柯賢波,程 林,牛拴保,張振宇,韓華玲,賈一超

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司西北分部,陜西西安 710048;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司(南京),江蘇南京 210030)

1 引言

在我國(guó)西北和東北地區(qū),新能源裝機(jī)和實(shí)際電量占比的提升,將進(jìn)一步擠占常規(guī)火電空間,加之新能源的抗擾動(dòng)性較差,系統(tǒng)大幅頻率擾動(dòng)會(huì)增加新能源脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),新能源參與系統(tǒng)調(diào)頻的需求日趨迫切[1–2],電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1870–2018《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)新能源參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻要求提出了具體技術(shù)要求[3].

新能源參與系統(tǒng)調(diào)頻策略是近年的研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[4]調(diào)研整理了風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)框架,包括機(jī)組、場(chǎng)站和系統(tǒng)層面的控制原理及特性,指出后續(xù)需要加強(qiáng)“機(jī)–場(chǎng)–群”和“源–網(wǎng)”等層面的協(xié)調(diào).文獻(xiàn)[5–6]分別從設(shè)備和場(chǎng)站的層面提出了具備變參數(shù)能力的風(fēng)電調(diào)頻控制策略;文獻(xiàn)[7]提出了適應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的新能源發(fā)電調(diào)頻控制策略;文獻(xiàn)[8]分析了調(diào)頻控制增益對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響;文獻(xiàn)[9]分析了電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程中多機(jī)不平衡功率輸出響應(yīng)特性,并提出多機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻的不平衡功率分配及協(xié)調(diào)控制策略.上述成果有益于提升新能源的調(diào)頻性能.2016年西北電網(wǎng)開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的快速頻率響應(yīng)測(cè)試,驗(yàn)證了新能源參與調(diào)頻的技術(shù)可行性[10–12].國(guó)家能源局西北監(jiān)管局分別于2016年和2018年下發(fā)《國(guó)家能源局西北監(jiān)管局關(guān)于推進(jìn)西北電網(wǎng)新能源場(chǎng)站快速頻率響應(yīng)工作的通知》(西北能監(jiān)市場(chǎng)[2016]43號(hào))[13]和《國(guó)家能源局西北監(jiān)管局關(guān)于開(kāi)展西北電網(wǎng)新能源場(chǎng)站快速頻率響應(yīng)功能推廣應(yīng)用工作的批復(fù)》(西北監(jiān)能市場(chǎng)[2018]41號(hào))[14],在西北全域推廣新能源快速頻率響應(yīng)試點(diǎn)應(yīng)用.

當(dāng)新能源發(fā)電容量占比較高時(shí),有必要將新能源納入系統(tǒng)調(diào)頻體系,電網(wǎng)制定運(yùn)行方式和調(diào)控決策時(shí)需考慮新能源的調(diào)頻性能.對(duì)于常規(guī)機(jī)組的一次調(diào)頻參數(shù)及其對(duì)電網(wǎng)的影響已有相對(duì)成熟的研究[15].新能源電站的頻率響應(yīng)性能可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取電站在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下具備的理想的快速頻率響應(yīng)能力;控制增益則由電網(wǎng)實(shí)際需求根據(jù)系統(tǒng)頻率控制的需求設(shè)定.

常規(guī)機(jī)組調(diào)頻期間的功率是根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率[15]進(jìn)行分配的.新能源電站的頻率響應(yīng)的執(zhí)行單元是風(fēng)電機(jī)組或光伏發(fā)電單元,單體容量小且數(shù)量眾多,需考慮電站內(nèi)部不同執(zhí)行單元之間的分?jǐn)偧皡f(xié)調(diào)問(wèn)題.實(shí)際運(yùn)行時(shí)新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)多變,天氣條件變化[16]等多種因素影響,電站的實(shí)際調(diào)頻能力會(huì)隨之發(fā)生變化.

