風電場限功率狀態(tài)下電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化分配

張晨曦, 王德林, 馬寧寧, 郭 成

(1. 西南交通大學電氣工程學院, 四川省成都市 610031; 2. 云南電網(wǎng)有限公司電力科學研究院, 云南省昆明市 650217)

風電場限功率狀態(tài)下電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化分配

張晨曦1, 王德林1, 馬寧寧1, 郭 成2

(1. 西南交通大學電氣工程學院, 四川省成都市 610031; 2. 云南電網(wǎng)有限公司電力科學研究院, 云南省昆明市 650217)

并網(wǎng)風電場參與電網(wǎng)調頻且主動提供旋轉備用是高滲透率電網(wǎng)的客觀需求,而風電場限功率運行是風電參與調頻的必要條件。定量分析了風電場限功率運行對二次調頻指標及風電極限穿透功率的影響,認為風電場限功率運行能從調頻備用容量以及調頻速度兩個方面減輕同步發(fā)電機的調頻壓力,同時增加了電網(wǎng)中風電的極限穿透功率。為研究風電場限功率運行下的二次旋轉備用分配問題,建立了電網(wǎng)備用優(yōu)化模型并構建了包含等值同步發(fā)電機及風機的動態(tài)等值模型,通過MATLAB/Simulink進行求解及仿真,優(yōu)化及動態(tài)仿真結果均表明風電場處于限功率狀態(tài)有利于增加電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性并減少旋轉備用。

風電限功率運行; 旋轉備用; 優(yōu)化分配; 二次調頻; 調頻指標; 風電極限穿透功率

0 引言

隨著中國經濟的快速增長,對電力的需求和依賴日益增強。溫室氣體的大量排放使得世界氣候問題變得越發(fā)突出,采用新能源逐步代替現(xiàn)有的化石能源將是未來電力系統(tǒng)電源的發(fā)展方向。全球風電2015年新增裝機容量63 GW,累計裝機容量達到了432 GW,新增裝機容量較2014年同期增長了21.77%,累計裝機容量增加了17.00%,其中國內新增裝機容量30.5 GW,占全球市場份額的48.4%。國家能源局也于2016年11月29日正式印發(fā)的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出,到2020年年底,風電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到210 GW以上;風電年發(fā)電量確保達到420 TW·h,約占全國發(fā)電總量的6%。可以預見在不遠的將來以風電為代表的新能源電源在電網(wǎng)中的占比將接近甚至超過傳統(tǒng)化石能源電源。

風電滲透率的不斷增加給電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性帶來了一系列挑戰(zhàn),隨著風電裝機容量的不斷增加,電網(wǎng)所需的旋轉備用也大幅增加[1]。一般而言,風電場工作在最大風能利用模式下,針對工作在最大風能利用模式下的風電場對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的影響,文獻[2]以系統(tǒng)控制性能標準指標為依據(jù),指出風電大規(guī)模并網(wǎng)對頻率控制的影響主要體現(xiàn)在整個系統(tǒng)的慣性水平、復合頻率反應特性系數(shù)以及風電波動性造成的調頻壓力。文獻[3]通過定量分析風電場對電網(wǎng)調頻體系的影響,認為高比例風電接入后對獨立系統(tǒng)的一次調頻指標影響較大,對互聯(lián)系統(tǒng)一次調頻影響較小,同時指出參與二次調頻的自動發(fā)電控制(AGC)機組應有足夠的容量和速度,必要時需要采用風電參與AGC。

隨著風電場裝機容量的不斷增加,越來越多的規(guī)定要求風電限功率運行且參與調頻。文獻[4-9]從不同角度提出了風電限功率運行參與電網(wǎng)調頻的控制策略,特別是虛擬同步發(fā)電機技術的出現(xiàn)[10-11],使得風機能夠在外特性上模仿同步發(fā)電機,拓寬了風電參與電網(wǎng)調頻的控制策略,但卻鮮有文獻注意到風電場限功率運行對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性指標特別是二次調頻備用的影響。文獻[12]雖然從電網(wǎng)角度考察電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化問題,并且通過優(yōu)化模型合理分配了同步發(fā)電機的備用容量,但風電場仍舊作為負荷處理,當電網(wǎng)滲透率較高,所提出的優(yōu)化模型存在無解的可能性。綜上所述,現(xiàn)行關于風電場運行對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性指標的局限性在于:①風機建模多為最大風能利用模式,較少以限功率運行方式建模;②風電限功率運行并參與調頻對頻率穩(wěn)定的影響較少考慮;③風電場限功率運行下的旋轉備用優(yōu)化問題很少提到。

