張健 沈文陽 王剛 池鳳泉 陳建波
(1.國家電投浙江分公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530022 2.新華水力發(fā)電有限公司 北京市 100071)(3.南京中匯電氣科技有限公司 江蘇省南京市 211102)
近年來我國新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,截至2020年底,全國光伏、風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量已超過534.5GW。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標(biāo)的提出,預(yù)示著新能源的發(fā)展步入了一個(gè)新的階段。
新能源電站出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性,大量接入對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn),新能源電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,緩解電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰壓力就顯得尤為迫切和必要。新能源電站的功率輸出由電力電子元器件產(chǎn)生,其響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于火電站或水電站等傳統(tǒng)電源,在調(diào)頻方面有其明顯的優(yōu)勢(shì),可以在出現(xiàn)大功率擾動(dòng)情況下,進(jìn)一步提升電網(wǎng)頻率的回復(fù)能力。從2018年開始西北電網(wǎng)就做了新能源電站一次調(diào)頻功能的試點(diǎn)和推廣,并取得了一定的成果,為一次調(diào)頻的全國推廣做了鋪墊。新能源電站具備一次調(diào)頻功能,將能夠提升電站的友好程度和電網(wǎng)的消納能力。從2020年起,全國電網(wǎng)也逐步開始了新能源電站的一次調(diào)頻建設(shè)和推廣工作。本文將討論新能源電站中一次調(diào)頻系統(tǒng)的技術(shù)及其應(yīng)用。
跟常規(guī)電源一樣,當(dāng)電網(wǎng)頻率異常,越過死區(qū)后,需要新能源電站調(diào)節(jié)有功輸出將頻率控制在正常運(yùn)行范圍內(nèi)?,F(xiàn)有新能源一次調(diào)頻系統(tǒng)大多數(shù)情況下是作為電站獨(dú)立的一套系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行,實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)調(diào)頻系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)不能及時(shí)有效的反饋給調(diào)度主站,針對(duì)這一問題可以利用模擬量輸出通過硬接線的方式或者通訊的方式將所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸給PMU 裝置,再通過PMU 將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給調(diào)度主站,便于主站實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)頻率異常時(shí)新能源電站的出力響應(yīng)情況。
當(dāng)電站處于自由發(fā)電狀態(tài)下功率滿發(fā),未配置配套儲(chǔ)能的情況下,此時(shí)不能滿足一次調(diào)頻的低頻升功率的調(diào)節(jié)要求。針對(duì)這一問題,通過設(shè)計(jì)有功備用功能。當(dāng)有功備用投入,裝置會(huì)自動(dòng)在當(dāng)前功率狀態(tài)下預(yù)留出一定的有功功率,來滿足低頻升功率的要求。當(dāng)有功備用退出,自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行模式。
一次調(diào)頻系統(tǒng)投運(yùn)后,在某些被考核的情況下,會(huì)出現(xiàn)調(diào)度考核數(shù)據(jù)和電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)無法匹配的問題。通過采用 Comtrade記錄格式,并支持61850 文件服務(wù)上送,調(diào)度主站可直接從裝置中調(diào)取任意時(shí)間的錄波文件,進(jìn)行查看核對(duì),同時(shí)電站運(yùn)維人員也可通過打印機(jī)就地將錄波文件打印出來進(jìn)行問題分析,可以很好的解決考核數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)的問題。
一次調(diào)頻系統(tǒng)的實(shí)際使用,需要對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的CT 和PT 信號(hào)進(jìn)行模擬量采集,采集精度的高低決定了調(diào)節(jié)精度是否滿足要求。本系統(tǒng)頻率采樣精度可達(dá)到不超過0.002Hz,電壓電流采樣精度達(dá)到0.2%,功率精度可達(dá)0.5%,為一次調(diào)頻系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制提供了堅(jiān)實(shí)的保障。
一次調(diào)頻控制系統(tǒng)考慮每臺(tái)逆變器的實(shí)際運(yùn)行情況,綜合整個(gè)電站情況給出最佳的調(diào)節(jié)策略,從而實(shí)現(xiàn)最高效的控制效果和最快速的響應(yīng)時(shí)間。
系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)了無數(shù)據(jù)包丟失確認(rèn)方式,避免丟包問題,可靠保證整體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定流暢。并且能夠在單側(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞的同時(shí)直接切換到另一側(cè)網(wǎng)絡(luò),降低了網(wǎng)絡(luò)切換延時(shí)。
