大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響分析

任杰，陳得治，宋云亭，汪寧渤，田建設(shè)

(1.華北電力大學(xué)(保定)，河北保定071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；3.甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅蘭州730050)

大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響分析

任杰1，陳得治2，宋云亭2，汪寧渤3，田建設(shè)1

(1.華北電力大學(xué)(保定)，河北保定071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；3.甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅蘭州730050)

隨著我國(guó)風(fēng)電的快速發(fā)展，由于風(fēng)速的波動(dòng)性和不可預(yù)見(jiàn)性而引發(fā)問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，如短時(shí)間內(nèi)風(fēng)電功率波動(dòng)過(guò)大、大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等。若電網(wǎng)中其他發(fā)電機(jī)組不能對(duì)此迅速做出響應(yīng)時(shí)，則有可能造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。對(duì)風(fēng)速特性進(jìn)行了分析，選取了兩種典型風(fēng)速擾動(dòng)來(lái)模擬對(duì)系統(tǒng)頻率的影響；并對(duì)風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的沖擊進(jìn)行了仿真模擬，提出了降低頻率波動(dòng)的優(yōu)化措施。

風(fēng)電并網(wǎng)；風(fēng)速波動(dòng)；一次調(diào)頻；大規(guī)模脫網(wǎng)；優(yōu)化措施

清潔能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，是保障我國(guó)能源安全、優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要舉措，其中新能源發(fā)電尤其是風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最快、技術(shù)最成熟、商業(yè)化前景最好的清潔能源開發(fā)方式[1－3]。我國(guó)西北部地區(qū)風(fēng)能資源豐富，是規(guī)劃中的千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。隨著我國(guó)風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響問(wèn)題也越來(lái)越突出。

由于風(fēng)速具有波動(dòng)性和不可預(yù)見(jiàn)性，若風(fēng)電功率波動(dòng)較大或者風(fēng)電場(chǎng)因故整體退出運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力和負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)不平衡，當(dāng)電網(wǎng)其他發(fā)電機(jī)組不能夠?qū)Υ俗龀隹焖俜磻?yīng)時(shí)，則有可能造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運(yùn)行[4]。頻率作為電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，即使是很小的偏差，也會(huì)造成用電設(shè)備工作異常、出力降低等情況，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生發(fā)電機(jī)組跳脫、系統(tǒng)頻率崩潰等事故。因此，研究大規(guī)模風(fēng)電接入下對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響，并據(jù)此提出減小頻率波動(dòng)變化的措施是至關(guān)重要的。

本文研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)方面：針對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)性的特點(diǎn)，分別附加漸進(jìn)風(fēng)和陣風(fēng)兩種擾動(dòng)，利用BPA仿真平臺(tái)，對(duì)擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率的變化進(jìn)行仿真分析；結(jié)合風(fēng)電易脫網(wǎng)的特點(diǎn)，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)情況下的電網(wǎng)頻率進(jìn)行仿真模擬，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 風(fēng)速特性分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通常是處于一定的功率水平，可認(rèn)為有一基本風(fēng)速與之對(duì)應(yīng)。若考慮風(fēng)速的隨機(jī)擾動(dòng)，則作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度處的風(fēng)速可表示為：

式中：vwn表示風(fēng)速的隨機(jī)小擾動(dòng)量。

為了反映風(fēng)速的突然變化特性和漸變特性，可分別在式(1)基礎(chǔ)上疊加一陣風(fēng)分量vwg和一漸變風(fēng)分量vwr，而總的風(fēng)速為上述幾種風(fēng)速，即隨機(jī)風(fēng)、陣風(fēng)、漸進(jìn)風(fēng)和基本風(fēng)速的疊加，有：

研究表明，在一個(gè)分鐘級(jí)別的時(shí)間框架內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)的機(jī)械功率輸出可以分解為四個(gè)主要分量的和：基本分量、隨機(jī)分量、漸變分量以及陣風(fēng)分量，分別對(duì)應(yīng)總風(fēng)速中的基本風(fēng)速、隨機(jī)風(fēng)速、漸變風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速。由于隨機(jī)風(fēng)速分量是無(wú)法預(yù)測(cè)的，且其相對(duì)于漸進(jìn)風(fēng)和陣風(fēng)來(lái)說(shuō)，對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的影響非常小，可以忽略不計(jì)。下面針對(duì)陣風(fēng)和漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)，分別模擬其對(duì)系統(tǒng)頻率的影響。

2 風(fēng)速波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

基礎(chǔ)方式的邊界條件：研究方式下的某電網(wǎng)負(fù)荷為64 918.7MW，發(fā)電出力為72 698.7 MW(包括直流外送的等效負(fù)荷7 780MW)，風(fēng)電總裝機(jī)容量為5 370.5 MW，總出力3 511.0MW，常規(guī)機(jī)組備用總?cè)萘繛? 134.2MW，備用系數(shù)約為4.98%。