本文分析了風電場限功率運行對電網(wǎng)旋轉備用容量大小、調頻速度2個二次調頻指標及最大穿透功率極限的影響,并由此建立了風電場限功率運行狀態(tài)下的電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化模型,結合云南電網(wǎng)實測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分配,優(yōu)化分配結果與傳統(tǒng)模式相比較表明風電場限功率運行能從電網(wǎng)旋轉備用容量大小及調頻速度要求2個方面增強電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。在電網(wǎng)調頻能力不變的情況下,風電場限功率運行能夠增加風電的極限穿透功率,吸納更多的風功率,提高電網(wǎng)中風電的滲透率,減小電網(wǎng)的運行費用。

1 風電場限功率運行對電網(wǎng)二次調頻的影響

風電場限功率運行對電網(wǎng)二次調頻的影響主要體現(xiàn)在最大調頻速度和旋轉備用容量這2個指標[3]。以附錄A圖A1所示的兩機等值模型為例,本節(jié)將分別討論風電場限功率運行狀態(tài)對電網(wǎng)旋轉備用容量、最大調頻速度及極限穿透功率的影響。

1.1 風電參與調頻時的電網(wǎng)旋轉備用

設所有風電場和傳統(tǒng)機組等效有功出力分別為PW,total和PG,total,電網(wǎng)總負荷為PL,考慮到電網(wǎng)有功供需平衡及風機運行狀態(tài)有:

(1)

式中:PW,opt為風電場能夠捕獲的最大風能;PRW為風電場限功率量。

若風功率波動區(qū)間為[-eW,0](eW>0),負荷波動區(qū)間為[0,+eL](eL>0),風電場限功率運行時,常規(guī)機組及風電場的靜態(tài)出力變化如圖1所示。圖中:PfL和PaL分別為總負荷預測值及實際值;PfW,opt和PaW,opt分別為風電場最大出力預測值及實際值;PfW,del和PG1,total分別為風電場限功率模式下調度值及同步發(fā)電機出力調度值;PG2,total為同步發(fā)電機出力實際值。由式(1)中第1個公式可知,圖1中2條直線斜率均為1,同步發(fā)電機出力靜態(tài)增量PG2,total-PG1,total為風功率波動量eW-PRW及負荷波動量eL之和,此時電網(wǎng)的有功功率重新回到平衡狀態(tài)。

圖1 風機限功率模式下電網(wǎng)靜態(tài)出力變化Fig.1 Static output variation of power grid in power-limited mode of wind generator

當風機運行在最大功率點跟蹤(MPPT)狀態(tài)時,PRW=0,有

(2)

當風機運行在MPPT模式下時,圖1中PRW=0,則

ΔPG,total=ΔPL-ΔPW,opt

(3)

式中:ΔPG,total,ΔPL,ΔPW,opt分別為等值同步發(fā)電機出力增量、總負荷波動量及等值風機捕獲的最大風能波動量。

由式(3)可知,風機MPPT狀態(tài)下同步發(fā)電機需要全額承擔風功率及負荷波動量。在圖1所示的極端情況下,風電場機組控制偏差(風電場計劃出力與實際出力之差)為eW,同步發(fā)電機旋轉備用容量最小值為eW+eL。

當風機運行在減載模式時,PRW≠0,則

(4)

同樣的波動情況下,有

ΔPG,total=ΔPL-ΔPW,opt+PRW

(5)

由式(5)可知,風機限功率狀態(tài)下同步發(fā)電機不需要全額承擔風功率及負荷波動量。在圖1所示的極端情況下,風電場機組控制偏差為eW-PRW,同步發(fā)電機旋轉備用容量最小值為eW+eL-PRW。特別地,若有:

PRW-eW≥0

(6)

則同步發(fā)電機不需要為風功率波動提供額外的旋轉備用。

比較2種運行方式的電網(wǎng)旋轉備用容量可知,風電場限功率運行時電網(wǎng)旋轉備用具有如下特點:①同步發(fā)電機所需旋轉備用容量減少;②能夠減少風電場機組控制偏差;③若滿足式(6),則風電不存在機組控制誤差,此時同步發(fā)電機不會因為風功率波動而額外增加旋轉備用。

