新能源快速频率响应在新能源场站的应用方案研究及工程实践

张 军，王瑾然，章叶青

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

2020年的联合国大会上，习近平主席首次提出了碳达峰和碳中和的概念，明确中国将努力争取在2060年前实现碳中和［1-3］。同时，得益于我国人工智能、互联网+等技术的不断进步，以风电和光伏为代表的新能源产业进入了一个新的发展阶段［4-5］。风电、光伏等新能源场站在我国电网占比和并网容量比例的不断提高［6-8］，将有助于推动我国供给侧能源改革和建立多元化的能源供应体系，最终实现碳中和的远景目标。

然而，在我国新能源占比较高的地区，如西北五省和西南地区，可再生能源并网容量的不断提高导致了常规火电等传统发电厂并网容量比例减少［9-10］，电网可用快速频率响应资源降低，电网的频率控制特性的结构性困境愈发严重，电网抵抗严重冲击的能力不足。因此，推进新能源场站参与电网快速频率响应、实现高精度和高速度的频率控制响应具有十分重要的工程意义和实践价值［11-13］。

目前，新能源场站基本配置了自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）系统以对电力系统进行二次调频，可实现有功功率的分钟级调节［14-16］。然而，从2018年开始，国家能源局先后发文，同意在国家电网有限公司西北分部进行新能源场站快速频率响应的试点工作，要求新能源场站调频的快速响应功能时间低于2 s，且达到90%调节量的响应时间要求不超过5 s［11］。但现有的AGC 控制系统实时计算的能力欠佳，通讯协议往往采用较长时耗的TCP/IP 协议，通讯环节冗长，仅在周期性较长的二次调频中适用，无法实现当前低时限的启动和调节要求［17］。

针对上述问题，目前已有部分工程通过改造传统的AGC系统来应对新能源场站的快速频率响应需求。文献［12］提出了通过在既有的AGC 系统中增加控制单元来实现快速频率响应功能，且无需对有功控制单元进行改造。文献［18］探讨了AGC 系统参与一次调频的配合矛盾和可行性。文献［19］则以一个AGC 调节的具体案例，探讨了通过改造传统AGC的控制策略实现快速频率响应的合理性和可操作性。文献［20］通过改进AGC的控制模式，分析了一次调频与AGC系统的协同控制策略。然而，以上研究需要对常规AGC系统进行整体优化和改造，要打破固有的设备模型和网络通信构架，工程实施难度极大，且对AGC 厂家和相关研发人员依赖性较强，改造升级的成本高。

此外，部分新能源场站还会采用对光伏逆变器和风机能量管理平台进行软硬件升级改造的方式来实现快速频率响应［21-23］。然而，受到目前逆变器自身的限制，其测频精度和频率采样周期等都无法满足频率响应的时间要求，且并网点调频一致性的问题难以解决。同时，文献［24］-文献［26］还提出了利用储能参与一次调频以实现新能源场站的快速频率响应，但是由于需新建储能设施，该方案的成本较高且施工难度大。文献［27］-文献［28］还提出了通过改变机组的旋转容量来瞬时增加机组对电网输出功率的能力，以满足电网一次调频要求，然而对电网的安全稳定运行会产生一定的风险。此外，随着能量管理系统（Energy Management System，EMS）的不断推广与应用，文献［29］和文献［30］提出了增加智能终端或通信管理终端的方法来实现调度中心对新能源场站的功率控制，但是该方法需要新增调度到场站的专用通道，成本较高。

基于此，为了充分利用现有的AGC 功率控制系统，避免对已有AGC 系统和逆变器进行差异化改造，且进一步提高新能源的快速频率响应效果，满足电网对新能源场站更高的控制响应性能需求，可以通过增加专用的嵌入式调频装置，即新能源快速功率控制装置来实现。该装置可以作为一次调频的有效手段，配合既有的AGC系统实现电网快速频率响应。

本文将基于南京南瑞继保电气有限公司（以下简称“南瑞继保”）研发的新能源快速功率控制装置，阐述和分析几种典型新能源场站的快速频率响应实现方案，以证明通过新增新能源快速功率控制装置，与现有的AGC系统相配合，来实现新能源快速频率响应。

1 新能源快速频率响应的参数和性能指标

新能源频率f与有功功率P的折线函数可以表示为

式（1）中，P0和PN有功功率初始值和系统额定功率，fd和fN表示快频响应死区和系统额定频率。δ%则表示新能源快速频率响应的调差率。

自2018年起，国家能源局和国家电网有限公司西北五省电力公司对上述参数（如快频响应死区fd和调差率δ%）及相关性能指标做出了要求［10］，一些重要指标如下所示。

1）响应死区fd指标

光伏场站的响应死区fd设置为±0.06 Hz，风电场则应设置为±0.1 Hz。

2）调差率δ%指标

风电场站的δ%为2%，光伏电站的δ%设置为3%。

3）快速频率响应的性能指标

性能指标主要包括响应滞后时间、响应时间和调节时间。其中，对于风电和光伏场站，其场站的响应滞后时间均不得高于2 s，调节时间均要低于15 s。而对于响应时间，风电场不得超过12 s，光伏场站则要低于5 s。

