、光伏、储能占全省电源比例分别达到51.5%、19.8%、14.1%、10.5%、4.0%和0.044%，风光等新能源占比持续增加。

2 风电并网的频率问题

2.1 风力发电机运行方式

以福建省长乐区某220 kV 海上风电场为例，总装机容量496 MW，采用57 台永磁同步直驱风力发电机。永磁同步直驱风力发电机组采用外转子结构，转子转速跟随风机机械转速，无变速装置，需在电机定子绕组和电网之间装设变流器，变流器装置将发电机与电网隔开。风力发电具有季节性、无规律性，致使其输出功率具有随机性、波动性和间接性等特点。随着大容量高比例的风电系统接入电网，火电空间被大量挤占，严重削弱了福建省网电力系统转动惯量支撑的能力。

图1 福建省2021 年各类型机组装机容量占比图

2.2 风电系统频率调节

我国对风电系统相继出台了一系列标准及规定，《并网电源一次调频技术规定及试验导则》（GB/T 40595—2021）中，明确要求风电场应具备一次调频能力。该文件进一步细化对风电场一次调频要求，一次调频死区设置在±0.03～±0.1 Hz，一次调频控制对象额定容量的-10%～6%限幅。国网福建电力调度控制中心对一次调频技术参数也做出了规定，对各类型电源做了明确的要求，见表1。

表1 福建省发电机组一次调频技术参数

表2 快速调频装置配置表 单位：套

3 海上风电场一次调频原理

海上风电场利用一次调频控制装置与风机能管系统（EMS）结合，实现独立的并网点具备参与电网一次调频能力［1］。一次调频控制对象为厂内各可控机组或机群。一次调频设定频率f 与有功功率P 关系如式（1）。

式中：fL=50-fd；fH=50+fd；fd为一次调频死区，Hz；fn为系统额定频率，Hz；Pn为一次调频控制对象额定容量，MW；δ%为新能源一次调频调差系数；P0为一次调频控制对象有功功率初始值，MW。

一次调频期间新能源场站按照电网要求的有功-频率特性输出有功功率，实现并网点（PCC）参与电网频率快速调节的能力，福建省频率响应的性能指标如下：①一次调频响应滞后时间应≤2 s；②一次调频上升时间应≤9 s；③一次调频调节时间应≤15 s；④有功功率调节允许偏差应≤±1%Pn，见图2。

图2 调频指标曲线图

图3 AGC 系统结构图

图4 快速调频装置系统结构图

4 海上风电场一次调频方案

4.1 海上风电一次调频现状

福建省海上风电项目发展迅猛，根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2021）对已并网的风电项目的有功调节能力作出明确要求，目前省内风电项目均具备AGC 功能。AGC 系统能根据主站指令自动调节全场有功输出，确保风电场输出功率跟随调度给定值，以便在电网故障和特殊运行方式时确保电力系统的稳定。然而AGC 依靠跟随主站指令，控制计算实时性不佳，调节速率较慢，缺少与电网有效的“同步”机制，在电网处于紧急情况时风电场发挥不了应有的作用，开展存量风量场一次调频改造工作迫在眉睫。

4.2 一次调频改造方案

4.2.1 系统结构与原理

以福建省长乐区某220 kV 海上风电场为例，目前该海上风电场风电场只配置AGC 系统，共采用两型57 台永磁直驱风力发电机组。对于当前启动响应时间较短的一次调频等快速频率响应功能，需增加专用的一次调频装置（简称快速调频装置）来实现，该装置与AGC 系统相互配合分工，通过信号联闭锁，实现两者功能的相互协调配合［2］。

4.2.2 系统硬件组成

一次调频控制系统需提供人机交互界面，用于查看频率、电压、电流、遥信、遥测实时波形等实时数据及各种历史数据的检索，并提供组态工具、波形分析工具［3］。还可将稳态数据及暂态数据以标准COMTRADE 文件格式输出，同时快速调频装置必须满足系统安全加固及电力监控系统网络安全防护要求，在备份和导出数据时隔绝各种病毒对系统稳定运行的影响［4-6］。

4.2.3 系统工作流程

一次调频控制系统直接采集并网点PT、CT 信号计算电网频率，根据频率死区和调差率计算一次调频负荷。通过AGC 系统获取调度AGC 指令设定值等参数计算总的有功调节值，利用系统中预留的通讯接口（IEC104 等规约）获取两型风机能量管理平台上送的实时功率信息以及有功可调额度上下限，根据两型风机提供的实时运行工况将有功增量指令值采用优化的场群控制策略合理分配给每一个风机组群，做到对各个风机组群的精准调节，风机组群根据平台下发的目标值进行负荷的调节，达到频率调节的目的。

为满足国网相关技术要求，快速调频装置需具备以下功能：①有功-频率下垂特性曲线控制功能；②具备AGC 与一次调频协调配合控制功能；③低负荷工况条件下，具备穿越模拟电网的高低压暂态过程功能；④具备躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变功能；⑤具备一次调频装置在特定控制对象额定容量时，能够按要求以安全的模式输出有功功率功能；⑥具备惯量支撑功能。

5 结语

开展海上风电场一次调频功能改造，是在风光等新能源占比越来越高的情况下对电力系统安全稳定运行的重要举措，对促进海上风电持续健康发展具有重要意义。后续将通过对海上风电场一次调频功能工程实例来对该项研究进行验证，并在此基础上进行推广。