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研究背景
隨著新能源發(fā)電逐步取代同步機組，系統(tǒng)調(diào)頻資源不足，頻率安全問題凸顯。新能源場站（renewable energy station,RES）提供快速頻率支撐（fast frequency support,FFS）成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的必然要求。RES-FFS的特性是場站內(nèi)部多設(shè)備、多環(huán)節(jié)綜合作用的結(jié)果，受到實時風光資源、控制策略、設(shè)備特性、電網(wǎng)條件等多因素的影響和制約。量化評估場站快速頻率支撐能力（fast frequency support capability,FFSC）是指導場站調(diào)頻優(yōu)化控制、分析新型電力系統(tǒng)頻率響應特性、實現(xiàn)場站調(diào)頻資源與電網(wǎng)交互的基礎(chǔ)和前提。本文首先給出RES-FFS的含義并分析其特征；然后，給出了RES-FFSC的定義，梳理其量化評估指標體系，并總結(jié)各指標的計算方法；最后，對有關(guān)RES-FFSC量化評估的關(guān)鍵問題進行研究展望。
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RES-FFS的概念與特征
2.1 FFS的概念
FFS的定義為：在電網(wǎng)中出現(xiàn)嚴重有功功率不平衡后，支撐資源在同步機一次調(diào)頻啟動之前率先響應，通過快速改變有功功率注入，與同步慣量和一次調(diào)頻共同抑制擾動后初期系統(tǒng)頻率快速變化的措施。
FFS與同步機的慣量支撐、一次調(diào)頻存在本質(zhì)不同，詳細對比如表1所示。FFS主要由通過變流器并網(wǎng)的設(shè)備提供，F(xiàn)FS資源主要包括風電、光伏、儲能裝置和直流輸電。RES-FFS技術(shù)正在向超越常規(guī)電源響應速度的方向發(fā)展，將成為未來電力系統(tǒng)中提供FFS的重要主體。
表1 FFS 與慣量支撐、一次調(diào)頻的對比
2.2 RES-FFS的特征
RES-FFS是場站內(nèi)部大量風/光/儲支撐單元有功功率-頻率響應綜合作用的效果，具備以下特征:
1）受多因素影響和制約：RES-FFS的實現(xiàn)受光/風資源、外部電網(wǎng)條件和各發(fā)電單元內(nèi)部機械/電氣環(huán)節(jié)的多重約束。
2）時變性顯著：受風光資源波動、電網(wǎng)邊界、發(fā)電單元運行點變化的影響，RES-FFS控制方式以及參數(shù)需要動態(tài)變化，呈現(xiàn)出時變特點。
3）功率上調(diào)需有備用容量：為提供可持續(xù)的功率上調(diào)能力，場站需要預先降載運行。
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RES-FFSC的定義、評估指標體系與影響因素
3.1 定義
RES-FFSC是對RES-FFS的響應效果或可調(diào)潛力的量化描述。
3.2 評估指標體系
本文從狀態(tài)屬性、控制特性和支撐效果3個維度對現(xiàn)有RES-FFSC的評估指標體系進行歸納。3個評估維度與FFS過程中“頻率-功率-能量”之間的關(guān)系如圖1所示，評估指標的細化分解如表2所示。
圖1 RES-FFSC的三維評估指標
表2 RES-FFSC的量化評估指標
1）維度1——狀態(tài)屬性：表征RES的能量/功率儲備。包括RES內(nèi)發(fā)電單元存儲的機械能、電化學能等各類能量，以及通過降載留存的功率/能量。
2）維度2——控制特性：表征RES-FFS的響應特性。從等效參數(shù)的角度，可用等效慣量、下垂系數(shù)等表示；從可執(zhí)行域的角度，可描述為在多重限制因素制約下RES可調(diào)節(jié)功率或可執(zhí)行控制參數(shù)指令的取值極限。
3）維度3——支撐效果：表征RES-FFS對系統(tǒng)調(diào)頻過程的貢獻度。包括對系統(tǒng)頻率響應關(guān)鍵指標的改善程度，以及RES提供的功率/能量支撐水平。