與常規(guī)機(jī)組相比,新能源電站出力受天氣、地理位置等因素影響,不同地區(qū)新能源電站出力差異性大,同一個(gè)新能源電站也可能出現(xiàn)不同發(fā)電單元出力不一致的情況.此外,由于新能源場(chǎng)站運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較差,新能源發(fā)電單元啟/停狀態(tài)變化頻率遠(yuǎn)高于常規(guī)機(jī)組.在上述運(yùn)行條件下,新能源場(chǎng)站有功出力受限,然而系統(tǒng)對(duì)于新能源電站的調(diào)差率是預(yù)設(shè)的,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率波動(dòng)時(shí),單一控制參數(shù)下新能源電站無(wú)法保證調(diào)頻量滿足系統(tǒng)需求.對(duì)于電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行來(lái)說(shuō),準(zhǔn)確掌握新能源電站的實(shí)際調(diào)頻能力有利于更加合理的制定和修正運(yùn)行方式和調(diào)控決策,這就需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)新能源電站調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行修正并及時(shí)反饋修正結(jié)果.

本文以新能源發(fā)電作為主要研究對(duì)象,提出一種測(cè)試和運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)修正方法,利用歷史數(shù)據(jù)校驗(yàn)新能源電站實(shí)際調(diào)頻能力作為修正電站調(diào)頻參數(shù)的依據(jù),進(jìn)而利用實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和超短期預(yù)測(cè)功率對(duì)新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行修正.采用西北電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證所提方法對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)頻的作用.

2 問(wèn)題的提出

2.1 新能源電站參與一次調(diào)頻的方式

新能源電站參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的方式有兩種:一種是由新能源機(jī)組直接響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化并提供功率支撐;另一種是新能源自動(dòng)發(fā)電控制(automation generation control,AGC)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化整定功率調(diào)節(jié)量并分配給新能源機(jī)組執(zhí)行.上述兩種實(shí)現(xiàn)方式的技術(shù)可行性在2016年上半年西北電力系統(tǒng)頻率特性試驗(yàn)中均得到驗(yàn)證.

2.1.1 新能源電站參與一次調(diào)頻的方式

新能源機(jī)組調(diào)頻方式示意圖見(jiàn)圖1.新能源機(jī)組實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)頻率f,計(jì)算頻率偏差?f,若?f超出調(diào)頻控制死區(qū),按預(yù)先設(shè)定的調(diào)頻控制增益確定有功功率調(diào)節(jié)量?P,將其疊加到當(dāng)前有功參考值Pref得到有功功率控制目標(biāo)再由新能源機(jī)組實(shí)現(xiàn)控制.

圖1 新能源機(jī)組調(diào)頻控制Fig.1 Frequency regulation by renewable energy power unit

圖中:S為標(biāo)準(zhǔn)條件下的太陽(yáng)輻照度,T為環(huán)境溫度,σ為調(diào)頻備用系數(shù),Pref為頻率參考值,Pmax和Pmin分別為新能源機(jī)組可輸出的最大和最小有功功率.

2.1.2 新能源電站一次調(diào)頻性能參數(shù)的影響因素

新能源場(chǎng)站級(jí)調(diào)頻控制架構(gòu)如圖2所示,電站一次調(diào)頻性能受以下因素影響:

圖2 場(chǎng)站級(jí)調(diào)頻控制架構(gòu)Fig.2 Structure of frequency regulation for renewable energy generation station

1) 可用發(fā)電功率,與風(fēng)速/太陽(yáng)輻照度和機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量相關(guān),直接決定了新能源電站的調(diào)頻容量,為使新能源電站具備上調(diào)能力,可令新能源發(fā)電單元/新能源電站在可用發(fā)電功率基礎(chǔ)上按一定比例降功率運(yùn)行.可用發(fā)電功率越大,則新能源電站的調(diào)頻容量越大,反之亦然.

2) 調(diào)頻控制增益,決定了新能源發(fā)電單元/新能源電站在系統(tǒng)頻率變化時(shí)實(shí)際提供的調(diào)頻容量,也會(huì)影響新能源電站的調(diào)頻性能.

3) 機(jī)組調(diào)節(jié)性能,決定了新能源機(jī)組響應(yīng)頻率變化和執(zhí)行調(diào)頻指令的性能.

4) 新能源電站AGC控制性能,決定了場(chǎng)站調(diào)頻方式下頻率指令下發(fā)周期.

上述因素中,機(jī)組調(diào)節(jié)性能和新能源電站AGC控制性能均可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)確掌握,且在軟硬件不發(fā)生變化的情況下通常不會(huì)發(fā)生改變;影響可用發(fā)電功率的太陽(yáng)輻照度由資源確定.故只有調(diào)頻控制增益會(huì)由于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的差異和變化,與設(shè)定值發(fā)生偏差.