1.2 風電場限功率運行時的電網(wǎng)最大調頻速度

由文獻[3]可知二次調頻速度的含義為單位時間內機組出力的變化量,且對于電網(wǎng)二次調頻,需要滿足二次調頻速度vsys的要求,即

(7)

式中:T為二次調頻時間;PeW為凈風功率波動量。

設風電場限功率深度為λ,則最大出力為Popt的風電場出力為:

PW=(1-λ)Popt

(8)

由1.1節(jié)可知,PeW取值為:

PeW=eW-λPopt

(9)

將式(9)代入式(7),則風電場處于限功率狀態(tài)下的電網(wǎng)二次調頻速度要求可得出:

(10)

式中:Tri為第i臺同步發(fā)電機調頻速度;NG為同步發(fā)電機數(shù)量。

由式(10)可知,當風電場處于限功率運行狀態(tài)時,同步發(fā)電機調頻速度要求會較弱。特別地,若λPopt滿足式(6),則此時同步發(fā)電機必然滿足調頻速度要求。若式(9)中PeW為負,則表明風電場限功率運行在二次調頻中除了可以抑制風功率波動,也可以適當提供旋轉備用。

1.3 風電場限功率運行時的風電極限穿透功率

限制風電極限穿透功率的主要因素之一就是風功率波動造成的同步發(fā)電機調頻速度不足。對于風電極限穿透功率η的定義在學術上并不統(tǒng)一。本文采用文獻[13]中的定義:在滿足一定技術指標(本文指調頻速度指標)的前提下接入電網(wǎng)的最大風電裝機容量Pwind,cap與電網(wǎng)最大負荷SL,max的百分比,即

(11)

文獻[14-15]指出當風電場規(guī)模較大時,風功率單位時間內波動量服從正態(tài)分布。設風功率波動量期望及標準差分別為μwindPwind,cap和σwindPwind,cap,其中μwind和σwind分別為單位功率的期望和標準差,φ為風功率波動系數(shù),其值可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或風電波動情況人為選取,此時有:

eW∈[μwind-φσwind,μwind+φσwind]Pwind,cap

(12)

由二次調頻速度約束可知:

(13)

故

(14)

當風電場處于MPPT模式時,將式(14)代入式(11)得風電極限穿透功率η為:

(15)

若風電場處于限功率狀態(tài),由式(9)可知,此時風電極限穿透功率η為:

(16)

比較式(15)和式(16)可知,當風電場限功率運行時并網(wǎng)風電裝機容量明顯增大。特別地,若風電場限功率深度滿足式(6),則電網(wǎng)可以接入任意容量的風電場。

綜合1.1節(jié)至1.3節(jié),風電場限功率運行會減弱甚至消除單個風電場的風功率波動量,增強整個電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,同時增加風電極限穿透功率,使得電網(wǎng)能夠接納更多的風電。

2 電網(wǎng)二次調頻備用優(yōu)化模型

風電參與電網(wǎng)二次調頻的AGC系統(tǒng)見圖2。

圖2 AGC系統(tǒng)Fig.2 AGC system

當電網(wǎng)中出現(xiàn)負荷或非調頻間歇性電源出力預測誤差時,備用將以[KG1,KG2,…,KGNG]及[KW1,KW2,…,KWNW]的比例分別下達給同步發(fā)電機、風電場AGC機組,取值可由可用的旋轉備用容量按比例求取[16],其中NW為風電場數(shù)量。Pref,i(i=1,2,…,NG+NW)為由優(yōu)化分配模型求得的第i個電源設定功率?？紤]到在旋轉備用足夠時應當優(yōu)先增加風電場出力,故當風電場旋轉備用足夠時,KGi=0(i=1,2,…,NG),KWk(k=1,2,…,NW)按旋轉備用容量按比例選取。當風電場提供的旋轉備用不足時,KGi才參與分配。

由圖2可知風電參與電網(wǎng)二次調頻的AGC系統(tǒng)包括頻率調整部分及優(yōu)化分配部分,頻率調整部分與常規(guī)電網(wǎng)AGC過程類似,均根據(jù)電網(wǎng)區(qū)域控制偏差按比例分配各機組出力增量。本文所建立的二次調頻備用優(yōu)化模型即為AGC系統(tǒng)中的初始優(yōu)化分配部分。

