朱建軍，楊彥波

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001； 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

隨著電力技術的飛速發(fā)展，新能源裝機規(guī)模不斷擴大。截至2017年底，寧夏電網(wǎng)新能源裝機達到1 596.6萬kW，占全網(wǎng)總裝機容量的40.45%。新能源滲透率的不斷升高對電網(wǎng)頻率安全帶來新的挑戰(zhàn)[1-3]，主要體現(xiàn)在尚不具備參與電網(wǎng)頻率調節(jié)的能力，因此隨著其出力占比的增高，不斷擠占具有轉動慣量的常規(guī)能源機組出力空間[4]，導致電網(wǎng)調頻裕量不足，寧夏電網(wǎng)頻率擾動抑制能力持續(xù)下降；同時，地處西北大送端電網(wǎng)，隨著特高壓直流外送工程的大量投產，系統(tǒng)有功平衡及調頻難度不斷加大[5]，直流大功率閉鎖對電網(wǎng)頻率安全造成了嚴重威脅[6-8]。僅2016—2017年，就發(fā)生了6次超過0.1 Hz的大頻差擾動事件，電網(wǎng)安全運行形勢異常嚴峻；因此，亟需開展新能源電站快速頻率響應研究，加快并網(wǎng)新能源場站快速頻率響應功能推廣應用，從源頭提升寧夏電網(wǎng)本質安全能力。

2017年初，國家電網(wǎng)西北分中心牽頭組織西北五省開展新能源電站快速頻率響應研究工作。寧夏電網(wǎng)選取了3座直調新能源場站(2座風電場、1座光伏電站)作為試點研究對象。通過參照常規(guī)水、火電機組一次調頻實現(xiàn)方式，重點研究了試點場站單機、匯集線有功功率在不同調頻參數(shù)配置下的響應性能；充分考慮了寧夏電網(wǎng)日常運行過程中頻率波動情況、光伏逆變器和風機槳葉連續(xù)變化調節(jié)的能力，并結合掛網(wǎng)實際運行測試效果，制定出了新能源場站快速頻率響應參數(shù)配置方案，西北電網(wǎng)全網(wǎng)試驗驗證了該方案的可行性。截至2020年9月，該方案作為參考已經指導寧夏電網(wǎng)第1批次50余座新能源場站完成快速頻率響應功能改造并投入實際運行。

1 新能源場站快頻試點研究情況

1.1 快速頻率響應原理

參照常規(guī)水、火電機組一次調頻[9]實現(xiàn)策略，試點場站頻率-有功下垂曲線如圖1所示。fmax為頻率響應最大值，fmin為頻率響應最小值，DB+為頻率正向死區(qū)，DB-為頻率負向死區(qū)，ep為調差率，PL-為有功負向限幅值，PL+為有功正向限幅值，PE為場站容量。

圖1 新能源場站頻率-有功下垂特性曲線

新能源場站按照式(1)進行頻率-有功調節(jié):

1.2 試點場站情況簡介

選擇寧夏電網(wǎng)直調風電場A，B和光伏電站A三座新能源場站為試點，試點裝機容量526 MW，如表1所示。由場站能量管理平臺直接導入試驗數(shù)據(jù)文件，采集主變35 kV側匯集線、單臺風機、單臺逆變器PT、CT信號進行數(shù)據(jù)分析。

表1 試點新能源場站信息

對比常規(guī)火電機組一次調頻實現(xiàn)方式及參數(shù)設置，考慮新能源場站自動發(fā)電控制負荷調節(jié)速率優(yōu)于火電機組，設置多組調頻參數(shù)配置進行試點研究，如表2所示。

表2 試點場站調頻參數(shù)配置

1.3 試點場站響應特性分析

1.3.1 光伏電站頻率響應特性

試點光伏電站頻率響應特性如圖2—圖3所示，不考慮實際運行中電網(wǎng)頻率采集時延，光伏電站在不同頻率參數(shù)配置下，頻率階躍變化超出設置死區(qū)后，負荷響應滯后時間在0.1～1.5 s，到達理論動作量90%的時間均小于3 s，且均能在5 s內達到穩(wěn)定。

圖2 光伏電站頻率階躍試驗響應曲線

通過多次導入銀—東直流閉鎖無尖峰頻率數(shù)據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，動態(tài)頻率變化過程中，負荷響應滯后時間小于2 s，3 s以內能夠響應頻率峰值。