2.1.3 解決思路

電網(wǎng)運(yùn)行方式和調(diào)控策略均為在已知邊界條件下針對(duì)某一特定時(shí)間區(qū)間的預(yù)決策,實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)邊界條件和各元件運(yùn)行狀態(tài)的變化做滾動(dòng)調(diào)整和修正.故新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)的確定也需與電網(wǎng)運(yùn)行體系相適應(yīng),其思路如圖3所示.

圖3 一次調(diào)頻參數(shù)修正框架Fig.3 Parameter revising for primary frequency regulation

AGC根據(jù)新能源電站的短期功率預(yù)測(cè)和新能源電站調(diào)頻測(cè)試性能整定全網(wǎng)調(diào)頻容量及調(diào)頻系數(shù),并分配下發(fā)給參與調(diào)頻的新能源電站.新能源電站接收到相關(guān)指令后,根據(jù)具體的調(diào)頻方式和測(cè)試性能參數(shù)確定電站內(nèi)各臺(tái)機(jī)組的初始分?jǐn)傁禂?shù),并以此為當(dāng)前控制周期的控制依據(jù).實(shí)際運(yùn)行時(shí),新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)修正與電網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度的時(shí)間周期相匹配,每個(gè)調(diào)度周期根據(jù)超短期預(yù)測(cè)功率的變化和機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)修正一次調(diào)頻參數(shù)作為下一個(gè)控制周期的控制依據(jù).

3 新能源電站一次調(diào)頻初始參數(shù)

新能源電站頻率響應(yīng)測(cè)試通過(guò)在控制系統(tǒng)出口施加頻率擾動(dòng)信號(hào),觀測(cè)并記錄新能源電站整體頻率響應(yīng)數(shù)據(jù),利用測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到上升時(shí)間tu、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts等關(guān)鍵性能指標(biāo).

結(jié)合近年試點(diǎn)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),目前普遍通過(guò)場(chǎng)站級(jí)功率控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻[8],后續(xù)主要針對(duì)該控制方式進(jìn)行討論.按照自動(dòng)控制原理[17]的定義,可以提取如圖4所示的新能源機(jī)組和場(chǎng)站控制系統(tǒng)的控制參數(shù)(需說(shuō)明的是,新能源電站的具體調(diào)頻策略并非完全一致,本文僅以圖4為例對(duì)方法進(jìn)行說(shuō)明).

圖4 新能源電站一次調(diào)頻控制等效框圖Fig.4 Equivalent block of primary frequency for renewable energy power generation

圖4 中,G0(s)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)傳遞函數(shù),Gdz(s)和Gnb(s)分別為電站層和機(jī)組層的傳遞函數(shù).采用文獻(xiàn)[7]的定義,

其中:H為電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù),D為阻尼系數(shù),T1為電站控制系統(tǒng)下發(fā)指令時(shí)間,T2為機(jī)組執(zhí)行時(shí)間.由圖4得到新能源電站調(diào)頻控制模型的閉環(huán)特征方程為

由于新能源電站頻率響應(yīng)測(cè)試通過(guò)在控制系統(tǒng)出口施加頻率擾動(dòng)信號(hào)并由新能源電站進(jìn)行響應(yīng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán),故在利用測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行一次調(diào)頻初始參數(shù)識(shí)別時(shí)圖4中的G0(s)實(shí)際就是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié),可表示為

進(jìn)而可得到

設(shè)T0T1=a,T0+T1=b,則式(4)可寫為

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到的新能源電站調(diào)頻性能指標(biāo),可以得到調(diào)頻控制的增益K、阻尼振蕩頻率ωd和自然頻率ωn,則有如下關(guān)系:

新能源電站接收到AGC下發(fā)的調(diào)頻備用系數(shù)R和調(diào)頻控制增益K后通常會(huì)制定分?jǐn)偛呗圆⑾蛐履茉礄C(jī)組下發(fā)指令.設(shè)新能源機(jī)組的初始調(diào)頻性能和運(yùn)行狀態(tài)一致,若新能源電站內(nèi)的機(jī)組數(shù)量為N,則每臺(tái)機(jī)組的初始分?jǐn)偪刂圃鲆鍷i為

4 新能源電站一次調(diào)頻修正參數(shù)

實(shí)際運(yùn)行時(shí),新能源機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)多變會(huì)引起功率不平衡[9],需考慮機(jī)組在運(yùn)行數(shù)量、可用發(fā)電功率和實(shí)際調(diào)節(jié)性能方面的差異對(duì)新能源電站一次調(diào)頻的分?jǐn)傁禂?shù)進(jìn)行修正.在考慮新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)修正時(shí),進(jìn)一步將圖4細(xì)化為圖5.

