電網友好型風電場有功功率主動支撐技術研究

丁 亮

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

0 引 言

風電是一種間歇性、波動性電源，風速的變化、湍流以及風力機尾流都會引起風力發電功率的波動和風電機組的頻繁啟停。隨著風電裝機容量的增加，對電網穩定性和安全性的影響也越來越顯著，風電場接入對調度的影響已經成為電網企業亟需解決的問題。因此，開展風電場電網主動支撐技術研究工作，減小風電場接入電網對電網運行的不利影響，是建設電網友好型風電場的必然要求[1,2]。

傳統風電場的有功功率控制主要是風電場接收電網AGC系統下發的控制指令。風電場能量管理系統通過AGC下發的控制指令對風電場的風電機組進行有功功率調節，這種控制方式屬于電力系統二次調頻，即風電場有功出力被電網調度實時控制，也不具備一次調頻的功能[3]。但是，隨著新能源并網容量的增多，傳統同步發電機電源容量被新能源擠占，導致電力系統一次調頻的能力降低，嚴重影響了電網頻率安全[4]。

風電場電網主動支撐技術主要依托電網對風電場一次調頻和控制有功變化率的技術要求，根據風電場頻率有功下垂曲線和有功功率變化率曲線設置控制邏輯，實現在風電場出口側頻率和有功功率波動超出一定范圍時，風電場能夠主動調節有功負荷，主動支撐電網頻率穩定運行[5,6]。

本文圍繞風電場電網主動支撐技術，以風電場有功功率變化率控制和頻率響應調節控制為研究對象，主要解決未來大型風電場接入電網面臨的問題。

1 電網發展對風電場調度控制的新要求

1.1 有功功率變化率控制

根據《風電場接入電力系統技術規定》，風電場有功功率變化包括1 min有功功率變化和10 min有功功率變化。在風電場并網以及風速增長過程中，風電場有功功率變化應當滿足電力系統安全穩定運行的要求，其限值應根據所接入電力系統的頻率調節特性，由電力系統調度機構確定。能量管理系統基于風電機組有功變化率的控制技術，研究風電機組的功率輸出變化同風電場功率輸出變化的關聯以及超短期風功率預測技術的整合，以提高風電場功率變化趨勢判斷的精準度。

1.2 頻率響應調節控制

電網頻率波動會嚴重影響電網中設備的安全穩定運行。當電網發生頻率波動時，風電場主動調整自身有功輸出，參與頻率調節的技術成為風電場頻率響應調節控制技術，又叫風電一次調頻[7,8]。當系統頻率下降時，風電機組應根據指令快速增加有功輸出；當系統頻率上升時，風電機組應根據指令快速減少有功輸出。

2 風電主動支撐技術關鍵技術及研究方案

2.1 有功功率變化率控制

獲取風電場的總裝機容量和風電機組的SCADA數據，并設置不同參數對風電機組優先級的影響權重。對并網的風電機組進行優先級排序，以過去1 min和10 min功率變化率對優先級的影響權重最高，預測風電場未來1 min和10 min的功率變化值，然后判斷預測的功率變化值是否達到預設的報警閾值。按風電機組的優先級調節風電機組的功率變化率，直至整個風電場1 min和10 min功率變化值低于報警閾值為止。

風電場有功功率變化率的智能控制方法不僅能夠控制有功功率輸出爬坡過程中的功率變化率，而且能夠控制有功功率輸出下探過程中的功率變化率。根據SCADA數據對風電機組進行排序，并預測功率變化率，精度較高。通過多步長同步反饋技術控制各風電機組實現對整個風電場功率變化率的優化控制，提高了調節精度和調節效率，并最大限度保證業主發電量[9,10]。