2.1 調頻備用指標約束

常規(guī)電網(wǎng)旋轉備用中調頻備用應覆蓋一次調頻產生的較快速的不平衡,但對于含有風電的大電網(wǎng),則還需要平抑風電場出力及負荷波動造成的頻率穩(wěn)定性問題[15],即由文獻[15]可知二次調頻備用指令SRD需要滿足:

SRD≥Pstat+PeW+eL

(17)

式中:Pstat為覆蓋風電場靜態(tài)頻率偏差所需要的有功功率。

Pstat與一次調頻時段承受的擾動大小有關。對于調差系數(shù)kgrid已知的電網(wǎng),若該擾動經過一次調頻后恰好滿足頻率偏差限額Δf,則該擾動為該電網(wǎng)一次調頻能夠承擔的最大擾動,此時Pstat取到最大值,其值為:

Pstat=kgridΔf

(18)

將式(9)和式(18)代入式(15),則二次調頻備用指令SRD為:

(19)

式中:eWk,λk,Pk,opt分別為第k個風電場波動量、限功率深度及最大出力。

將式(12)代入式(19),可得:

SRD≥kgridΔf+eL+

(20)

式中:φk,μwind,k,σwind,k分別為第k個風電場的風功率波動系數(shù)、單位功率的期望和標準差。

2.2 同步發(fā)電機出力約束

設PUGi為第i臺同步發(fā)電機的旋轉備用容量,PGi為第i臺同步發(fā)電機的出力,RGi為第i臺同步發(fā)電機的上調速度,tr為調頻時間,Pmin和Pmax分別為傳統(tǒng)電機最小、最大出力。由于二次調頻要求電網(wǎng)能夠平抑分鐘級的波動,本文tr取3 min,同步發(fā)電機存在最大最小出力及爬坡速度約束,由文獻[16]可知同步發(fā)電機相關約束為:

(21)

式(21)中,第1個公式表示備用約束,第2個公式表示最大和最小出力約束,第3個公式為運行點約束。

2.3 電網(wǎng)頻率穩(wěn)定相關約束

1)電網(wǎng)功率平衡約束

電網(wǎng)功率平衡約束指電網(wǎng)每一個調頻周期內風電場限功率后的計劃出力和同步發(fā)電機計劃出力之和等于預計負荷大小[13],將電網(wǎng)傳輸線路阻抗消耗的有功功率納入總負荷預測值,本文關心的是在電網(wǎng)層面二次旋轉備用靜態(tài)優(yōu)化分配,故不需要考慮含轉負荷轉移矩陣的動態(tài)功率平衡方程,故由文獻[13]可知靜態(tài)分配下功率平衡數(shù)學模型為:

(22)

式中:PL,t為t時刻總負荷的預計值;PWk為第k個風電場的出力。

2)二級備用大小約束

含風電的電網(wǎng)二級備用主要用于平抑由風電出力波動性和負荷預測誤差造成的有功功率的供需不平衡,同時電網(wǎng)二次調頻要求在調節(jié)周期(本文設為3 min)內使區(qū)域控制偏差降為0[12],因此要求同步發(fā)電機二級旋轉備用PUGi滿足[15]:

(23)

3)調頻速度要求

由式(9)可知,同步發(fā)電機調頻速度要求主要與風電場的限功率深度有關,設vGi為第i個同步發(fā)電機上調速度,由文獻[3]有:

(24)

2.4 電網(wǎng)備用優(yōu)化目標

風電場參與二次調頻的電網(wǎng)AGC容量優(yōu)化配置模型目標為最小化風電場群的限功率量和電網(wǎng)運行成本:

(25)

式中:ai,bi,ci為同步發(fā)電機i的電量報價曲線系數(shù);αi為同步發(fā)電機i的旋轉備用報價;γk為棄風懲罰系數(shù);PRWk為第k個風電場的減載量。