圖5 新能源電站一次調(diào)頻分?jǐn)偸疽釬ig.5 Allocation of primary frequency for renewable energy power generation

由圖4得到新能源電站調(diào)頻控制模型的閉環(huán)特征方程為

如果考慮各機(jī)組的執(zhí)行時(shí)間沒(méi)有差異,則式(10)可改寫為

為了使新能源電站的一次調(diào)頻性能與初始給定一致,對(duì)比式(4)和式(11)可知需保持各機(jī)組分?jǐn)偪刂圃鲆嬷团cK相等.由于各機(jī)組出力狀態(tài)的差異,機(jī)組控制增益分?jǐn)倳r(shí)還需考慮各機(jī)組的可調(diào)容量.可調(diào)容量大的機(jī)組分?jǐn)偪刂圃鲆娲?可調(diào)容量小的機(jī)組分?jǐn)偪刂圃鲆嫘?

設(shè)分?jǐn)倕?shù)修正時(shí)在運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)為n,每臺(tái)機(jī)組的可調(diào)節(jié)容量?Pi,則修正后每臺(tái)機(jī)組的控制增益Ki為

若所有機(jī)組的可調(diào)節(jié)容量之和無(wú)法滿足系統(tǒng)要求,則修正新能源電站的控制增益,并將修正后的調(diào)頻性能參數(shù)反饋給AGC.修正后的控制增益K′為

式中PN為電站額定裝機(jī)容量.

將控制增益K′替換式(5)的K,可以計(jì)算得到修正后的新能源電站一次調(diào)頻上升時(shí)間tu、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts等關(guān)鍵性能指標(biāo).

5 算例分析

5.1 算例概述

以西北某地區(qū)含高比例新能源的局部電網(wǎng)為基礎(chǔ)并做適當(dāng)簡(jiǎn)化,進(jìn)行算例設(shè)計(jì).該局部電網(wǎng)中總裝機(jī)容量3690 MW,其中,風(fēng)電裝機(jī)容量1100 MW,光伏裝機(jī)容量900 MW,水電裝機(jī)容量480 MW,火電裝機(jī)容量1220 MW.一次調(diào)頻備用容量369 MW,具體配置如表1所示.

表1 一次調(diào)頻備用初始容量Table 1 Initial reserve capacity for primary frequency modulation

基于上述算例系統(tǒng),進(jìn)行對(duì)比分析,包括兩部分:參數(shù)修正對(duì)新能源電站調(diào)頻特性的影響分析和參數(shù)修正對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響分析.分析參數(shù)修正對(duì)新能源電站調(diào)頻特性的影響時(shí),分別選取設(shè)置新能源電站的調(diào)頻目標(biāo),通過(guò)改變不同時(shí)刻新能源機(jī)組狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證新能源電站調(diào)頻參數(shù)修正的效果;分析參數(shù)修正對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響時(shí),通過(guò)設(shè)置故障產(chǎn)生頻率擾動(dòng),驗(yàn)證新能源電站調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響.

5.2 參數(shù)修正對(duì)新能源電站調(diào)頻特性的影響

以光伏發(fā)電站為例,說(shuō)明參數(shù)修正對(duì)新能源電站調(diào)頻特性的影響.

選取某裝機(jī)容量為20 MW的光伏電站,由10臺(tái)單機(jī)容量為2.15 MW的逆變器組成,設(shè)初始時(shí)段所有逆變器均正常運(yùn)行,不同時(shí)段每臺(tái)光伏逆變器的可調(diào)節(jié)容量均為0.5 MW.采用文獻(xiàn)[11]給出的光伏電站實(shí)測(cè)分析結(jié)果,經(jīng)分析可知該光伏電站的上升時(shí)間tu、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts等關(guān)鍵性能指標(biāo),如表2所示.

