新能源快速頻率響應在新能源場站的應用方案研究及工程實踐

張 軍，王瑾然，章葉青

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

2020年的聯合國大會上，習近平主席首次提出了碳達峰和碳中和的概念，明確中國將努力爭取在2060年前實現碳中和［1-3］。同時，得益于我國人工智能、互聯網+等技術的不斷進步，以風電和光伏為代表的新能源產業進入了一個新的發展階段［4-5］。風電、光伏等新能源場站在我國電網占比和并網容量比例的不斷提高［6-8］，將有助于推動我國供給側能源改革和建立多元化的能源供應體系，最終實現碳中和的遠景目標。

然而，在我國新能源占比較高的地區，如西北五省和西南地區，可再生能源并網容量的不斷提高導致了常規火電等傳統發電廠并網容量比例減少［9-10］，電網可用快速頻率響應資源降低，電網的頻率控制特性的結構性困境愈發嚴重，電網抵抗嚴重沖擊的能力不足。因此，推進新能源場站參與電網快速頻率響應、實現高精度和高速度的頻率控制響應具有十分重要的工程意義和實踐價值［11-13］。

目前，新能源場站基本配置了自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）系統以對電力系統進行二次調頻，可實現有功功率的分鐘級調節［14-16］。然而，從2018年開始，國家能源局先后發文，同意在國家電網有限公司西北分部進行新能源場站快速頻率響應的試點工作，要求新能源場站調頻的快速響應功能時間低于2 s，且達到90%調節量的響應時間要求不超過5 s［11］。但現有的AGC 控制系統實時計算的能力欠佳，通訊協議往往采用較長時耗的TCP/IP 協議，通訊環節冗長，僅在周期性較長的二次調頻中適用，無法實現當前低時限的啟動和調節要求［17］。

針對上述問題，目前已有部分工程通過改造傳統的AGC系統來應對新能源場站的快速頻率響應需求。文獻［12］提出了通過在既有的AGC 系統中增加控制單元來實現快速頻率響應功能，且無需對有功控制單元進行改造。文獻［18］探討了AGC 系統參與一次調頻的配合矛盾和可行性。文獻［19］則以一個AGC 調節的具體案例，探討了通過改造傳統AGC的控制策略實現快速頻率響應的合理性和可操作性。文獻［20］通過改進AGC的控制模式，分析了一次調頻與AGC系統的協同控制策略。然而，以上研究需要對常規AGC系統進行整體優化和改造，要打破固有的設備模型和網絡通信構架，工程實施難度極大，且對AGC 廠家和相關研發人員依賴性較強，改造升級的成本高。

此外，部分新能源場站還會采用對光伏逆變器和風機能量管理平臺進行軟硬件升級改造的方式來實現快速頻率響應［21-23］。然而，受到目前逆變器自身的限制，其測頻精度和頻率采樣周期等都無法滿足頻率響應的時間要求，且并網點調頻一致性的問題難以解決。同時，文獻［24］-文獻［26］還提出了利用儲能參與一次調頻以實現新能源場站的快速頻率響應，但是由于需新建儲能設施，該方案的成本較高且施工難度大。文獻［27］-文獻［28］還提出了通過改變機組的旋轉容量來瞬時增加機組對電網輸出功率的能力，以滿足電網一次調頻要求，然而對電網的安全穩定運行會產生一定的風險。此外，隨著能量管理系統（Energy Management System，EMS）的不斷推廣與應用，文獻［29］和文獻［30］提出了增加智能終端或通信管理終端的方法來實現調度中心對新能源場站的功率控制，但是該方法需要新增調度到場站的專用通道，成本較高。

基于此，為了充分利用現有的AGC 功率控制系統，避免對已有AGC 系統和逆變器進行差異化改造，且進一步提高新能源的快速頻率響應效果，滿足電網對新能源場站更高的控制響應性能需求，可以通過增加專用的嵌入式調頻裝置，即新能源快速功率控制裝置來實現。該裝置可以作為一次調頻的有效手段，配合既有的AGC系統實現電網快速頻率響應。

本文將基于南京南瑞繼保電氣有限公司（以下簡稱“南瑞繼?！保┭邪l的新能源快速功率控制裝置，闡述和分析幾種典型新能源場站的快速頻率響應實現方案，以證明通過新增新能源快速功率控制裝置，與現有的AGC系統相配合，來實現新能源快速頻率響應。

1 新能源快速頻率響應的參數和性能指標

新能源頻率f與有功功率P的折線函數可以表示為

式（1）中，P0和PN有功功率初始值和系統額定功率，fd和fN表示快頻響應死區和系統額定頻率。δ%則表示新能源快速頻率響應的調差率。

自2018年起，國家能源局和國家電網有限公司西北五省電力公司對上述參數（如快頻響應死區fd和調差率δ%）及相關性能指標做出了要求［10］，一些重要指標如下所示。

1）響應死區fd指標

光伏場站的響應死區fd設置為±0.06 Hz，風電場則應設置為±0.1 Hz。

2）調差率δ%指標

風電場站的δ%為2%，光伏電站的δ%設置為3%。

3）快速頻率響應的性能指標

性能指標主要包括響應滯后時間、響應時間和調節時間。其中，對于風電和光伏場站，其場站的響應滯后時間均不得高于2 s，調節時間均要低于15 s。而對于響應時間，風電場不得超過12 s，光伏場站則要低于5 s。

