新能源電站電網主動頻率支撐技術研究

何飛躍，遲海龍

（中國水利水電科學研究院自動化所，北京 100038）

0 引言

大量新能源的并網給傳統電網運行與控制帶來一定的挑戰。伴隨著新能源裝機容量的逐年增加及其在電網中滲透率的不斷提升，傳統的電力系統運行規劃方式與安穩控制策略已經難以適應高比例新能源滲透下的需求。新能源發電與傳統的火電不同，其具有顯著的波動性、間歇性，并且其不確定性也會給電網制定發電計劃帶來一定的困難，造成棄風棄光現象的發生。同時，當電網沒有足夠的慣量支撐時，新能源的波動性還將對電網的安全穩定運行造成沖擊，如引起頻率擾動事件可能會嚴重影響電能質量，甚至引發電力事故。

大量并網新能源電站對電網穩定控制也存在一定的影響。含高比例新能源電力系統中，新能源發電機組以最大功率跟蹤模式運行于當前環境下最大功率點處，并且不同于常規調頻機組，其輸出功率與電網頻率解耦，無法在系統頻率擾動時對系統提供快速的有功支撐。另一方面，新能源機組自身無慣性或慣性較低，當大量新能源機組并網時會使電網面臨系統慣量偏低的風險，在面臨有功擾動事件時，電網穩定性變差。與此同時，在大規模新能源并網匯集區域，風速、輻照度等氣象因素的突然變化會引起新能源功率短時間內大幅漲落，進而引起并網點電壓波動。因此，研究新能源并網調頻調壓策略，增強對電網的電壓和頻率支撐能力，也是提高電網對新能源接納能力的關鍵。

為保證電力系統安全可靠運行，降低新能源接入對頻率、電壓質量和穩定性的影響，國內外有文獻對新能源的一次調頻、慣量支撐等方面進行了研究。文獻[1]分別從轉子慣性控制、轉子超速控制、變槳控制及其組合等方面詳細分析了風電調頻技術及其不足，并分析儲能參與風電場調頻的可行性。文獻[2]在風電高滲透率的背景下，介紹了主要的頻率控制要求，討論了風機參與初級頻率控制和提供初級儲備的能力。文獻[3]針對風光儲聯合發電系統的運行特點，基于分段調頻控制的理念，提出了一種風光儲聯合發電系統參與電力系統調頻的控制策略。文獻[4]提出一種基于自適應下垂控制的風光儲微網調頻控制方法，建立了風光儲微網的系統模型，重點闡述了電池儲能單元的三階模型，確定了風電機組和光伏發電的動態出力策略。文獻[5]重點闡述了示范工程風電、光伏發電和儲能的規模及組成，針對可再生能源并網問題，分析了平滑風光功率輸出、跟蹤計劃發電和參與系統調頻，以及4種風光儲系統聯合運行控制策略。文獻[6]對近年來實際電網中由于慣量支撐能力不足而引發的電力系統頻率失穩停電事故進行了回顧，從慣性的量化評估、慣量支撐能力提升及基于慣量的新能源電網優化運行方面對弱慣量支撐電力系統的研究現狀及研究路徑進行歸納梳理。文獻[7]基于新能源主動支撐的控制策略，分析不同新能源占比下VSC采用不同控制策略的兩區系統小擾動穩定，同時考慮主動支撐控制不同參數的動態調節效果。以上文獻主要對新能源機組的慣量支撐進行了研究，對新能源場站與新能源機組在慣量支撐作用研究方面相對較少。

本文對風電機組的慣量支撐進行了理論分析，提出了虛擬慣量控制加下垂控制的綜合頻率控制策略，并給出了針對風電場的綜合頻率控制實施方案。實施方案采用廠站級綜合控制器加設備級綜合控制器的協同控制方式，廠站級綜合控制器測量風電場并網點的頻率、頻率偏差以及頻率微分信號，完成各風電機組的補償功率的協調控制，并下發至各機組的設備級綜合控制器，設備級綜合控制器實現對單臺風機的補償功率控制。