2.1 風(fēng)速波動(dòng)性模擬

2.1.1 陣風(fēng)模擬

陣風(fēng)是比較典型的突變風(fēng)速，模擬由于陣風(fēng)擾動(dòng)引起的風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)，能夠很好地反映短期內(nèi)風(fēng)速的波動(dòng)性。采取一種理想狀態(tài)下的陣風(fēng)模擬：初始風(fēng)速為4m/s，陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)刻為1 s，作用時(shí)間是25 s，最大值為11m/s，以電網(wǎng)中某200 MW風(fēng)電場(chǎng)中單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組為例，來(lái)模擬陣風(fēng)過(guò)后單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出力。

在1 s時(shí)刻施加陣風(fēng)擾動(dòng)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速初始值為4m/s，由于還未達(dá)到風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速，此時(shí)機(jī)組出力接近于0MW；在漸增的風(fēng)速作用下，16 s時(shí)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到了最大出力1.38 MW，隨后在逐漸減弱的風(fēng)速作用下機(jī)組出力也不斷減小，在近26 s時(shí)，陣風(fēng)作用時(shí)間結(jié)束，風(fēng)電機(jī)組出力也幾乎減小為0 MW。由于風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)的快速波動(dòng)，必將會(huì)給電網(wǎng)的頻率帶來(lái)一定的沖擊。

假設(shè)風(fēng)電基地所有風(fēng)場(chǎng)均受到相同時(shí)刻、相同大小的陣風(fēng)影響，以基礎(chǔ)方式為例，分析陣風(fēng)作用下，風(fēng)電基地出力波動(dòng)給電網(wǎng)頻率帶來(lái)的影響，此時(shí)系統(tǒng)頻率變化情況如圖1所示。

圖1 陣風(fēng)作用下系統(tǒng)頻率變化

如圖1所示，系統(tǒng)初始頻率為50 Hz，陣風(fēng)作用下，在1～16 s時(shí)間內(nèi)風(fēng)電出力逐漸增大至最大值，隨著風(fēng)電出力的增加，系統(tǒng)頻率也隨之升高至50.22Hz。在16 s后，由于陣風(fēng)風(fēng)速逐漸減弱，風(fēng)電出力逐步減小，系統(tǒng)頻率也回落，在26 s左右跌至最低點(diǎn)49.90Hz。

選取電網(wǎng)中兩個(gè)參與一次調(diào)頻的典型發(fā)電機(jī)組，模擬由于受到陣風(fēng)影響，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)變化的情況下，機(jī)組電磁功率的輸出。其中G1為火電機(jī)組，G2為水電機(jī)組。兩個(gè)機(jī)組出力和備用容量分別如表1所示。

不同機(jī)組電磁功率輸出變化情況如圖2所示。

由圖2可知，在陣風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)電出力增大時(shí)，由于自身調(diào)速器的作用，網(wǎng)內(nèi)部分機(jī)組會(huì)降低出力，來(lái)平抑頻率的波動(dòng)。綜合圖3、圖4可知，風(fēng)電基地出力在短時(shí)間內(nèi)的大幅變化會(huì)給系統(tǒng)頻率帶來(lái)一定程度的波動(dòng)，但由于電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的作用，部分常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)出力，使得頻率偏差穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，頻率質(zhì)量及安全尚能保證。

圖2 陣風(fēng)作用下不同機(jī)組出力

圖3 漸進(jìn)風(fēng)作用下系統(tǒng)頻率變化

圖4 漸進(jìn)風(fēng)作用下不同機(jī)組出力

2.1.2 漸進(jìn)風(fēng)模擬

漸進(jìn)風(fēng)也是比較典型的風(fēng)速，模擬漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)造成的風(fēng)電機(jī)組出力變化，也可較好地反映風(fēng)電的波動(dòng)特性。采取以下數(shù)據(jù)來(lái)模擬漸進(jìn)風(fēng)：初始風(fēng)速為11.4m/s，漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)啟動(dòng)時(shí)刻為1 s，終止時(shí)刻為15 s，保持時(shí)間是8 s，降低最大值是7.5 m/s。模擬風(fēng)電出力由最大值短時(shí)間內(nèi)下降的情形。在漸進(jìn)風(fēng)的作用下，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組初始值為其最大出力1.5MW，在1 s時(shí)刻附加漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)后，風(fēng)速逐漸減弱，15 s后降至0MW，并持續(xù)8 s左右。