群控群調(diào)技術(shù),摒棄了過去一對(duì)一鏈接發(fā)送接收的傳統(tǒng)模式,采用一對(duì)多群發(fā)的策略來提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率,通過多次反復(fù)的實(shí)際驗(yàn)證,效果顯著,大大縮短了數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間。
在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中,由于各種因素,比如逆變器自身的采樣誤差,并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集誤差,以及電站中一次設(shè)備自身損耗等,控制系統(tǒng)并不能保證發(fā)出一次調(diào)節(jié)命令就能將并網(wǎng)點(diǎn)功率值調(diào)節(jié)到所需的目標(biāo)。對(duì)于這個(gè)問題,通過采用無限逼近控制模式,有限制的采用差值疊加策略完成目標(biāo)的調(diào)節(jié)精度。為了不引起振蕩,系統(tǒng)也限制了差值的極限范圍,避免無條件疊加以及無限次累計(jì),從而保證了系統(tǒng)的可靠性和調(diào)節(jié)精度。
在原系統(tǒng)中增加一套一次調(diào)頻控制系統(tǒng),包含新增的新能源快速頻率響應(yīng)裝置(以下簡稱裝置),利用原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和原來的控制子站來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。該系統(tǒng)與AGC 系統(tǒng)相互配合分工,通過信號(hào)閉鎖,分別實(shí)現(xiàn)光伏電站的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制功能,并且實(shí)現(xiàn)兩者間的功能協(xié)調(diào)配合。裝置直接高精度采集光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率和電壓電流信號(hào),并計(jì)算得到相應(yīng)的功率,當(dāng)頻率變化越過死區(qū)后啟動(dòng)一次調(diào)頻控制功能,通過信號(hào)閉鎖AGC 系統(tǒng)二次調(diào)頻控制,裝置參考一次調(diào)頻參數(shù)生成合適的功率調(diào)節(jié)目標(biāo)值下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),使并網(wǎng)點(diǎn)功率達(dá)到所需的預(yù)期目標(biāo)值。當(dāng)頻率恢復(fù)正常后,退出一次調(diào)頻控制,解除一次調(diào)頻閉鎖信號(hào),AGC 系統(tǒng)進(jìn)入正常二次調(diào)頻控制模式。
該新型一次調(diào)頻系統(tǒng)在南方某大型地面光伏電站安裝完成后經(jīng)中國電科院檢測,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn),并遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。
測試方法:通過信號(hào)源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),校驗(yàn)一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的頻率測量精度。頻率測量分辨率不大于0.002Hz。頻率測量精度記錄如表1。
表1:頻率測量精度記錄
測試方法:分別在20%-30%輕載負(fù)荷限功率、50%-90%重載負(fù)荷限功率工況下采用信號(hào)源模擬電網(wǎng)頻率階躍擾動(dòng)信號(hào),場站在頻率階躍擾動(dòng)情況下的特性,如圖1和圖2所示。
圖1:輕載負(fù)荷工況下頻率階躍49.8Hz 有功功率響應(yīng)波形
圖2:重載負(fù)荷工況下頻率階躍50.15Hz 有功功率響應(yīng)波形
測試方法:分別在20%-30%輕載負(fù)荷限功率、50%-90%重載負(fù)荷限功率工況下采用信號(hào)源模擬電網(wǎng)頻率波動(dòng)信號(hào),測試場站在頻率波動(dòng)情況下的特性,如圖3和圖4所示。
圖3:輕載負(fù)荷工況下頻率波動(dòng)有功功率響應(yīng)波形
圖4:重載負(fù)荷工況下頻率波動(dòng)有功功率響應(yīng)波形
測試方法:通過信號(hào)源輸出死區(qū)頻率±0.003Hz,校驗(yàn)一次控制系統(tǒng)的調(diào)頻死區(qū)控制精度。光伏場站一次調(diào)頻的死區(qū)宜設(shè)置為±0.02-0.05Hz,推薦設(shè)置值為±0.05Hz。如圖5和圖6所示。
圖5:頻率階躍至49.947Hz,有功功率響應(yīng)波形
圖6:頻率階躍至49.953Hz,有功功率響應(yīng)波形
該新型一次調(diào)頻控制系統(tǒng)具備通過直流模擬量或通訊的方式輸出一次調(diào)頻關(guān)鍵數(shù)據(jù),調(diào)度主站可實(shí)時(shí)監(jiān)測。具備錄波及文件傳輸服務(wù),為調(diào)度主站與場站一次調(diào)頻動(dòng)作數(shù)據(jù)的校核提供簡潔有效的途徑。具備有功備用功能,在沒有外部有功支撐的環(huán)境下,能夠滿足低頻升負(fù)荷的功能要求。該系統(tǒng)算法精準(zhǔn),控制速度快,多種控制策略,適應(yīng)不同使用環(huán)境。避開通信冗余環(huán)節(jié),直采直控,群控群調(diào),使通訊達(dá)到最快、最準(zhǔn)響應(yīng),實(shí)時(shí)接收AGC 指令,實(shí)現(xiàn)一次頻率響應(yīng)與AGC 的協(xié)調(diào)控制,同時(shí)保證AGC 的正常運(yùn)行,系統(tǒng)具備完整的閉鎖邏輯判斷,保障了場站安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
該系統(tǒng)為新能源場站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定,提供了可靠保障,提升了新能源電站在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)通過快速改變電站有功出力使頻率恢復(fù)正常的能力,這一能力為構(gòu)建以新能源發(fā)電為主體的新型電力系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,值得廣泛推廣應(yīng)用。