綜上所述,電網(wǎng)二次備用優(yōu)化模型由式(20)至式(25)構成,待求變量包括PGi,t,PWk,PUGi。

本文所構建的AGC系統(tǒng)與僅有常規(guī)發(fā)電機參與二次調頻的AGC系統(tǒng)相比,在頻率調整部分將風電場作為電源,存在多種電源相互協(xié)調的過程,即只有當風電場旋轉備用不足的情況下常規(guī)發(fā)電機才參與頻率調整;在初始的旋轉備用優(yōu)化分配模型中,在僅由常規(guī)發(fā)電機參與電網(wǎng)二次調頻的控制系統(tǒng)中,風電場作為純負荷處理并一直處于MPPT模式,即式(19)和式(24)中λkPk,opt=0,PeW=eW,此時電網(wǎng)旋轉備用容量約束變強,電網(wǎng)需要更多的旋轉備用及更快的調頻速度才可以完成二次調頻,在風電滲透率較高的電網(wǎng)中存在無解的可能性,而本文所建立的優(yōu)化分配模型減輕了式(19)和式(24)的約束,在風電場參與調頻的同時減輕了同步發(fā)電機調頻壓力,減少了電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化分配無解的可能性。

2.5 關于風電場出力的爬坡/滑坡約束

由于風電場中并列的多個風機可以同時調整槳距角,故風電場出力變化速度僅取決于動作最慢的風機。設空氣密度為ρ,葉片掃過的面積為A,V為風速,λr為葉尖速比,β為槳距角大小,CP為風能利用系數(shù),則風機捕獲的風能Popt=0.5ρAV3CP(λr,β),故風機出力與風速V及風能利用系數(shù)CP相關,在CP為最大值時,表現(xiàn)為風速V的函數(shù)。風能利用系數(shù)CP為一個關于葉尖速比及槳距角的連續(xù)函數(shù),故當風機槳距角連續(xù)變化時,風機出力在當前風速下連續(xù)變化。由文獻[4]可知風機槳距角變化速率為[-5,4](°)/s,而單個風機的限功率深度一般不超過20%時,槳距角大小不超過7°[9],故在風機限功率深度不超過20%的情況下,均能通過風機槳距角動作達到設定功率,故不需要考慮風機爬坡/滑坡約束。

2.6 模型的求解

本文所建立的優(yōu)化模型除目標函數(shù)外均為線性模型。本文采用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon工具,對于fmincon工具容易陷入局部最優(yōu)解的問題采取多次求解取最小值的辦法。

3 算例分析

3.1 風電限功率條件下的旋轉備用優(yōu)化

以包含4個風電場及2個同步發(fā)電機的6機電力系統(tǒng)為例分析研究所給出的優(yōu)化模型,同步發(fā)電機參數(shù)見附錄A表A1,風電場參數(shù)及某時刻風電場最大出力分別見附錄A表A2和表A3。4個風電場數(shù)據(jù)為云南電網(wǎng)某時刻的實測數(shù)據(jù),具體參數(shù)如表1所示,kgrid=100,Δf取0.02 Hz。本算例設置的算例情景中,情況1,2,3,4分別為低負荷/無棄風費用、低負荷/較低的棄風費用、高負荷/較低的棄風費用及高負荷/較高的棄風費用,負荷占比為電網(wǎng)承擔的負荷占電網(wǎng)最大出力的比例。設二次調頻時間tr取3 min,風電場最大出力如附錄A表A3所示;風電場波動系數(shù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)取為2.27。算例設置的4種情況具體如下所示。

1)情況1:負荷值為200 MW,棄風費用為0美元/MW,負荷波動量為4 MW,負荷占比為38.95%。

2)情況2:負荷值為200 MW,棄風費用為15美元/MW,負荷波動量為4 MW,負荷占比為38.95%。

3)情況3:負荷值為500 MW,棄風費用為15美元/MW,負荷波動量為7.5 MW,負荷占比為87.20%。

4)情況4:負荷值為500 MW,棄風費用為30美元/MW,負荷波動量為7.5 MW,負荷占比為87.20%。

采用本文所建立的優(yōu)化模型,具體求解得到的優(yōu)化結果如表1所示,表中PWt為整個風電場群的優(yōu)化出力。本文限功率模式與傳統(tǒng)模式(風電場處于MPPT運行模式)的比較如表2所示。

表1 各時刻機組計劃出力Table 1 Planned output of each unit at all times

表2 限功率與MPPT模式下備用優(yōu)化比較Table 2 Comparison of reserve optimization under power-limited and MPPT modes

表2中同步發(fā)電機備用縮減量、成本縮減量分別指風電場處于限功率模式時同步發(fā)電機旋轉備用容量、運行成本較傳統(tǒng)模式下的減少量,風電場增量指風電場處于限功率模式時能夠更多并入的風電場數(shù)量,MPPT下解的情況和限功率下解的情況分別指傳統(tǒng)模式及限功率模式下約束條件(式(20)至式(24))的滿足情況。成本縮減量為2種模式下目標函數(shù)(式(25))之差;風電場增量表征滿足式(23)的情況下能夠增加并入的風電場數(shù)量,即存在最大并入風電場數(shù)量NWmax,使得式(26)滿足。