4）調頻控制偏差指標

新能源風電場的調頻控制偏差為±2%，光伏場站則為±1%。

5）測頻精度指標

相關要求中對測頻精度作了明確的規定，即風電場和光伏場站的分辨率均不大于0.003 Hz。

6）頻率采樣周期和有功控制周期

對于風電場和光伏場站，其頻率采樣周期最大值為100 ms，有功控制周期的上限則為1 s。

7）其他要求

文件還要求，新能源場站的快速頻率響應策略應躲過單一短路故障引起的瞬時頻率突變。

2 新能源快速頻率響應的工程技術方案

本節以南瑞繼保研發的新能源快速功率控制裝置為基礎，圍繞技術指標和風電、光伏場站的不同組網方式等方面，分析新能源快速頻率響應的工程技術方案。

2.1 新能源快速功率控制裝置

針對新能源快速頻率響應的相關要求，南瑞繼保創新性地研發了PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制裝置。該裝置主要應用于新能源場站的快速功率控制。當新能源場站的頻率出現異常時，該裝置可以旁路原有的控制系統，對本場站中的光伏/風機逆變器進行直接或間接地有效控制，進而使新能源電站功率變化達到要求。

PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制裝置基于高性能的通用型硬件平臺，采用多個32位微處理器進行并行計算，具有強大的實時計算能力。同時，還支持調度主站、風機/光伏逆變器、網源在線監測和PMU 等對外接口，兼容標準103 和61850 通訊規約，適應能力強。

2.2 新能源光伏場站組網方式

基于嵌入式芯片的快速功率控制裝置PCS-9726M/S，可針對不同的應用場景進行靈活且自主可控的配置，以滿足不同類型和規模的光伏場站的一次調頻需求。根據新能源光伏場站所需控制對象數量的不同，可以分為單機模式和主從機模式進行組網。

2.2.1 光伏場站的單機組網模式

對于單出線或雙出線的中小型新能源光伏場站，只需配置一臺PCS-9726M主機，即采用快速功率控制裝置的單機組網模式。該裝置需要直采并網點的電壓和電流測量數據，并與場站內原有的AGC系統進行連閉鎖配合，如圖1所示。

圖1 光伏場站的單機組網模式Fig.1 Single-unit network mode of photovoltaic station

在單機組網模式下，PCS-9726M 對下可與逆變器利用GOOSE 網絡直接通訊，或經由通信管理機、數據采集器與逆變器進行間接通信，最終將生成的控制指令下發至對應的發電單元。需要注意的是，考慮到最佳控制效果，單臺PCS-9726M裝置的最大控制對象不超過100個。

2.2.2 光伏場站的主從機組網模式

考慮到部分地區的新能源光伏場站往往規模大、電壓等級高且需調控的光伏逆變器數量多，采用單PCS-9726M 的單機組網模式難以對規模龐大的光伏終端進行控制，因此需要采用主從機的組網模式，即使用多臺PCS-9726S 從機配合一臺PCS-9726M 主機進行組網，如圖2所示。

圖2 光伏場站的主從機組網模式Fig.2 Master-slave unit network mode of photovoltaic station

其中，快速頻率響應主機負責具體的調頻計算、控制邏輯并與AGC進行通訊，而從機則負責對下發電單元的信息收集整理和指令下發。主/從機之間采用GOOSE 通訊，能夠有效縮短通訊延時，保障大規模光伏場站的整體調節效果。

主從模機式的組網方式最多支持8 臺從機，單臺從機可控對象上限為100 個。因此，為了保證控制質量，采用該方式進行組網時，網絡中的最大控制對象數目不得超過800個，且需要根據實際情況靈活配置。

2.3 新能源風電場站組網方式

2.3.1 風電場站的單機組網模式

風電場的配置方案與光伏電站單機模式類似，主要區別在于對下的控制對象是風機的能量管理平臺，而每個能量管理平臺可控制多臺風機，因此單機模式基本能滿足目前的風電場調頻需求，如圖3所示。

圖3 風電場站的單機組網模式Fig.3 Single-unit network mode of wind station

在該模式下，快速功率控制裝置采用網絡Modbus或IEC104規約與風機能量管理平臺直接通訊，建立一對一的通信網絡，獲取風機能量管理平臺的運行信息，下發快頻控制指令。同時，裝置還會與既有的AGC系統進行通訊以獲得調度主站下發的AGC目標值，并上送閉鎖信號。

目前，新能源風電場站的單PCS-9726M的組網方式可支持單點、多點遙調，下發的指令包括快頻目標值的模擬量和快頻動作標識的狀態量兩種，最多支持同時控制8個能量管理平臺。

