鲁宗相,李佳明,乔颖,等/新能源场站快速频率支撑能力评估研究现状与技术展望/2024,48(10):1-19.
研究背景
随着新能源发电逐步取代同步机组，系统调频资源不足，频率安全问题凸显。新能源场站（renewable energy station,RES）提供快速频率支撑（fast frequency support,FFS）成为构建新型电力系统的必然要求。RES-FFS的特性是场站内部多设备、多环节综合作用的结果，受到实时风光资源、控制策略、设备特性、电网条件等多因素的影响和制约。量化评估场站快速频率支撑能力（fast frequency support capability,FFSC）是指导场站调频优化控制、分析新型电力系统频率响应特性、实现场站调频资源与电网交互的基础和前提。本文首先给出RES-FFS的含义并分析其特征；然后，给出了RES-FFSC的定义，梳理其量化评估指标体系，并总结各指标的计算方法；最后，对有关RES-FFSC量化评估的关键问题进行研究展望。
RES-FFS的概念与特征
2.1 FFS的概念
FFS的定义为：在电网中出现严重有功功率不平衡后，支撑资源在同步机一次调频启动之前率先响应，通过快速改变有功功率注入，与同步惯量和一次调频共同抑制扰动后初期系统频率快速变化的措施。
FFS与同步机的惯量支撑、一次调频存在本质不同，详细对比如表1所示。FFS主要由通过变流器并网的设备提供，FFS资源主要包括风电、光伏、储能装置和直流输电。RES-FFS技术正在向超越常规电源响应速度的方向发展，将成为未来电力系统中提供FFS的重要主体。
表1 FFS 与惯量支撑、一次调频的对比
2.2 RES-FFS的特征
RES-FFSC的定义、评估指标体系与影响因素
3.1 定义
RES-FFSC是对RES-FFS的响应效果或可调潜力的量化描述。
3.2 评估指标体系
本文从状态属性、控制特性和支撑效果3个维度对现有RES-FFSC的评估指标体系进行归纳。3个评估维度与FFS过程中“频率-功率-能量”之间的关系如图1所示，评估指标的细化分解如表2所示。
图1 RES-FFSC的三维评估指标
表2 RES-FFSC的量化评估指标
1）维度1——状态属性：表征RES的能量/功率储备。包括RES内发电单元存储的机械能、电化学能等各类能量，以及通过降载留存的功率/能量。
2）维度2——控制特性：表征RES-FFS的响应特性。从等效参数的角度，可用等效惯量、下垂系数等表示；从可执行域的角度，可描述为在多重限制因素制约下RES可调节功率或可执行控制参数指令的取值极限。
3）维度3——支撑效果：表征RES-FFS对系统调频过程的贡献度。包括对系统频率响应关键指标的改善程度，以及RES提供的功率/能量支撑水平。
3.3 影响因素
RES-FFSC是其内部各分散受控发电单元多设备、多环节频率响应综合作用的结果，其影响因素众多且相互耦合。主要影响因素可以分为稳态运行状态、有功功率-频率控制、电网条件以及限制因素4类，如图2所示。
图2 RES-FFSC的关键因素
RES-FFSC的计算方法
4.1 状态属性指标
状态属性维度包含场站上调备用功率和能量储备两类评估指标，上调备用功率表征在当前资源条件下场站理论发电功率与实际发电功率的差值；能量储备为场站内部储能装置的储备能量，主要包括风电机组的轴系动能以及电容器、电化学储能装置的电能。
4.2 控制特性指标
控制特性维度包含等效参数和可执行域两类评估指标。其中，等效参数用于量化表征RES-FFS响应过程中的有功功率-频率控制响应特性；可执行域为场站可调功率或控制参数的取值范围。
4.2.1 等效参数
常用的等效参数指标包含等效功率增量、等效惯量和等效下垂系数3类。其计算方法主要有4类：1）直接计算法——从控制方程出发，理论推导等效参数；2）备用功率折算法——将场站的备用功率折算为等效调频参数；3）释放能量法——将RES-FFS过程中RES释放的能量折算为等效参数；4）参数辨识法——根据仿真或实测数据，采用系统辨识方法对等效参数进行辨识计算。各类方法的适用场景、优势和局限性对比如表3所示。
表3 RES-FFSC等效参数计算方法对比
4.2.2可执行域
常用于表征可执行域的评估指标包括“可持续支撑功率极限”和“可执行下垂系数极限”两类，一般通过求解优化模型得到。其计算的关键在于对功率/参数边界的求解，力图找到在满足电气、机械、安全稳定等各类约束条件下，场站调频附加功率或控制参数的取值边界。
4.3 支撑效果指标
支撑效果维度包括调频效果和响应性能两类指标。其中，调频效果评估指标一般通过离线仿真得到，需要获知系统频率响应模型，并在预想事故下分析RES参与调频对系统频率响应的改善程度。支撑功率响应性能类指标一般通过RES调频响应能力测试得到。
RES-FFSC量化评估的关键问题
5.1 RES内部风/光资源微观分布的分钟级实时滚动评估
由于新能源单机风/光资源条件在1 min时间尺度内已出现较为明显的变化，RES的有功功率调节能力也随之发生显著变化。因此，有必要以分钟级实时更新RES-FFSC的评估结果，需要以单机风/光资源分钟级滚动评估作为数据基础。然而，目前的RES风/光资源实时评估模型的时空精细度不能满足RES-FFSC计算的要求。本文构建了基于数据融合混合实测-推演的RES微观资源特性滚动评估框架，将多时空分辨率的多源数据进行同一时空标尺融合，并结合RES内部微地形、尾流模型等模型信息，实现风/光微观特性的分钟级滚动评估，如图3所示。