表2 光伏電站頻率響應(yīng)的測(cè)試性能指標(biāo)Table 2 Performance indices of primary frequency response for PV plant by testing

按式(8)計(jì)算得到光伏電站頻率響應(yīng)的控制增益為28.4,設(shè)各臺(tái)逆變器的初始調(diào)頻性能參數(shù)、可調(diào)節(jié)容量和運(yùn)行狀態(tài)均一致,則每臺(tái)逆變器的控制增益為2.84.

若不對(duì)調(diào)頻增益進(jìn)行修正,時(shí)段2和時(shí)段3的光伏電站的控制增益分別為22.7和17,對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)性能指標(biāo)如表3所示.可見(jiàn)由于控制增益減小,上升時(shí)間和峰值時(shí)間增加.

表3 未經(jīng)修正的光伏電站頻率響應(yīng)性能指標(biāo)Table 3 Performance indices of primary frequency response for PV plant without revising

按第4節(jié)方法計(jì)算,修正得到時(shí)段2和時(shí)段3的各臺(tái)逆變器的調(diào)頻控制增益如表4所示.

表4 修正后的光伏電站頻率響應(yīng)性能指標(biāo)Table 4 Performance indices of primary frequency response for PV plant by revising

修正調(diào)頻增益后,光伏電站在時(shí)段2和時(shí)段3的控制性能指標(biāo)如表4所示,控制性能與時(shí)段1保持一致,僅調(diào)節(jié)容量受限.

對(duì)比分析可見(jiàn),修正前后光伏電站的頻率響應(yīng)性能存在顯著差異,動(dòng)態(tài)修正一次調(diào)頻參數(shù)有利于系統(tǒng)更加穩(wěn)定運(yùn)行.

表5 修正后的光伏電站頻率響應(yīng)性能指標(biāo)Table 5 Revised primary frequency control gain of inverters

5.3 參數(shù)修正對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響

設(shè)置系統(tǒng)故障產(chǎn)生功率冗余2630 MW,使電網(wǎng)頻率抬升,并按前述方法對(duì)新能源電站調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正,對(duì)比修正前后系統(tǒng)頻率特性差異.

仿真過(guò)程中,設(shè)新能源電站初始有功功率均為0.8(p.u.),均有20%的新能源逆變器在進(jìn)行檢修.某光伏電站的有功曲線如圖6所示,系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線如圖7所示.

由圖6可知,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí),經(jīng)調(diào)頻參數(shù)修正,新能源電站具有更好的調(diào)節(jié)性能,能夠快速向系統(tǒng)提供有功支撐.

圖6 光伏電站一次調(diào)頻響應(yīng)對(duì)比Fig.6 Comparison of primary frequency response for PV plant

由圖7可知,對(duì)新能源電站一次調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正可以有效改善系新能源電站的頻率響應(yīng)特性和系統(tǒng)頻率特性.新能源電站調(diào)頻參數(shù)修正前后,系統(tǒng)最大頻率偏移分別達(dá)到51.5 Hz和51.2 Hz,參數(shù)修正后最大頻率偏移下降0.3 Hz;系統(tǒng)頻率穩(wěn)定得到提升,參數(shù)修正后,系統(tǒng)頻率約22 s即恢復(fù)穩(wěn)定.

圖7 系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of system frequency response

6 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源發(fā)電并網(wǎng)滲透率的不斷提升,電網(wǎng)調(diào)頻電源在不斷被壓縮,進(jìn)而需要新能源發(fā)電等新能源發(fā)電參與系統(tǒng)調(diào)頻.然而與常規(guī)調(diào)頻機(jī)組不同,新能源電站包含數(shù)十上百個(gè)并網(wǎng)單元,不同的運(yùn)行工況特性差異較大,很難實(shí)現(xiàn)單一控制參數(shù)滿足系統(tǒng)一次調(diào)頻需求,因此需要結(jié)合新能源電站的運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)矯正一次調(diào)頻控制參數(shù).本文提出了基于一次調(diào)頻控制的閉環(huán)控制的調(diào)頻量分?jǐn)傁禂?shù)動(dòng)態(tài)矯正方法,可有效避免由于新能源電站運(yùn)行特性差異造成的調(diào)頻量缺失,從而可以有效支撐系統(tǒng)頻率控制.