新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)確定方法

張靜忠，朱仔新，楊 龍

國網(wǎng)寧夏電力有限公司調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001

0 引言

隨著DG類型電源與電力系統(tǒng)的對接與集成，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在運行中的供電模式逐步從單端供電轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽斯╇?，為了滿足新型能源的應用，電力系統(tǒng)在運行時的潮流走向、短路容量也在此過程中發(fā)生了改變，這一發(fā)展趨勢使前端對電力系統(tǒng)的運行與調(diào)控提出了更高的要求[1]?，F(xiàn)今的新能源系統(tǒng)大多為風能、太陽能、潮汐能支撐，為了滿足新能源的接入需求，大多數(shù)系統(tǒng)使用變流裝置作為接口，并以此代替機械開關，但現(xiàn)行使用的接口在使用中極易造成系統(tǒng)運行慣性的持續(xù)下降，從而導致系統(tǒng)的調(diào)頻能力降低[2]。常規(guī)機組參與電網(wǎng)調(diào)頻可按照時間順序分為慣性響應、一次調(diào)頻響應和二次調(diào)頻響應。在新能源占比不斷提升的同時，常規(guī)的火電發(fā)電機組發(fā)電占比逐漸降低，開機臺數(shù)不斷減少，進而導致電力系統(tǒng)整體慣性時間常數(shù)減少，減弱了一次調(diào)頻的能力。盡管新能源電力機組在運行中具有一定的旋轉(zhuǎn)慣量，但系統(tǒng)在運行中經(jīng)過變流器對其的隔離處理，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)運行頻率之間存在耦合方面的問題，無法實現(xiàn)與常規(guī)供電機組相同的頻率變化響應能力。基于此，文章開展對新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)確定方法的設計研究。

1 新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)確定方法

1.1 新能源電力系統(tǒng)控制階段調(diào)頻比例系數(shù)選擇

文章主要關注新能源電力系統(tǒng)在運行過程中一次調(diào)頻的性能，在確定一次調(diào)頻參數(shù)時，需要注意考慮該新能源電力系統(tǒng)的運行特點和新電源接入的類型，減輕一次調(diào)頻下設備的磨損程度。例如，在電網(wǎng)小幅度擾動下，風電頻繁地調(diào)整，磨損了風機的槳葉，在調(diào)頻時應注意先調(diào)整光伏，后調(diào)整風電。另外，還需要注意電網(wǎng)的安全約束，調(diào)頻后應當保持電網(wǎng)潮流、電壓、頻率均在合理的范圍內(nèi)。

一次調(diào)頻過程可以劃分為三個基本階段。在第一階段，電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速下降，此時轉(zhuǎn)子釋放大量動能；在第二階段，電力系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)速逐漸恢復，此時轉(zhuǎn)子完成對動能的存儲；在第三階段，基本還原最初的MPPT運行模式[3]。新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻過程中的頻率變化曲線如圖1所示。其中，t1為第一階段，t2為第二階段，t3為第三階段。L、L’、L0分別表示三個不同階段下電力系統(tǒng)一次調(diào)頻頻率。

圖1 新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻過程中的頻率變化曲線

在明確電力系統(tǒng)的調(diào)頻過程后，為了提高最終參數(shù)確定結(jié)果的精度，首先需要選擇控制階段的調(diào)頻比例系數(shù)，確保其能夠在更加準確的調(diào)頻比例中獲取最終的調(diào)頻參數(shù)。當調(diào)頻比例系數(shù)越大，則相應的最大頻率偏差會越小，但由于新能源電力系統(tǒng)與調(diào)頻時增加的功率相對較多，在退出調(diào)頻時，電力系統(tǒng)會出現(xiàn)嚴重的不平衡運行現(xiàn)象，并且造成后續(xù)頻率的二次跌落更加嚴重。針對這一問題，在選擇調(diào)頻比例系數(shù)時，需要兼顧最大頻率偏差與二次跌落偏差兩個基本指標，對比例系數(shù)進行折中取值。

當新能源電力系統(tǒng)退出調(diào)頻后，出現(xiàn)二次跌落，并且受到出力占比影響[4]。占比越高，二次跌落造成的影響越大；反之，占比越低，二次跌落造成的影響越小。根據(jù)這一特點，還需要對上述完成選擇的調(diào)頻比例系統(tǒng)的取值進行調(diào)整。考慮到新能源電力系統(tǒng)的輔助調(diào)頻參數(shù)是通過變流器裝置進行控制的，而變流器裝置在運行過程中存在非固有特性，可將電力系統(tǒng)調(diào)頻進行分段，在低段、中段和高段分別對調(diào)頻比例系數(shù)按照上述操作進行選擇，以確保在每一個調(diào)頻分段中都能夠選擇合適的調(diào)頻比例系數(shù)。

