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新能源電站快速頻率響應控制系統(tǒng)/一次調頻系統(tǒng)
1. 新能源電站快速頻率響應控制系統(tǒng)（PFC）
1.1背景介紹
當前， 西北電網(wǎng)新能源裝機已達到西北調度口徑裝機容量的34.55%，成為網(wǎng)內第二大裝機電源，裝機容量及占比均位居六大區(qū)域電網(wǎng)，具有轉動慣量的常規(guī)水、火電機組開機比例逐步下降，因新能源不具備快速頻率響應能力，電網(wǎng)頻率控制特性的結構性困境日趨明顯。開展新能源場站快速頻率響應推廣應用工作是保障新能源高占比形態(tài)下西北送端大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大舉措，對促進西北區(qū)域新能源持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。
1.2系統(tǒng)介紹
新能源（風電場、 光伏發(fā)電站）場站利用 相應的有功控制系統(tǒng)、單機或加裝獨立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制，使其在并網(wǎng)點具備參與電網(wǎng)頻率快速調整能力。快速頻率響應有功-頻率下垂特性通過設定頻率與有功功率折線函數(shù)實現(xiàn)，
即：
其中：
fd—頻率快速響應動作門檻，Hz
fN—系統(tǒng)額定頻率，Hz
PN—額定功率，MW
δ%—頻率快速響應調差率
P0—有功功率初值，MW
調頻快速響應控制系統(tǒng)主要功能包括：
（1） 監(jiān)測機組安全約束調節(jié)，根據(jù)接收到的控制命令在滿足安全約束條件下實施控制命令輸出；
（2） 當系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時，能夠按照既定曲線完成系統(tǒng)的一次調頻響應：當頻率上升時能夠主動減少有功輸出；當頻率下降時，在限功率狀態(tài)下能夠主動提升功率；
圖光伏電站頻率快速響應控制系統(tǒng)結構
圖風電場頻率快速響應控制系統(tǒng)結構
2. 系統(tǒng)技術特點
（1） 并網(wǎng)點數(shù)據(jù)高精度實時采集計算
可以采集并網(wǎng)點CT&PT模擬量信號;計算并網(wǎng)點電壓，電流，有功功率，無功功率，功率因數(shù)，頻率，序分量，不平衡電壓等，同時能對采集數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)、以及策略數(shù)據(jù)進行存儲；
（2） 控制點靈活選擇
可根據(jù)不同風電場的拓撲結構，合理的選擇控制點，以滿足電網(wǎng)和用戶的要求；如右圖所示，可以選擇高壓側或者低壓側，滿足電網(wǎng)對風電場調頻和調壓功能的考核。
新能源場站拓撲圖
（3） 錄波功能
可以根據(jù)用戶需求對控制系統(tǒng)所有電氣量進行錄波，便于進行故障分析；
（4） 智能分配策略控制
頻率快速響應控制方案考慮了每臺風機/逆變器的實際運行狀況，根據(jù)整站的約束條件分配的控制策略；
（5） 快速可靠的場站通訊解決方案
1) 系統(tǒng)采用直接與單臺逆變器通訊，從接口直接通過光纖方式傳輸至核心服務器，保證了通訊的高效率；
2) 對于通訊接口不足的廠站，通過的“一轉二”方式解決，以滿足快速計算響應的要求
（6） 硬件平臺
采用高性能的處理模塊、組件和人機界面，實現(xiàn)了高性能、高可靠性、免風扇、低功耗的整機一體化的工業(yè)級設計，保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；高精度的計算模塊增加了控制策略的可靠性；
（7） 軟件平臺