2.2 頻率響應調節

在風電場參與一次調頻時，首先需要實時采集電網頻率。采集電網頻率分為兩種方式，一種是風力發電機組直接采集集電線路的頻率，另一種是直接采集風電場主變壓器出口端的實時頻率。對比這兩種方式，第一種方式具有改造簡潔和成本低等優點，但是存在測量電網頻率不精準的缺點。由于風電場內的集電線路屬于弱電網，頻率受實時功率的突變影響較大，存在場內負荷突變引起的頻率劇烈波動，從而會造成風電場一次調頻的誤動作。第二種采集主變實時頻率更能夠真實反映實時電網頻率，大電網的有功平衡能力更平穩，而且電網公司對一次調頻最終的考核點也是風電場主變出口側。綜上所述，采用第二種方案直接采集風電場主變壓器出口側的電網頻率。

能量管理系統實時采集風電場主變壓器高壓側的電網頻率，然后判斷頻率是否超出了電網公司規定的頻率死區范圍。如果沒有超出死區，則會一直重復檢測電網實時頻率。如果電網頻率超出了死區范圍，那么能量管理系統控制模塊會根據全場實時功率、電網頻率以及相對額定功率變化率計算出全場功率變化量和功率疊加量，然后通過功率分配器計算出風電場內參與一次調頻的風力發電機組需要調節的功率目標值。通過類似于通信總線的方式快速下發給各個風力發電機組，機組接收到指令后，快速調節升降功率，從而達到全場功率的快速變化要求，完成電網一次調頻任務。

3 測試數據分析

3.1 風電有功變化率測試

青海格爾木風電場于2017年完成能量管理系統升級工作，部署有功功率變化率控制功能，并詳細記錄了風電場在更新變化率程序后有功功率控制情況。為了更直觀地展示控制有功功率變化率的效果，選取了其中一段數據繪制了如圖1所示的測試圖。

圖1 風電場有功功率變化率功能測試圖

3.2 風電一次調頻測試

新疆阿拉山口風電場進行測試，共33臺1 550 kW機組，全場額定容量51 150 kW。能量管理系統場級控制器通過核心交換機接入風電集群光纖環網，使用毫秒級高速通信協議與風電機組主控系統通信。測試時，風電場內33臺機組全部參與，風速為7～9 m/s。

通過能量管理系統上位機讀取測試用的電網頻率文件模擬實際頻率變化，頻率文件包括頻率階躍擾動0.2 Hz、頻率階躍擾動0.18 Hz、頻率階躍擾動0.15 Hz、頻率階躍擾動0.13 Hz、頻率階躍擾動-0.20 Hz、頻率階躍擾動-0.18 Hz、頻率階躍擾動-0.15 Hz以及頻率階躍擾動-0.13 Hz共8個，數據采集通過上位機LUA程序直接輸出快速頻率響應動作數據文件，測試數據如表1所示。按照西北電網的新能源場站快速頻率響應參數設置方案，調頻死區設置為0.1 Hz，快速頻率響應限幅為額定容量的10%，即5 115 kW，調差率為2%。此次調節為本地模擬測試，快速頻率響應的控制目標為有功實際值與快速頻率響應調節量的代數和。

表1 測試數據

通過測試數據制作，得到以下分析結果。一是滯后時間遠遠優于電網標準的2 s；二是90%響應時間遠遠優于電網標準的12 s；三是由于高頻擾動功率向下調節時不存在超出額定容量1%的超調，故調節時間等于響應時間。按照西北電網規定的快速調頻響應不低于額定容量的10%限幅，在規定的0.1 Hz調頻死區和2%的調差率下，根據有功-頻率下垂特性函數計算，±0.2 Hz的頻率波動所需的調節目標變化量為額定容量的10%，已達到限幅指標，屬于調頻的極值情況，通過數據可以發現調節時間遠遠優于電網標準的15 s；四是調節控制偏差率遠遠優于電網標準的2%。

4 結 論

本文研究了限制風電場有功功率變化率的有關技術，將其應用至能量管理系統形成了成熟可靠的控制功能，并在風電場驗證了功能的有效性。一次調頻測試結果滿足最新的西北電網新能源場站快速頻率響應技術指標，且性能測試結果遠遠優于此技術指標。此外，本次測試采用的場級控制器可以實現20 ms周期的通信和數據存儲，提高了能量管理系統一次調頻功能的整體性能，生成的20 ms周期的調頻數據也為后期的數據分析提供了更準確和詳細的數據基礎。