新能源電力系統一次調頻參數確定方法

張靜忠，朱仔新，楊 龍

國網寧夏電力有限公司調度控制中心，寧夏 銀川 750001

0 引言

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

1 新能源電力系統一次調頻參數確定方法

1.1 新能源電力系統控制階段調頻比例系數選擇

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

一次調頻過程可以劃分為三個基本階段。在第一階段，電力系統轉速下降，此時轉子釋放大量動能；在第二階段，電力系統運行轉速逐漸恢復，此時轉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]。新能源電力系統一次調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一次調頻頻率。

圖1 新能源電力系統一次調頻過程中的頻率變化曲線

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

當新能源電力系統退出調頻后，出現二次跌落，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。根據這一特點，還需要對上述完成選擇的調頻比例系統的取值進行調整。考慮到新能源電力系統的輔助調頻參數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，可將電力系統調頻進行分段，在低段、中段和高段分別對調頻比例系數按照上述操作進行選擇，以確保在每一個調頻分段中都能夠選擇合適的調頻比例系數。

1.2 退出調頻時刻參數設定

在完成對新能源電力系統控制階段調頻比例系數的選擇后，在退出調頻時刻，其參數數值的設定也不宜過大或過小。若參數數值過大，機械功率會減小，進而造成電力系統運行不穩定問題[5]；若參數數值過小，則電力系統在退出調頻時刻仍然無法恢復到標準數值，會出現二次跌落嚴重的問題。因此，在設定退出調頻時刻的參數時，可通過典型場景的方式對參數進行篩選，并結合電力系統負荷變化及公式（1），計算得出滿足退出調頻狀態的時刻。

式中：toあ為電力系統退出調頻狀態的時刻；tn為出現頻率跌落現象，并且跌落到最低點的時間；表示為調頻控制延時時間。根據公式（1），初步確定調頻時刻參數后，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節功率；若偏小，則可適當減小單位調節功率。若滿足實際需要，再對虛擬慣性系數進行調整，判斷初步確定的虛擬慣性系數是否滿足調頻功率需要，若偏小，則適當增大虛擬慣性系數；若偏小，則適當減小虛擬慣性系數。若滿足調頻功率需要，則將最終整定后的調頻參數輸出，完成對退出調頻時刻參數的設定。

2 仿真測試

為了驗證上述設計的一次調頻參數確定方法的性能，選擇以某電力企業作為數據來源，在Matlab仿真平臺上模擬該電力企業的電力系統運行環境，利用文章提出的方法實現對新能源電力系統的一次調頻參數確定。

該新能源電力系統的發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，當發生直流閉鎖等重大事故時，頻率變化允許范圍為±0.5 Hz。結合上述電力系統的運行環境和運行基本條件，在不同調頻控制參數的基礎上，針對該方法的確定精度進行評價。選擇將調頻參數與實際電力系統穩定運行時所需的頻率進行對比，通過二者之間的差值，實現對其精度的比較。將調頻控制參數設定為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頻參數，并將其與實際值記錄，如表1所示。

表1 一次調頻參數確定方法實驗結果記錄表

從表1中記錄的數據可以看出，在不同控制參數的條件下，該方法確定參數與實際值之間的差值均小于1.00 Hz。并且，從表1中兩組數據對比可知，隨著控制參數數值的不斷增加，文章方法確定參數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，一次調頻參數確定方法可實現對新能源電力系統一次調頻參數的高精度確認，進一步提高了電力系統的運行效率，為整個電網運行提供了更加安全、可靠的條件。

3 結束語

為了提高系統在運行中的綜合性能，此次研究以新能源電力系統為例，結合系統的穩定運行需求，對系統的一次調頻參數確定方法展開設計研究，以此種方式為新能源電力系統的持續化運行提供技術層面的支撐。