4）调频控制偏差指标

新能源风电场的调频控制偏差为±2%，光伏场站则为±1%。

5）测频精度指标

相关要求中对测频精度作了明确的规定，即风电场和光伏场站的分辨率均不大于0.003 Hz。

6）频率采样周期和有功控制周期

对于风电场和光伏场站，其频率采样周期最大值为100 ms，有功控制周期的上限则为1 s。

7）其他要求

文件还要求，新能源场站的快速频率响应策略应躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变。

2 新能源快速频率响应的工程技术方案

本节以南瑞继保研发的新能源快速功率控制装置为基础，围绕技术指标和风电、光伏场站的不同组网方式等方面，分析新能源快速频率响应的工程技术方案。

2.1 新能源快速功率控制装置

针对新能源快速频率响应的相关要求，南瑞继保创新性地研发了PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制装置。该装置主要应用于新能源场站的快速功率控制。当新能源场站的频率出现异常时，该装置可以旁路原有的控制系统，对本场站中的光伏/风机逆变器进行直接或间接地有效控制，进而使新能源电站功率变化达到要求。

PCS-9726M/S系列新能源快速功率控制装置基于高性能的通用型硬件平台，采用多个32位微处理器进行并行计算，具有强大的实时计算能力。同时，还支持调度主站、风机/光伏逆变器、网源在线监测和PMU 等对外接口，兼容标准103 和61850 通讯规约，适应能力强。

2.2 新能源光伏场站组网方式

基于嵌入式芯片的快速功率控制装置PCS-9726M/S，可针对不同的应用场景进行灵活且自主可控的配置，以满足不同类型和规模的光伏场站的一次调频需求。根据新能源光伏场站所需控制对象数量的不同，可以分为单机模式和主从机模式进行组网。

2.2.1 光伏场站的单机组网模式

对于单出线或双出线的中小型新能源光伏场站，只需配置一台PCS-9726M主机，即采用快速功率控制装置的单机组网模式。该装置需要直采并网点的电压和电流测量数据，并与场站内原有的AGC系统进行连闭锁配合，如图1所示。

图1 光伏场站的单机组网模式Fig.1 Single-unit network mode of photovoltaic station

在单机组网模式下，PCS-9726M 对下可与逆变器利用GOOSE 网络直接通讯，或经由通信管理机、数据采集器与逆变器进行间接通信，最终将生成的控制指令下发至对应的发电单元。需要注意的是，考虑到最佳控制效果，单台PCS-9726M装置的最大控制对象不超过100个。

2.2.2 光伏场站的主从机组网模式

考虑到部分地区的新能源光伏场站往往规模大、电压等级高且需调控的光伏逆变器数量多，采用单PCS-9726M 的单机组网模式难以对规模庞大的光伏终端进行控制，因此需要采用主从机的组网模式，即使用多台PCS-9726S 从机配合一台PCS-9726M 主机进行组网，如图2所示。

图2 光伏场站的主从机组网模式Fig.2 Master-slave unit network mode of photovoltaic station

其中，快速频率响应主机负责具体的调频计算、控制逻辑并与AGC进行通讯，而从机则负责对下发电单元的信息收集整理和指令下发。主/从机之间采用GOOSE 通讯，能够有效缩短通讯延时，保障大规模光伏场站的整体调节效果。

主从模机式的组网方式最多支持8 台从机，单台从机可控对象上限为100 个。因此，为了保证控制质量，采用该方式进行组网时，网络中的最大控制对象数目不得超过800个，且需要根据实际情况灵活配置。

2.3 新能源风电场站组网方式

2.3.1 风电场站的单机组网模式

风电场的配置方案与光伏电站单机模式类似，主要区别在于对下的控制对象是风机的能量管理平台，而每个能量管理平台可控制多台风机，因此单机模式基本能满足目前的风电场调频需求，如图3所示。

图3 风电场站的单机组网模式Fig.3 Single-unit network mode of wind station

在该模式下，快速功率控制装置采用网络Modbus或IEC104规约与风机能量管理平台直接通讯，建立一对一的通信网络，获取风机能量管理平台的运行信息，下发快频控制指令。同时，装置还会与既有的AGC系统进行通讯以获得调度主站下发的AGC目标值，并上送闭锁信号。

目前，新能源风电场站的单PCS-9726M的组网方式可支持单点、多点遥调，下发的指令包括快频目标值的模拟量和快频动作标识的状态量两种，最多支持同时控制8个能量管理平台。