圖3 光伏電站模擬實際網(wǎng)頻擾動試驗響應曲線

1.3.2 風電場頻率響應特性

試點風電場頻率響應特性如圖4—圖5所示，不考慮實際運行中電網(wǎng)頻率采集時延，風電場在不同頻率參數(shù)配置下，頻率階躍變化超出設置死區(qū)后，負荷響應滯后時間在0.6～1.8 s，到達理論動作量90%的時間均小于8 s，且均能在12 s內達到穩(wěn)定。

圖4 風電場頻率階躍試驗響應曲線

圖5 風電場模擬實際網(wǎng)頻擾動試驗響應曲線

通過多次導入拉西瓦水電機組打跳試驗電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，動態(tài)頻率變化激勵過程中，負荷響應滯后時間小于2 s，6 s以內能夠響應頻率峰值。

1.4 試點場站掛網(wǎng)實測

2017年7月—8月，寧夏電網(wǎng)組織3座試點新能源場站開展快速頻率響應性能掛網(wǎng)實測。參數(shù)按照死區(qū)±0.06 Hz、調差率2%、最大限幅10%設置。

如圖6—圖8所示，掛網(wǎng)實測分析顯示，掛網(wǎng)運行期間寧夏電網(wǎng)單日頻率超過0.06 Hz，次數(shù)為1～4次，且調差率2%、最大限制10%參數(shù)配置，能夠滿足場站調頻需要。

圖6 試點光伏電站月度調頻動作情況

圖7 試點風電場月度調頻動作情況

圖8 試點場站掛網(wǎng)實測響應典型曲線

2 快頻參數(shù)配置

(1)調頻死區(qū)設置0.06 Hz。

經統(tǒng)計，寧夏電網(wǎng)每日頻率波動超出0.06 Hz為3～5次，超出0.05 Hz達80余次，為避免光伏逆變器、風機槳葉控制系統(tǒng)頻繁調節(jié)造成磨損，設定值不宜過小。

(2)調差率2%～3%。

基于調頻死區(qū)、調頻限幅的設置情況，確保電網(wǎng)最大頻率偏差在0.15～0.2 Hz之間時新能源場站調頻目標達到最大限幅。

(3)調頻限幅10%。

風電限幅10%考慮夜間光伏停發(fā)，風電定位為常規(guī)水、火電機組調頻能量補充；光伏電站考慮10%釋放能量能夠滿足大功率擾動有功缺額，且大部分新能源場站控制策略設計出力低于10%會出現(xiàn)風機或逆變器停運現(xiàn)象。

3 西北全網(wǎng)試驗響應結果

2017年11月，西北電網(wǎng)組織開展全網(wǎng)一次調頻試驗，通過拉西瓦水電廠水電機組快速增減出力，產生網(wǎng)頻擾動，寧夏電網(wǎng)試點新能源電站按照本文提出的參數(shù)配置方案設置，參與電網(wǎng)頻率擾動試驗，如圖9所示。

圖9 試點場站全網(wǎng)試驗響應典型曲線

分析發(fā)現(xiàn)：所有參試場站均能夠快速、準確響應電網(wǎng)頻率變化，動作方向正確，積分電量貢獻指數(shù)、出力響應指數(shù)[10]均大于60%；風機、逆變器運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況，調節(jié)性能優(yōu)于同等容量的火電機組，與水電機組相當，能夠為電網(wǎng)頻率調節(jié)提供有效支撐。

4 結 論

(1)試點新能源電站經快速頻率響應功能改造，具有參與電網(wǎng)頻率調節(jié)的能力。試點新能源電站快速頻率響應死區(qū)設置0.06 Hz、調差率2%～3%、調頻限幅10%，既可以滿足調頻需求，又可避免風機槳葉、光伏逆變器頻繁調節(jié)，減小設備損害。

(2)通過試點研究，發(fā)現(xiàn)同等容量的新能源電站調頻性能優(yōu)于火電機組，與水電機組相當?？勺鳛殡娋W(wǎng)調頻的重要補充，在電網(wǎng)發(fā)生大頻差擾動時，充分發(fā)揮快速調頻優(yōu)勢，為常規(guī)能源機組調頻動作爭取時間。