以基礎(chǔ)方式為例，假設(shè)風(fēng)電基地所有風(fēng)場(chǎng)均受到相同時(shí)刻、相同大小的漸進(jìn)風(fēng)影響，模擬此時(shí)系統(tǒng)頻率變化情況，如圖3所示。

如圖3所示，在漸進(jìn)風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速下降，風(fēng)電場(chǎng)出力逐漸降低；在風(fēng)速達(dá)到最小時(shí)，系統(tǒng)頻率跌至最低值49.22 Hz，接近臨界失穩(wěn)值，若此時(shí)有更多的風(fēng)電場(chǎng)在漸進(jìn)風(fēng)的作用下出力降至零，將有可能出現(xiàn)頻率失穩(wěn)的現(xiàn)象。

選取四個(gè)典型機(jī)組，模擬在受到漸進(jìn)風(fēng)影響、系統(tǒng)頻率變化的情況下，不同機(jī)組的電磁功率輸出，其中G1、G2、G4為火電機(jī)組，G3為水電機(jī)組，機(jī)組出力和備用如表2所示。

如圖4所示，隨著漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)使得風(fēng)電出力降低時(shí)，網(wǎng)內(nèi)留有備用的機(jī)組會(huì)調(diào)出備用來(lái)滿足功率平衡，抑制頻率的下降，而對(duì)于不同機(jī)組，留有備用容量大的機(jī)組調(diào)出出力較多，對(duì)抑制頻率下降的作用也較大。

2.2 風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)模擬

仍然選用上述電網(wǎng)數(shù)據(jù)，備用容量約為4.98%，風(fēng)電總出力為3 511.0MW。對(duì)風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)進(jìn)行模擬，當(dāng)脫網(wǎng)風(fēng)電容量分別為2 300、3 300、3 500MW(全部脫網(wǎng)時(shí))，系統(tǒng)頻率變化分別如圖5所示。

圖5 風(fēng)電脫網(wǎng)2 300、3 300MW、全部脫網(wǎng)情況下系統(tǒng)頻率變化曲線

由圖5可知，當(dāng)脫網(wǎng)風(fēng)電容量達(dá)到約3 300MW時(shí)，由于功率缺額，系統(tǒng)頻率偏差達(dá)到近1 Hz，接近低頻減載動(dòng)作閾值49Hz。當(dāng)風(fēng)機(jī)全部脫網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)最低頻率降到49 Hz以下，觸動(dòng)低頻減載裝置動(dòng)作，切除系統(tǒng)中負(fù)荷3 100MW，使得系統(tǒng)有功功率重新趨于平衡，系統(tǒng)頻率迅速回升到正常水平。

為了正確反映風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，不應(yīng)觸動(dòng)低頻減載裝置動(dòng)作，即頻率變化最大值不能超過(guò)低頻減載動(dòng)作閾值1 Hz。因此，模擬風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW，選取如表2中所示的四臺(tái)機(jī)組，其電磁功率輸出情況如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)3 300MW下不同機(jī)組出力

由圖6可知，由于風(fēng)功率波動(dòng)較大，留有備用的機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)會(huì)將備用容量調(diào)出，來(lái)平抑風(fēng)電脫網(wǎng)造成的功率缺額及頻率波動(dòng)，部分機(jī)組出力達(dá)到最大功率，如G3機(jī)組達(dá)到最大功率360MW，火電機(jī)組G1、水電機(jī)組G2也均接近其最大功率300MW；滿發(fā)機(jī)組由于沒(méi)有備用容量可供調(diào)出，如G4機(jī)組，經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后機(jī)組功率輸出仍維持原值不變。

3 一次調(diào)頻特性的優(yōu)化

電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)過(guò)程與其一次調(diào)頻能力直接相關(guān)，影響一次調(diào)頻能力的因素主要有備用容量比例、備用容量分布、調(diào)速器調(diào)差系數(shù)、死區(qū)等等，下面分別對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，模擬各個(gè)參數(shù)調(diào)整后系統(tǒng)頻率變化情況。

(1)備用容量增大，分布位置不變

備用分布的位置不變，只是將原各臺(tái)機(jī)組的備用增大，當(dāng)備用由3 134.2MW增大到4 602.2MW，備用率由4.98%增大到7.14%，當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW時(shí)，系統(tǒng)頻率變化如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)3 300 MW，不同備用容量下系統(tǒng)頻率變化曲線

由圖7可知，備用率為4.98%下的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為49.03 Hz，穩(wěn)定在49.24 Hz；而備用率為7.14%下的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為49.26Hz，穩(wěn)定在49.43Hz。由此可見(jiàn)，增加調(diào)頻備用容量對(duì)改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有一定的作用。

(2)備用容量不變，留有備用的機(jī)組臺(tái)數(shù)增多

備用仍為4.98%，但備用機(jī)組臺(tái)數(shù)增多，當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)3 300 MW時(shí)，系統(tǒng)頻率變化如圖8所示。