(26)

SRD(x)定義如下:

SRD(x)=kgridΔf+eL+

(27)

此時,設限功率狀態(tài)時并入風電場數(shù)量為NWd,則風電場增量ΔNW可表示為:

ΔNW=NWd-NWmax

(28)

情況1,2和情況3,4分別為輕負荷和重負荷時的旋轉備用分配結果,在相同負荷情況下,情況1,2差別表現(xiàn)為有無棄風懲罰,情況3,4差別表現(xiàn)為棄風懲罰費用的高低,其中情況3中棄風懲罰略低于2個同步發(fā)電機上調容量購置費用,情況4則明顯高于同步發(fā)電機上調容量購置費用。

由表2可知,在傳統(tǒng)的MPPT模式(λk=0)下,若4個風電場均并網(wǎng),則電網(wǎng)旋轉備用存在旋轉備用不足的情況。在情況1,2中,由附錄A表A2和式(20)可知電網(wǎng)旋轉備用需求SRD≥11.32 MW。

同步發(fā)電機最多能提供的旋轉備用為11.26 MW,略低于備用需求,此時考慮到旋轉備用約束,至少有一個風電場將處于離網(wǎng)狀態(tài)時約束條件才滿足要求;在情況3及情況4中,由附錄A表A2和式(20)可知電網(wǎng)旋轉備用需求SRD≥14.819 MW。

此時同步發(fā)電機提供的旋轉備用明顯低于備用要求,至少有2個風電場處于離網(wǎng)狀態(tài)時約束條件才能滿足。在MPPT模式下,由于電網(wǎng)中風電場數(shù)量下降,導致同步發(fā)電機運行費用顯著增加,此時經濟性普遍較限功率運行狀態(tài)下差。

由表2可知,對于頻率穩(wěn)定性,正是由于風電場限功率運行使得風功率波動量減小,在同步發(fā)電機的調頻能力不變的情況下,能更快速地抑制負荷及風功率波動,增強電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。同時由表2中新增風電場數(shù)量可知,由于電網(wǎng)中同步發(fā)電機調頻壓力減小,使得從頻率穩(wěn)定的角度而言,電網(wǎng)能夠接入更多的波動性電源,增加了電網(wǎng)中清潔能源的占比,更有利于環(huán)境保護。針對情況1,當風電場不存在棄風懲罰時,電網(wǎng)傾向于由風電承擔所有調頻旋轉備用。結合附錄A表A2可知事實上需要由風電場限功率抑制的風電波動量eW為:

(29)

因此,在情況1中,風電場不僅棄掉了所有波動量,同時還提供了6 MW的旋轉備用,同樣的情況也發(fā)生在情況3和4。由于風電場限功率運行,同步發(fā)電機需要多承擔一部分出力,在情況1時,若同步發(fā)電機承擔所有旋轉備用,則至少需要增加91.8美元,而由同步發(fā)電機報價曲線可得減少的出力費用為13.126 2美元,因此此時風電場將全額承擔電網(wǎng)旋轉備用。由此可知,旋轉備用的優(yōu)化分配不僅和旋轉備用購置費用有關,也取決于同步發(fā)電機出力報價。

針對情況2可知,當風電場存在棄風懲罰時,風電場限功率運行,電網(wǎng)既要承擔風電場限功率運行時的棄風懲罰,也要承擔因風電場出力減少而增發(fā)的同步發(fā)電機運行費用,因此情況2中同步發(fā)電機成為主調頻機組,而風電場只是適當限功率以減少同步發(fā)電機的調頻壓力,使得電網(wǎng)能夠滿足調頻速度要求,此時優(yōu)化分配仍舊以經濟性為主導。同步發(fā)電機之間的功率分配主要受報價曲線系數(shù)影響較大,在同步發(fā)電機出力接近下限時,常數(shù)項系數(shù)將決定功率優(yōu)化分配的結果,但隨著同步發(fā)電機出力的不斷增加,平方項和一次項系數(shù)將決定同步發(fā)電機出力的分配。本例中,同步發(fā)電機1的平方項系數(shù)和一次項系數(shù)均高于同步發(fā)電機2,因此本例中同步發(fā)電機2將作為主出力同步發(fā)電機。

