海上风电场一次调频方案研究
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摘 要：江苏沿海风资源条件优越，海上风电装机容量位居全国第一。文章针对海上风电参与电网一次调频进行分析，提出了一次调频目标，并结合风场现状提出三种调频方案。
关键词：海上风电场;一次调频;有功功率控制
中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）34-0111-02
Abstract： Jiangsu Province has superior coastal wind resources， and its installed capacity of offshore wind power ranks first in China. This paper analyzes the participation of offshore wind power in the primary frequency regulation of power grid， puts forward the primary frequency regulation target and three frequency modulation schemes based on the current situation of wind field.
Keywords： offshore wind farm; primary frequency regulation; active power control
由于江苏新能源装机规模不断扩大，同时区外来电持续增长，电力系统面临转动惯量下降、频率控制困难等结构性困境，电力系统安全面临严重威胁。为了防止电网发生突发大功率缺额导致低频减载动作，保证地区电网安全稳定运行，新能源场站需实现一次调频功能。截止2019年末，江苏省内已并网海上风电423万千瓦，位居全国第一[1]。江苏省沿海风资源条件优越，距离负荷中心较近，已成为风电发展的重要方向。按照一次调频控制对象额定容量的6%限幅，海上风电将为电网提供一定的有功备用容量。故而对海上风电场一次调频方案的讨论具有较高的实际意义。
1 海上风电场一次调频目标
海上风电场利用一次调频控制装置与主机SACDA系统结合，实现独立的并网点具备参与电网一次调频能力。一次调频设定频率f与有功功率P关系如式1：
（式1）
式中，fd-一次调频死区，Hz;fN-系统额定频率，Hz;Pe-一次调频控制对象额定容量，MW;δ%-新能源一次调频调差系数;P0-一次调频控制对象有功功率初始值，MW;
fL=50-fd;fH=50+fd。
海上风电场按6%一次调频控制对象额定容量进行控制，频率阶跃扰动过程调节如图1所示。
图1中，thx-响应滞后时间，s，不应超过3s;t0.9-自频率超出调频死区开始，至一次调频控制对象有功功率调节量达到调频目标值与初始功率之差的90%所需时间，不应超过12s;ts-调节时间，s，不应超过15s。
2 海上风电场一次调频方案
当海上风电场一次调频控制对象有功功率在一次调频控制对象额定容量的26%以上时，海上风电场应能够实现有功功率的连续平滑调节，并能够参与电网一次调频。
从特许权项目至竞价项目，海上风电项目发展迅猛，已并网的项目大多数已具备AGC功能。AGC系统应能根据调度部门指令等信号自动调节有功功率输出，并网控制模块具备针对各个风机变流器协调控制的功能，自动确定最优策略，确保风力发电站最大输出功率及功率变化率不超过调度给定值，以便在电网故障和特殊运行方式时确保电力系统的稳定。故一次调频应用工程分为已并网且具备AGC的工程、新建工程。
2.1 新建工程
海上风电场配置一体化功率控制装置，包含一次调频、一次调频在线监测与AGC功能。一体化功率控制装置采集并网点（POI）电压、电流数据，计算实时模拟量，实现一次调频功能，如调频响应时间需要达到ms级时，需直接采集并网点（POI）频率数据。需同时完成AGC任务。装置内部，一次调频优先级高于AGC功能。该装置应能躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变，具备一次调频功率上、下调节功能[2-3]。
一体化功率控制装置，向上与远动网关机进行信息交互，向下与主机SCADA系统进行信息交互。SCADA系统将一次调频指令传至VMP风机控制器，由顶部VCP控制器实现功率控制。
2.2 改扩建工程
海上风电场已具备AGC功能，新增一次调频装置。其中，有功功率控制功能由一次调频装置和AGC系统实现。一次调频功能分为两种接线方式：
方式一，一次调频装置与AGC系统并联，由风机SCADA系统作为控制主体，风机SCADA系统进行升级改造，上传风机运行信息，接受有功调节指令，协调一次调频装置和AGC进行控制。风机SCADA系统需要改造。
方式二，一次调频装置与AGC系统串联，由一次调频装置和AGC系统作为控制主体，与方式一的不同在于，增加AGC系统与一次调频装置之间的信息交互。一次调频装置应与AGC控制相协调，海上风电场有功功率的控制目标应为一次调频控制对象有功功率初始值与一次调频调节量代数和。这种方式中AGC系统和风机SCADA系统均不需要改造。
一次调频有功-频率下垂特性如图2所示。
3 海上风电场一次调频在线监测
一次调频在线监测功能应包含一次调频性能远方测试、一次调频特性参数测试和一次调频录波文件召唤功能。
正常运行情况下，海上风电场一次调频投入时，调度主站系统可实时下发一次调频进入测试指令，海上风电场进入一次调频在线测试。
海上风电场一次调频装置通过网关机与调度主站进行一次调频在线监测信号交互，当接收到一次调频进入测试信号后，一次调频功能切换到测试模式，一次调频功能退出实际运行。调度主站系统下发测试信号进行一次调频性能远方测试，海上风电场一次调频装置根据测试频率进行一次调频负荷响应。
4 结束语
开展海上风电场一次调频响应推广工作，是保障新能源高占比状态下电网安全稳定运行的重要举措，对促进海上风电持续健康发展具有重要意义。现阶段考虑通过对AGC有功控制系统改造或新增独立控制装置来实现一次调频功能，下阶段还需开展海上风电场配套储能系统或保留有功备用与一次调频系统配合的经济性比选[4]。
参考文献：
[1]迟永宁，梁伟，张占奎，等.大規模海上风电输电与并网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016（14）：3758-3770.
[2]孙庆.风力发电系统监测管理与故障分析研究[J].电力自动化，2020（1）：103-105.
[3]董敏，董英.风电不确定性对电力系统的影响研究[J].价值工程，2018，37（33）：182-183.
[4]高捷，赵斌，杨超，等.海上储能技术发展动态与前景[J].新能源进展，2020（4）：136-142.
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