3.3 影響因素
RES-FFSC是其內(nèi)部各分散受控發(fā)電單元多設(shè)備、多環(huán)節(jié)頻率響應綜合作用的結(jié)果，其影響因素眾多且相互耦合。主要影響因素可以分為穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)、有功功率-頻率控制、電網(wǎng)條件以及限制因素4類，如圖2所示。
圖2 RES-FFSC的關(guān)鍵因素
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RES-FFSC的計算方法
4.1 狀態(tài)屬性指標
狀態(tài)屬性維度包含場站上調(diào)備用功率和能量儲備兩類評估指標，上調(diào)備用功率表征在當前資源條件下場站理論發(fā)電功率與實際發(fā)電功率的差值；能量儲備為場站內(nèi)部儲能裝置的儲備能量，主要包括風電機組的軸系動能以及電容器、電化學儲能裝置的電能。
4.2 控制特性指標
控制特性維度包含等效參數(shù)和可執(zhí)行域兩類評估指標。其中，等效參數(shù)用于量化表征RES-FFS響應過程中的有功功率-頻率控制響應特性；可執(zhí)行域為場站可調(diào)功率或控制參數(shù)的取值范圍。
4.2.1 等效參數(shù)
常用的等效參數(shù)指標包含等效功率增量、等效慣量和等效下垂系數(shù)3類。其計算方法主要有4類：1）直接計算法——從控制方程出發(fā)，理論推導等效參數(shù)；2）備用功率折算法——將場站的備用功率折算為等效調(diào)頻參數(shù)；3）釋放能量法——將RES-FFS過程中RES釋放的能量折算為等效參數(shù)；4）參數(shù)辨識法——根據(jù)仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)辨識方法對等效參數(shù)進行辨識計算。各類方法的適用場景、優(yōu)勢和局限性對比如表3所示。
表3 RES-FFSC等效參數(shù)計算方法對比
4.2.2可執(zhí)行域
常用于表征可執(zhí)行域的評估指標包括“可持續(xù)支撐功率極限”和“可執(zhí)行下垂系數(shù)極限”兩類，一般通過求解優(yōu)化模型得到。其計算的關(guān)鍵在于對功率/參數(shù)邊界的求解，力圖找到在滿足電氣、機械、安全穩(wěn)定等各類約束條件下，場站調(diào)頻附加功率或控制參數(shù)的取值邊界。
4.3 支撐效果指標
支撐效果維度包括調(diào)頻效果和響應性能兩類指標。其中，調(diào)頻效果評估指標一般通過離線仿真得到，需要獲知系統(tǒng)頻率響應模型，并在預想事故下分析RES參與調(diào)頻對系統(tǒng)頻率響應的改善程度。支撐功率響應性能類指標一般通過RES調(diào)頻響應能力測試得到。
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RES-FFSC量化評估的關(guān)鍵問題
5.1 RES內(nèi)部風/光資源微觀分布的分鐘級實時滾動評估
由于新能源單機風/光資源條件在1 min時間尺度內(nèi)已出現(xiàn)較為明顯的變化，RES的有功功率調(diào)節(jié)能力也隨之發(fā)生顯著變化。因此，有必要以分鐘級實時更新RES-FFSC的評估結(jié)果，需要以單機風/光資源分鐘級滾動評估作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，目前的RES風/光資源實時評估模型的時空精細度不能滿足RES-FFSC計算的要求。本文構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)融合混合實測-推演的RES微觀資源特性滾動評估框架，將多時空分辨率的多源數(shù)據(jù)進行同一時空標尺融合，并結(jié)合RES內(nèi)部微地形、尾流模型等模型信息，實現(xiàn)風/光微觀特性的分鐘級滾動評估，如圖3所示。
圖3 微觀資源的滾動評估研究思路
5.2 融合多種控制策略的場站頻率響應聚合