图3 微观资源的滚动评估研究思路
5.2 融合多种控制策略的场站频率响应聚合
在单机自主响应模式下，RES内各发电单元在FFS过程中结合自身资源条件和运行状态，自适应选择调频控制策略和控制参数。由于各发电单元资源条件、运行点和频率动态特性不一，各调频电源的控制模式存在差异，难以通过简单的控制参数线性叠加方法得到聚合响应结果。本文构建了RES-FFS响应特性等效聚合特性分析框架，首先基于主要特征的时序变化进行机组动态分群聚类，然后采用数据驱动修正由模型计算得到的等效参数，如图4所示。
图4 频率响应特性聚合研究思路
5.3 RES可执行调频指令边界计算与优化提升
在集中控制模式下，在FFS过程中RES集控系统根据并网点频率变化特性，结合单机运行监控信息，将功率调整量下发给每台发电单元。获知RES的可调功率边界，并将功率调整量合理下发给场站内部各台机组是关键问题。本文构建了时变资源条件下RES可执行调频指令边界计算与优化的研究框架，如图5所示。首先，基于历史运行数据构建场站功率与风/光资源的映射关系；然后，分析发电单元运行点、控制模式对有功调节能力的影响；最后，结合模型预测控制等决策方法计算可调边界，并滚动分配单机调频配额。
图5 可执行调频指令边界计算研究思路
5.4 考虑RES-FFSC的调频资源协调优化调控
将RES-FFSC纳入系统调频体系，是实现新型电力系统调频资源优化调控的新需求。然而，RES-FFSC呈现出与资源条件、控制特性等因素相关的时变特性。为使RES调频资源为调度所用，将RES-FFSC以合适的方式嵌入电力系统调频资源调度体系是一个关键问题。本文构建了考虑RES-FFSC的场-网协调优化调控研究框架，如图6所示。首先，分析电网边界、资源条件、降载方式对RES-FFSC的影响；然后，构建考虑RES-FFSC的系统频率响应模型，进而根据系统对调频资源的需要为RES设置合适的降载功率，在保障系统频率安全的同时，提升运行经济性。
图6 考虑RES-FFSC的调频资源协调优化研究思路
结论
量化评估RES-FFSC是实现RES调频资源与电网交互的首要问题，然而其评估指标和计算方法尚缺乏系统性梳理。本文从RES-FFS的特性出发，定义了RES-FFSC以对RES-FFS进行量化表征。从频率支撑过程中“频率-功率-能量”的角度，梳理了RES-FFSC的“状态属性-控制特性-支撑效果”三维量化评估指标体系，辨析三维指标之间的关联关系并分析其全环节影响因素。
进一步，总结了国内外对上述各类评估指标的计算方法研究进展。提出了RES微观资源分钟级滚动评估，融合多控制策略的场站频率响应聚合，可执行调频指令边界计算与优化提升，以及考虑RES-FFSC的场-网调频资源协调优化这4个值得进一步探索的问题，并分别给出了对应的研究框架。
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/ 引文信息
鲁宗相,李佳明,乔颖,等.新能源场站快速频率支撑能力评估研究现状与技术展望[J].电力系统自动化,2024,48(10):1-19.
LU Zongxiang, LI Jiaming, QIAO Ying, et al. Research Status and Technology Prospects of Fast Frequency Support Capability Assessment for Renewable Energy Stations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2024, 48(10):1-19.
主要作者简介
Introduction to the Main Authors
鲁宗相
博士、清华大学电机系教授、清华四川能源互联网研究院常务副院长，IET Fellow、IEEE Senior Member、中国电机工程学会高级会员、四川电机工程学会副理事长、北京电机工程学会新能源专业委员会副主任委员、可再生能源学会综合系统专委会副主任委员，“峨眉计划”特聘专家、“天府英才”计划高级A类人才。荣获国家科技进步奖二等奖1项、日内瓦国际发明金奖1项、省部级奖励23项。主要研究方向：风电/太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性、分布式电源及微电网。
乔 颖
博士，清华大学电机系副研究员。主要研究方向：新能源、分布式发电、电力系统安全与控制。
李佳明
博士，2024年6月毕业于清华大学电机系，现就职于电力规划总院有限公司。主要研究方向：电力系统规划、新能源主动支撑技术。
清华大学电机系“新能源电力系统运行”研究团队成立于2002年，重点围绕高比例新能源电力系统规划与运行领域开展基础理论与前沿技术研究。团队目前在高/极高比例新能源电力系统灵活性规划与能源系统供给分析、大规模风光电源功率预测、源网荷储协调综合优化运行与新能源电源主动支撑电网技术4个方向开展了前瞻性研究，依托一系列国家重大基金项目、国内电力企业委托开发项目与科研单位咨询项目，积累了丰富的实际数据、现场分析经验与理论基础，团队研发成果已被广泛应用于多家能源电力企业，为“三北”、西南等区域解决高比例新能源并网消纳、规划与运行控制难题提供了有力支撑。
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