基于*的多任務操作系統(tǒng)平臺，優(yōu)化的軟件系統(tǒng)結構，大大提高軟件系統(tǒng)的可靠性，保障整個系統(tǒng)具有優(yōu)異的整體性能；
（8） 安裝與維護
柜內走線強弱電分離，獨立的電源回路、輸入輸出信號電氣隔離，合理的設計使得柜子安裝便捷，系統(tǒng)免維護；
3. 技術參數(shù)
技術參數(shù) | 單位 | 取值 | 備注 |
環(huán)境參數(shù) | |||
工作狀態(tài)下的環(huán)境溫度 | ℃ | -15 ~+40 | - |
儲存環(huán)境溫度 | ℃ | -40 ~+60 | - |
工作狀態(tài)下的環(huán)境濕度 | % | 20~90 | 環(huán)境溫度為40℃ |
儲存環(huán)境濕度 | % | <90 | 環(huán)境溫度為50℃ |
大氣壓力 | kPa | 79.5~ 106.0 | - |
海拔 | Meter | 2000 | - |
使用地點 | - | 戶內使用 | - |
地震強度 | - | 8 |
|
電氣參數(shù) | |||
電網(wǎng)電壓 | |||
n 正常運行 | Un | ≤1.2 | - |
n 工作10秒 | Un | ≤1.4 | - |
n 設備閉鎖 | Un | >1.4 | - |
電網(wǎng)電流 | |||
n 正常運行 | In | ≤1.2 | - |
n 工作10秒 | In | ≤2 | - |
n 設備閉鎖 | In | >2 | - |
工作電源（2選1） | |||
n 交流電源（AC） | V | 100~240 | - |
n 直流電源（DC） | V | 110 | - |
電網(wǎng)適應性 | |||
n 可適應電網(wǎng)頻率范圍 | Hz | 45~ 55 |
|
n 可適應電網(wǎng)電壓范圍 | %Un | 80-120 | - |
模擬量/開關量輸入輸出 | |||
n 交流電流輸入 | A | 1或者5 |
|
n 交流電壓輸入 | V | 100 | L-L（線電壓） |
n 開關量輸入 |
| 1）8個開關量輸入通道 2）常開常閉接點 | |
n 開關量輸出 |
| 1）4個開關量輸出通道 2）開關容量1500VA | |
響應時間 | |||
n 數(shù)據(jù)采集周期 | 毫秒 | <100 | - |
n 策略執(zhí)行周期 | 毫秒 | 5 | - |
n 指令響應時間 | 毫秒 | 10 | 系統(tǒng)對上級調度指令的分配所需時間 |
n 調節(jié)時間 | 秒 | <1s | 指令的后期執(zhí)行速度取決于光伏電站通訊響應時間 |
n 調節(jié)周期 | 秒 | <3s | 兩次命令間延時時間可調,最小為3s |
測量及計算精度 | |||
n 電壓測量精度 | 級 | 0.2s | 當輸入電壓模擬量的值在20%～120%額定值時 |
n 電流測量精度 | 級 | 0.2s | 當輸入電流模擬量的值在20%～120%額定值時 |
n 無功功率準確度 | 級 | 0.5 | 當電壓、電流的夾角在0～+60°及0～-30°范圍內變化時 |
n 功率因數(shù)準確度 | --- | 0.002 | |
對信號源的要求 | |||
n 波形 | - | 正弦波 | 總畸變率要小于5% |
n 頻率 | Hz | 50 | 偏差為10% |
其它參數(shù) | |||
n 通訊協(xié)議 | - | MODBUS/IEC104 | 1)8個以太網(wǎng)口 2)4個RS485接口 |
n 整系統(tǒng)功率損耗 | W | < 100 |
|
n CT原邊功耗 | VA | < 0.4 |
|
n PT輸入阻抗 | Ω | >500k |
|
n 安全性能 | 符合標準GB14598.27-2008 | ||
n 電磁兼容性 | 符合標準IEC61000-4 | ||
n 電氣絕緣性能 | 符合標準IEC60255-5 | ||