1 綜合頻率控制

電力系統的慣量反映了系統阻止頻率突變的能力。當系統受到擾動時，系統產生功率不平衡，慣量可以讓感應發電機有充足的時間來調節功率，阻止頻率的突變，重新建立起頻率的平衡。在常規同步發電機組中，若電網負荷增加，則電網頻率降低，同步發電機組減速，釋放轉子中所儲存的動能，從而改善電網頻率的波動問題。同樣若電網負荷降低，則電網頻率升高，機組通過增速，儲存動能，從而減小電網頻率的升高。這即為常規同步機組的慣量響應。但變速風力發電機組在傳統功率跟蹤控制時，由于風力發電機組是通過電力電子設備并網，這使得有功功率與電網頻率解耦，對有功的變化無法做出反饋。如果電網頻率突然增大或者減小時，風力發電機不能及時響應該頻率的變化，故而不能在有擾動的情況下對其提供慣量支撐。如果使與電網頻率無法直接耦合的風機含有慣性，那么就需要在風力發電系統的控制器中引入相關的一些頻率信號來控制。風力發電機根據這些信號實時做出相應改變，就能應對頻率上出現的突變問題，實現對電網的主動頻率支撐。

在任何轉子轉速ω下，風機具有的旋轉動能Ek表示為：式中，J為機組轉動慣量（kg·m2），是發電機和原動機的總轉動慣量。

如果ω變化，釋放的功率為：

慣性響應時間常數H定義為額定轉速ωs的動能除以視在功率S，即

慣性響應時間常數H可以通過參數辨識的方法獲得[8]。

用標幺值表示有：

由于風電機組轉子轉速ω與額定轉速ωs偏差很小（即=1)，所以上式等效為

虛擬慣量控制是一個暫態過程，該補償功率與頻率變化率成正比，主要用于阻尼頻率的快速變化，因此只能在頻率突變的暫態變化過程提供短暫頻率支撐。在頻率跌落至最低點或升高到最高點后停止作用。為了保證系統頻率達到新的穩態，使風電機組持續補償額外有功功率，可以采用類似同步發電機的頻率下垂控制的DFIG一次調頻策略，如式（7）：

式（7）中，Kp定義為風電機組有功調頻系數，是指在系統頻率波動時，風電機組有功功率變化量標幺值與系統頻率變化量標幺值的比值，式中，ΔP為風電機組輸出有功功率的變化量(kW)；PN為風電機組的額定功率 (kW)；Δf為系統頻率的變化量（Hz)；fN為系統額定頻率(Hz)。所以綜合慣量控制的最終補償功率為：

2 實施方案

實現風電機組綜合頻率控制，可以通過新能源裝備制造企業在所生產裝備中增加調頻模塊，實現快速調頻。這種方式需要捆綁其裝備，在新開發的新能源場站有較好的推廣前景。但一方面，我國新能源大規模開發已超過10年，大量新能源機組進入運維和出質保期，上述方案在應用于早期新能源裝備時成本過高，難以推廣；另一方面，目前新能源裝備制造企業的相關技術僅針對單機進行改造，并不具備多機快速協同控制功能。因此，可以采用圖1所示的廠站級綜合控制器加設備級綜合控制器的方案。

圖1 風電場綜合頻率控制

其中，廠站級綜合控制器采用高精度、高采樣頻率測量技術，實現對新能源廠站并網點的頻率、功率的測量。從而實現系統頻率波動時，對頻差和頻率微分的高精度測量，并依據綜合虛擬慣量控制機制，在計級場站各機組的狀態、機頭風速、機組理論發電能力的基礎上，對全站各個機組所在的設備級綜合控制器進行協調，綜合頻率控制最終由設備級綜合控制器實現對單臺風電機組的控制。

3 結語

本文在風電機組虛擬慣量和頻率下垂控制的基礎上，提出了風電機組綜合頻率控制模型及實施方案。在頻率擾動初期頻率偏差往往較小，僅靠下垂控制無法提供較大的有功支撐，不能充分發揮其調頻能力。因此，需要與動態慣量控制相配合，共同響應系統頻率變化。如果僅采用風機虛擬慣量控制，控制效果存在二次頻率跌落的風險。另外，在綜合頻率控制的基礎上，還可以考慮增加儲能設備，不僅可以平抑頻率波動，還可以提高系統的響應速度，避免頻率的二次跌落。