在單機自主響應模式下，RES內(nèi)各發(fā)電單元在FFS過程中結(jié)合自身資源條件和運行狀態(tài)，自適應選擇調(diào)頻控制策略和控制參數(shù)。由于各發(fā)電單元資源條件、運行點和頻率動態(tài)特性不一，各調(diào)頻電源的控制模式存在差異，難以通過簡單的控制參數(shù)線性疊加方法得到聚合響應結(jié)果。本文構(gòu)建了RES-FFS響應特性等效聚合特性分析框架，首先基于主要特征的時序變化進行機組動態(tài)分群聚類，然后采用數(shù)據(jù)驅(qū)動修正由模型計算得到的等效參數(shù)，如圖4所示。
圖4 頻率響應特性聚合研究思路
5.3 RES可執(zhí)行調(diào)頻指令邊界計算與優(yōu)化提升
在集中控制模式下，在FFS過程中RES集控系統(tǒng)根據(jù)并網(wǎng)點頻率變化特性，結(jié)合單機運行監(jiān)控信息，將功率調(diào)整量下發(fā)給每臺發(fā)電單元。獲知RES的可調(diào)功率邊界，并將功率調(diào)整量合理下發(fā)給場站內(nèi)部各臺機組是關(guān)鍵問題。本文構(gòu)建了時變資源條件下RES可執(zhí)行調(diào)頻指令邊界計算與優(yōu)化的研究框架，如圖5所示。首先，基于歷史運行數(shù)據(jù)構(gòu)建場站功率與風/光資源的映射關(guān)系；然后，分析發(fā)電單元運行點、控制模式對有功調(diào)節(jié)能力的影響；最后，結(jié)合模型預測控制等決策方法計算可調(diào)邊界，并滾動分配單機調(diào)頻配額。
圖5 可執(zhí)行調(diào)頻指令邊界計算研究思路
5.4 考慮RES-FFSC的調(diào)頻資源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)控
將RES-FFSC納入系統(tǒng)調(diào)頻體系，是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)調(diào)頻資源優(yōu)化調(diào)控的新需求。然而，RES-FFSC呈現(xiàn)出與資源條件、控制特性等因素相關(guān)的時變特性。為使RES調(diào)頻資源為調(diào)度所用，將RES-FFSC以合適的方式嵌入電力系統(tǒng)調(diào)頻資源調(diào)度體系是一個關(guān)鍵問題。本文構(gòu)建了考慮RES-FFSC的場-網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)控研究框架，如圖6所示。首先，分析電網(wǎng)邊界、資源條件、降載方式對RES-FFSC的影響；然后，構(gòu)建考慮RES-FFSC的系統(tǒng)頻率響應模型，進而根據(jù)系統(tǒng)對調(diào)頻資源的需要為RES設(shè)置合適的降載功率，在保障系統(tǒng)頻率安全的同時，提升運行經(jīng)濟性。
圖6 考慮RES-FFSC的調(diào)頻資源協(xié)調(diào)優(yōu)化研究思路
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結(jié)論
量化評估RES-FFSC是實現(xiàn)RES調(diào)頻資源與電網(wǎng)交互的首要問題，然而其評估指標和計算方法尚缺乏系統(tǒng)性梳理。本文從RES-FFS的特性出發(fā)，定義了RES-FFSC以對RES-FFS進行量化表征。從頻率支撐過程中“頻率-功率-能量”的角度，梳理了RES-FFSC的“狀態(tài)屬性-控制特性-支撐效果”三維量化評估指標體系，辨析三維指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并分析其全環(huán)節(jié)影響因素。
進一步，總結(jié)了國內(nèi)外對上述各類評估指標的計算方法研究進展。提出了RES微觀資源分鐘級滾動評估，融合多控制策略的場站頻率響應聚合，可執(zhí)行調(diào)頻指令邊界計算與優(yōu)化提升，以及考慮RES-FFSC的場-網(wǎng)調(diào)頻資源協(xié)調(diào)優(yōu)化這4個值得進一步探索的問題，并分別給出了對應的研究框架。