2.3.2 风电场站的主从机组网模式

考虑到部分地区，诸如内蒙古等地，新能源场站很多都是风光同场的形式，为此需要根据实际情况采用主从机模式的组网和控制方案，如图4所示。

图4 风电场站的主从机组网模式Fig.4 Master-slave unit network mode of wind station

其中主机负责与场站AGC系统进行信息交互，采集并网点的模拟量信息，并对从机下发相关指令。从机负责直接对风能量管理平台进行控制，或通过通讯管理机连接常规的集中式逆变器。该组网方式最多支持8个从机和800个控制对象，具体的控制数量可根据实际情况方便地进行扩展。

3 新能源快速频率响应的工程实施案例

自2018 年以来，该产品已在西北五省以及内蒙、云南、河北、浙江等地中标调频项目近百个，具有丰富的实践基础和工程优势。本小节将以两个典型的光伏和风电场站为例，介绍不同组网模式下新能源快速频率响应的具体工程实施案例，以验证快速功率控制装置的控制效果。

3.2 宁夏银川某光伏场站

该光伏场站位于宁夏自治区银川市，光资源丰富，具有良好的实验和试点条件。场站全站装机容量为650 MW，采用国产的组串式逆变器，共计400 余个光伏方阵。由于逆变器数量较多，因此需要采用主/从机的组网方式。根据现场实际情况，设置了1 台PCS-9726M主机和6台PCS-9726S从机。

根据入网要求，需要在各厂家逆变器的配合下，让第三方检测机构进行频率阶跃扰动实验和模拟频率实际扰动实验。其中，在频率阶跃扰动实验中，在指定工况下分别进行了两次阶跃上扰和阶跃下扰实验。实验中，死区设置为±0.06 Hz，调差率为3%。实验结果如表1所示，其中阶跃扰动1为出力区间20%Pn-30%Pn，阶跃扰动2为出力区间大于50%Pn。

表1 频率阶跃扰动实验结果Table 1 Frequency step disturbance experiment results

模拟频率实际扰动实验结果如表2 所示，其中阶跃扰动1 为出力区间20%Pn-30%Pn，阶跃扰动2 为出力区间大于50%Pn。

表2 模拟频率实际扰动实验结果Table 2 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

测试结果表明，各项调节指标均优于第一节中提出的指标要求。

对于防扰动性能校验，实验中通过高精度频率信号发生器模拟电网高低电压穿越等9 组暂态过程，快速频率响应装置能够正确识别，未出现快频响应功能误动作现象，且暂态频率扰动过程中，场站有功出力稳定，满足西北调控［2018］137 号文件要求。在AGC 协调试验中，共开展8组频率扰动幅度为50±0.2 Hz的快速频率响应与AGC协调试验，协调控制逻辑设计满足电网安全运行要求。

3.2 青海共和某风电场站

该风电场位于青海省共和县，全站风机装机容量为200 MW，配备2 个能量管理平台，共计100 台风机。由于场内配置的能量管理平台较少，因此采用了单PCS-9726M 的组网模式，死区设置为±0.1 Hz，调差率为2%。频率阶跃扰动实验和模拟频率实际扰动实验结果如表3 和表4 所示，其中阶跃扰动1 为出力区间20%Pn-30%Pn，阶跃扰动2为出力区间大于50%Pn。

表3 频率阶跃扰动实验结果Table 3 Frequency step disturbance experiment results

表4 模拟频率实际扰动实验结果Table 4 Experimental results of actual disturbance of simulated frequency

测试结果表明，各项调节指标均优于国内相关规范的指标要求。

实验中还进行了防扰动性能校验和AGC 协调性试验。其中，防扰动性能校验模拟电网高低电压穿越等9 组暂态过程，检验新能源场站快速频率响应功能是否会误动作，实验结果皆不存在频率响应误动作。在AGC 协调实验中，AGC 采用本地闭环模型运行，高精度信号发生装置作为信号发生源输出频率阶跃上扰或下扰信号，根据AGC指令和快频响应指令的先后次序和类型，光伏电站分别在50±0.2 Hz和50±0.09 Hz两种扰动幅值情况下开展指令叠加测试，结果均为合格。

目前，南瑞继保研发的快速功率控制装置已经通过中国电机工程学会技术鉴定的产品，整体技术性能国际领先。同时，在2019年中国电力科学研究院进行的快速调频专项测试中，各测试项目均满足相关性能指标要求，且通过了国网电力科学研究院实验验证中心和电磁兼容实验室的型式检测。

4 结语

我国的风电、光伏等新能源并网容量日益增大，场站数目也不断增多。针对场站内现有的AGC 系统无法满足调频快速响应要求的问题，本文介绍了通过新增新能源快速功率控制装置来实现快速频率响应的工程应用方案。最后对两个实际案例进行了分析，表明新能源快速功率控制装置能够使得新能源场站在一次调频、功率快速调节上具备较优的调节效果。