1.2 退出調(diào)頻時刻參數(shù)設定

在完成對新能源電力系統(tǒng)控制階段調(diào)頻比例系數(shù)的選擇后，在退出調(diào)頻時刻，其參數(shù)數(shù)值的設定也不宜過大或過小。若參數(shù)數(shù)值過大，機械功率會減小，進而造成電力系統(tǒng)運行不穩(wěn)定問題[5]；若參數(shù)數(shù)值過小，則電力系統(tǒng)在退出調(diào)頻時刻仍然無法恢復到標準數(shù)值，會出現(xiàn)二次跌落嚴重的問題。因此，在設定退出調(diào)頻時刻的參數(shù)時，可通過典型場景的方式對參數(shù)進行篩選，并結(jié)合電力系統(tǒng)負荷變化及公式（1），計算得出滿足退出調(diào)頻狀態(tài)的時刻。

式中：toあ為電力系統(tǒng)退出調(diào)頻狀態(tài)的時刻；tn為出現(xiàn)頻率跌落現(xiàn)象，并且跌落到最低點的時間；表示為調(diào)頻控制延時時間。根據(jù)公式（1），初步確定調(diào)頻時刻參數(shù)后，判斷此時頻率二次跌落的偏差是否滿足實際需要，若偏大，則可適當增大單位調(diào)節(jié)功率；若偏小，則可適當減小單位調(diào)節(jié)功率。若滿足實際需要，再對虛擬慣性系數(shù)進行調(diào)整，判斷初步確定的虛擬慣性系數(shù)是否滿足調(diào)頻功率需要，若偏小，則適當增大虛擬慣性系數(shù)；若偏小，則適當減小虛擬慣性系數(shù)。若滿足調(diào)頻功率需要，則將最終整定后的調(diào)頻參數(shù)輸出，完成對退出調(diào)頻時刻參數(shù)的設定。

2 仿真測試

為了驗證上述設計的一次調(diào)頻參數(shù)確定方法的性能，選擇以某電力企業(yè)作為數(shù)據(jù)來源，在Matlab仿真平臺上模擬該電力企業(yè)的電力系統(tǒng)運行環(huán)境，利用文章提出的方法實現(xiàn)對新能源電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻參數(shù)確定。

該新能源電力系統(tǒng)的發(fā)電機組的額定容量為550 MW，其中風電機組的額定容量為2 MW，共包含100臺風電機組，其總額定容量為200 MW，同時在運行過程中的負荷為250 MW，正常運行時的頻率變化允許范圍為±0.2 Hz，當發(fā)生直流閉鎖等重大事故時，頻率變化允許范圍為±0.5 Hz。結(jié)合上述電力系統(tǒng)的運行環(huán)境和運行基本條件，在不同調(diào)頻控制參數(shù)的基礎上，針對該方法的確定精度進行評價。選擇將調(diào)頻參數(shù)與實際電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行時所需的頻率進行對比，通過二者之間的差值，實現(xiàn)對其精度的比較。將調(diào)頻控制參數(shù)設定為15 t/s、20 t/s、25 t/s、50 t/s和100 t/s，分別記錄在應用文章所述方法后的調(diào)頻參數(shù)，并將其與實際值記錄，如表1所示。

表1 一次調(diào)頻參數(shù)確定方法實驗結(jié)果記錄表

從表1中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在不同控制參數(shù)的條件下，該方法確定參數(shù)與實際值之間的差值均小于1.00 Hz。并且，從表1中兩組數(shù)據(jù)對比可知，隨著控制參數(shù)數(shù)值的不斷增加，文章方法確定參數(shù)與實際值之間的差距越來越小，說明其確定精度越來越高。因此，通過上述仿真測試證明，一次調(diào)頻參數(shù)確定方法可實現(xiàn)對新能源電力系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)的高精度確認，進一步提高了電力系統(tǒng)的運行效率，為整個電網(wǎng)運行提供了更加安全、可靠的條件。

3 結(jié)束語

為了提高系統(tǒng)在運行中的綜合性能，此次研究以新能源電力系統(tǒng)為例，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需求，對系統(tǒng)的一次調(diào)頻參數(shù)確定方法展開設計研究，以此種方式為新能源電力系統(tǒng)的持續(xù)化運行提供技術層面的支撐。