圖8 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)3 300 MW，不同備用機(jī)組下系統(tǒng)頻率變化曲線

若備用分布在更多臺(tái)機(jī)組中，當(dāng)面臨同樣的風(fēng)電功率缺額時(shí)，則有更多機(jī)組能同時(shí)調(diào)出備用出力來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。由圖8可知，當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW后，調(diào)整備用分布后的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為49.12 Hz，穩(wěn)定值為49.30 Hz；而調(diào)整備用分布前系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為49.03Hz，穩(wěn)定值為49.24Hz，說(shuō)明將備用分布在更多臺(tái)機(jī)組中，有利于頻率穩(wěn)定。

(3)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)速器調(diào)差系數(shù)調(diào)整

各臺(tái)發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的頻率變化過(guò)程有重要作用，它直接影響當(dāng)發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其有功調(diào)節(jié)的能力[5－6]。靜態(tài)調(diào)差系數(shù)s決定了發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷出力的關(guān)系，而對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的各機(jī)組的調(diào)差系數(shù)越小時(shí)，系統(tǒng)一次調(diào)頻能力越強(qiáng)。將參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的原火電、水電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)5%、4%分別調(diào)整為4%、3%，備用容量大小及分布保持不變。仿真分析風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW后的系統(tǒng)頻率變化，如圖9所示。

圖9 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)3 300MW，不同調(diào)差系數(shù)下系統(tǒng)頻率變化曲線

由圖9可知，當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW，調(diào)差系數(shù)小的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為49.08 Hz，較調(diào)整前系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)49.03 Hz要高；同時(shí)，在系統(tǒng)跌至最低點(diǎn)并恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)頻率的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，調(diào)差系數(shù)較小的系統(tǒng)頻率恢復(fù)更快，同時(shí)恢復(fù)后的穩(wěn)態(tài)頻率大小也更接近于正常值。因此降低調(diào)差系數(shù)更有利于頻率穩(wěn)定。

(4)調(diào)頻機(jī)組調(diào)速器的死區(qū)調(diào)整

調(diào)速器的死區(qū)通常用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)對(duì)頻率偏差信號(hào)的遲緩程度。一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，死區(qū)值越小機(jī)組一次調(diào)頻性能越好。將參與一次調(diào)頻機(jī)組的調(diào)速器死區(qū)由原來(lái)的0.004調(diào)整為0.002，備用容量大小及分布保持不變。仿真分析風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW后的系統(tǒng)頻率變化，如圖10所示。

圖10 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)3 300 MW，不同調(diào)速器死區(qū)下系統(tǒng)頻率變化曲線

當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)3 300MW，由圖10可知，死區(qū)調(diào)整后頻率較之前有所提高，更有利于風(fēng)電脫網(wǎng)后系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。

4 結(jié)論與展望

本文研究了一次調(diào)頻對(duì)于風(fēng)電出力波動(dòng)性及大規(guī)模脫網(wǎng)的適應(yīng)性分析。針對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)性的特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)分別附加陣風(fēng)和漸進(jìn)風(fēng)兩種風(fēng)速擾動(dòng)的場(chǎng)景下，得到了不同擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率的變化特性；考慮風(fēng)電易脫網(wǎng)的特性，模擬了風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)后系統(tǒng)頻率的變化，并對(duì)影響電網(wǎng)一次調(diào)頻的因素進(jìn)行了靈敏度分析，提出了增強(qiáng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的措施。

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Influence of large-scalew ind power integration on system frequency

REN Jie1，CHEN De-zhi2，SONGYun-ting2，WANGNing-bo3，TIAN Jian-she1
(1.North China Electric PowerUniversity，Baoding Hebei071003，China;2.China Electric PowerResearch Institute，Beijing 100192，China; 3.Wind Power Technology CenterofGansu Electric PowerCompany，Lanzhou Gansu 730050，China)

As the rapid development ofw ind power，the problem s ofw ind speed volatility and unpredictability have been more and more serious，such as fierce w ind power fluctuation in short times，large-scale w ind turbines off the grid and so on.When other generators of the grid cannot response to the change，there w ill be some system frequency deviation，and itmay threaten the frequency stability.The w ind speed was analyzed，two kinds ofw ind disturbance were chosen to simulate the influence on system frequency，and the im pactof large-scale w ind power off the grid on the system frequency was simulated.Some optim izationmeasures were proposed.

w ind power integration;volatility;primary frequency regulation;large-scale off grid;optim ization measures

TM 614

A

1002-087 X(2016)07-1491-04

2015-12-05

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XT71-12-009)

任杰(1990—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定及新能源并網(wǎng)。