2.3.2 風電場站的主從機組網模式

考慮到部分地區，諸如內蒙古等地，新能源場站很多都是風光同場的形式，為此需要根據實際情況采用主從機模式的組網和控制方案，如圖4所示。

圖4 風電場站的主從機組網模式Fig.4 Master-slave unit network mode of wind station

其中主機負責與場站AGC系統進行信息交互，采集并網點的模擬量信息，并對從機下發相關指令。從機負責直接對風能量管理平臺進行控制，或通過通訊管理機連接常規的集中式逆變器。該組網方式最多支持8個從機和800個控制對象，具體的控制數量可根據實際情況方便地進行擴展。

3 新能源快速頻率響應的工程實施案例

自2018 年以來，該產品已在西北五省以及內蒙、云南、河北、浙江等地中標調頻項目近百個，具有豐富的實踐基礎和工程優勢。本小節將以兩個典型的光伏和風電場站為例，介紹不同組網模式下新能源快速頻率響應的具體工程實施案例，以驗證快速功率控制裝置的控制效果。

3.2 寧夏銀川某光伏場站

該光伏場站位于寧夏自治區銀川市，光資源豐富，具有良好的實驗和試點條件。場站全站裝機容量為650 MW，采用國產的組串式逆變器，共計400 余個光伏方陣。由于逆變器數量較多，因此需要采用主/從機的組網方式。根據現場實際情況，設置了1 臺PCS-9726M主機和6臺PCS-9726S從機。

根據入網要求，需要在各廠家逆變器的配合下，讓第三方檢測機構進行頻率階躍擾動實驗和模擬頻率實際擾動實驗。其中，在頻率階躍擾動實驗中，在指定工況下分別進行了兩次階躍上擾和階躍下擾實驗。實驗中，死區設置為±0.06 Hz，調差率為3%。實驗結果如表1所示，其中階躍擾動1為出力區間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2為出力區間大于50%Pn。

表1 頻率階躍擾動實驗結果Table 1 Frequency step disturbance experiment results

模擬頻率實際擾動實驗結果如表2 所示，其中階躍擾動1 為出力區間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2 為出力區間大于50%Pn。

表2 模擬頻率實際擾動實驗結果Table 2 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

測試結果表明，各項調節指標均優于第一節中提出的指標要求。

對于防擾動性能校驗，實驗中通過高精度頻率信號發生器模擬電網高低電壓穿越等9 組暫態過程，快速頻率響應裝置能夠正確識別，未出現快頻響應功能誤動作現象，且暫態頻率擾動過程中，場站有功出力穩定，滿足西北調控［2018］137 號文件要求。在AGC 協調試驗中，共開展8組頻率擾動幅度為50±0.2 Hz的快速頻率響應與AGC協調試驗，協調控制邏輯設計滿足電網安全運行要求。

3.2 青海共和某風電場站

該風電場位于青海省共和縣，全站風機裝機容量為200 MW，配備2 個能量管理平臺，共計100 臺風機。由于場內配置的能量管理平臺較少，因此采用了單PCS-9726M 的組網模式，死區設置為±0.1 Hz，調差率為2%。頻率階躍擾動實驗和模擬頻率實際擾動實驗結果如表3 和表4 所示，其中階躍擾動1 為出力區間20%Pn-30%Pn，階躍擾動2為出力區間大于50%Pn。

表3 頻率階躍擾動實驗結果Table 3 Frequency step disturbance experiment results

表4 模擬頻率實際擾動實驗結果Table 4 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

測試結果表明，各項調節指標均優于國內相關規范的指標要求。

實驗中還進行了防擾動性能校驗和AGC 協調性試驗。其中，防擾動性能校驗模擬電網高低電壓穿越等9 組暫態過程，檢驗新能源場站快速頻率響應功能是否會誤動作，實驗結果皆不存在頻率響應誤動作。在AGC 協調實驗中，AGC 采用本地閉環模型運行，高精度信號發生裝置作為信號發生源輸出頻率階躍上擾或下擾信號，根據AGC指令和快頻響應指令的先后次序和類型，光伏電站分別在50±0.2 Hz和50±0.09 Hz兩種擾動幅值情況下開展指令疊加測試，結果均為合格。

目前，南瑞繼保研發的快速功率控制裝置已經通過中國電機工程學會技術鑒定的產品，整體技術性能國際領先。同時，在2019年中國電力科學研究院進行的快速調頻專項測試中，各測試項目均滿足相關性能指標要求，且通過了國網電力科學研究院實驗驗證中心和電磁兼容實驗室的型式檢測。

4 結語

我國的風電、光伏等新能源并網容量日益增大，場站數目也不斷增多。針對場站內現有的AGC 系統無法滿足調頻快速響應要求的問題，本文介紹了通過新增新能源快速功率控制裝置來實現快速頻率響應的工程應用方案。最后對兩個實際案例進行了分析，表明新能源快速功率控制裝置能夠使得新能源場站在一次調頻、功率快速調節上具備較優的調節效果。