n 斷電保護 | 具有電壓監(jiān)測或統(tǒng)計功能的控制器具有斷電保護，斷電后統(tǒng)計數(shù)據(jù)保持時間不小于72h | ||
安裝參數(shù) | |||
尺寸（高/寬/深） | Mm | 2260×800×600 | - |
防護等級 | - | IP32 | -戶內安裝 |
開門方式 | 單開門，門軸在右側(面對柜正面為準) | ||
柜體進線 | - | 底部進線 | - |
4. 硬件設備清單
序號 | 功能模塊 | 說明 |
1 | 核心服務器 （HPH-3200） | 運行優(yōu)化控制系統(tǒng) |
2 | 監(jiān)控服務器 （HPH-3100） | 提供遠程監(jiān)控站人機界面（HMI） |
3 | 工業(yè)交換機 | 優(yōu)化系統(tǒng)內部各服務器間的數(shù)據(jù)通訊 |
4 | 并網(wǎng)監(jiān)測模塊 （HPH-500） | 監(jiān)測點電壓、電流檢測及變送遠傳 |
5 | 專用通信管理模塊 （HP-300） | 逆變器數(shù)據(jù)采集及優(yōu)化控制 |
6 | 屏柜 | 就地機柜及其配套的端子、配電、配線、壓板等 |
4.1核心服務器HPH-3200
? 通過中國電科院EMC電力4級認證，符合IEC-61850-3標準
? 板載Intel Apollo Lake / Bay Trail嵌入式處理器
? 支持到8GB DDR3L,VGA顯示接口
? 板載6×GbE,10/100MbpsBase_T RJ-45接口，可擴展至12路
? 可擴展8路RS-232/485隔離串口
? 支持 Windows及Linux操作系統(tǒng)
? 低功耗，無風扇設計
4.2并網(wǎng)測控裝置HPH-500
? 高精度、高速同步采樣技術
? 多處理器并行計算技術
? 高可靠網(wǎng)絡通訊技術
? 嵌入式實時操作系統(tǒng)
5. 軟件模塊
序號 | 基礎模塊 | 序號 | 功能模塊 （可選） |
1 | 核心算法模型模塊 | 1 | 逆變器接口控制模塊 |
2 | 實時控制監(jiān)測系統(tǒng) | 2 | 一次調頻功能模塊 |
3 | 遠程優(yōu)化控制 | 3 | 單體無功補償功能模塊 |
4 | 就地自動優(yōu)化控制 | 4 | 自動SVC/SVG補償控制模塊 |
5 | SCADA接口控制模塊 | 5 | 并網(wǎng)點電壓控制模塊 |
6 | 進程看護模塊 | 6 | 并網(wǎng)點無功功率控制模塊 |
7 | 系統(tǒng)告警管理模塊 | 7 | 并網(wǎng)點功率因數(shù)控制模塊 |
8 | 故障告警管理模塊 | 8 | SVC接口控制模塊 |
9 | 信息發(fā)布接口（OPC） | 9 | SVG接口控制模塊 |
10 | 遠程集中式運行管理 | 10 | 風機接口控制模塊 |
6. 指標對比
一次調頻參數(shù)指標對比 | |||
序號 | 指標名稱 | 產品指標 | 電網(wǎng)要求（指標要求） |
1 | 響應滯后時間 | 1s | 2s |
2 | 響應時間 | 3s | 5s |
3 | 調節(jié)時間 | 5s | 15s |
4 | 調頻控制偏差 | 1% | 1% |
5 | 頻率精度 | 0.003Hz | 0.003Hz |
6 | 頻率采樣周期 | 0.1s | 0.1s |
7 | 控制周期 | 0.2s | 1s |
本調頻調壓控制系統(tǒng)技術源于戰(zhàn)略合作方北京鴻普惠信息技術有限公司2015年至今研發(fā)的新能源快速頻率響應控制系統(tǒng)（HPH-7000），經過多年測試，取得國家3項，計算機軟件著作權6項，于2018年9月取得中國電力科學研究院的檢測報告，可為用戶新能源電站提供快速、可靠、準確的調頻控制響應系統(tǒng)，實現(xiàn)新能源場站一次調頻功能。
2019年3月30日，快速頻率響應控制系統(tǒng)已通過測試機構測試，完成入網(wǎng)試驗。