針對情況3和4,2種情況下旋轉備用及出力分配幾乎一樣,這主要是因為在高負荷下,同步發(fā)電機調頻能力及出力接近滿負荷,導致這個時候優(yōu)化主要以滿足約束條件為主導,對經濟性要求較低。本例中,同步發(fā)電機旋轉備用配置均已滿額,為了使電網(wǎng)調頻速度要求滿足,風電場需要更多地限功率,這也導致了本例中風電場限功率要求超出了抑制功率波動的要求,向電網(wǎng)提供旋轉備用。

3.2 風電限功率條件下旋轉備用對電網(wǎng)頻率的影響

以附錄A圖A1所示的等值電網(wǎng)建立仿真模型,風電場采用槳距角控制追蹤預設的限功率深度,設風電場能夠捕獲的最大功率在50 s內呈指數(shù)下降了0.1(標幺值),電網(wǎng)二次調頻時段為一次調頻結束后的50 s,則在不同限功率深度下的電網(wǎng)頻率變化如圖3(a)所示,此時同步發(fā)電機出力變化及等值風電場出力變化分別如圖3(b)和(c)所示。風電場出力變化及同步發(fā)電機出力變化分別由等值風機及等值同步發(fā)電機并網(wǎng)點電壓及電流共軛值乘積的實部得到,由附錄A圖A1可知,等值風電場與等值同步發(fā)電機為一個節(jié)點,故可采用該節(jié)點同步發(fā)電機頻率作為電網(wǎng)的頻率。

由圖3(a)可知,電網(wǎng)頻率偏差在風電場采用MPPT模式運行時最大,且隨著風電場限功率量的增加,頻率偏差最大值逐步減小,這主要是因為風電場限功率運行減小了電網(wǎng)整體的波動量,對于結構固定的電網(wǎng)表現(xiàn)為頻率的最大偏移量減小。波動結束后,風電場限功率狀態(tài)運行的電網(wǎng)的靜態(tài)頻率特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)MPPT模式下的電網(wǎng)靜態(tài)頻率特性,在圖3(a)中具體表現(xiàn)為限功率運行的含風電場電網(wǎng)調節(jié)時間更短,穩(wěn)態(tài)誤差更小。

圖3 不同限功率深度下仿真結果Fig.3 Simulation results of various power-limited depth

圖3(b)表明在同樣的負荷情況下,處于MPPT狀態(tài)的風電場需要更多的同步發(fā)電機出力進行調節(jié),在旋轉備用上表現(xiàn)為需要更多的旋轉備用容量,本例中常規(guī)機組出力增加了0.07(標幺值)且仍有增加的趨勢,若同步發(fā)電機調頻能力較弱或備用功率不足,即在30 s內無法提供0.07(標幺值)的備用,則在MPPT狀態(tài)下頻率將失穩(wěn),而在風電場限功率運行狀態(tài)下時,傳統(tǒng)機組旋轉備用要求接近于0,由此可見風電場限功率運行能大幅度減小電網(wǎng)的旋轉備用需求。

圖3(c)中風電場處于MPPT狀態(tài)時,風電場出力變化直接反映捕獲的風能變化,而當風電場處于限功率運行狀態(tài)時,風機捕獲的風能未必引起風電場功率的變化。圖3(c)中由于風電場處于限功率狀態(tài),風電場出力追蹤預設值,故出力變化較小。

綜合圖3(a)(b)(c)可知,風電場限功率運行下,電網(wǎng)的頻率偏差最大值減小,靜態(tài)特性較MPPT模式下好,尤其對同步發(fā)電機的旋轉備用容量要求大幅度減小,能較好地跟蹤分鐘級的風功率波動,由此可見在負荷情況相同時,含限功率運行風電場的電網(wǎng)較傳統(tǒng)電網(wǎng)擁有更大的調頻裕度,能夠接入更多的風電。

4 結論

本文針對風電滲透率較大的電網(wǎng)中常規(guī)機組調頻壓力大、風電場在二次調頻中調度困難的問題,建立了風電場限功率運行下的電網(wǎng)旋轉備用優(yōu)化模型,得出結論如下。

1)風電場限功率運行在常規(guī)機組調頻能力不變的情況下,能更快速地抑制負荷及風功率波動,增強電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,必要時風電場可提供旋轉備用,在本文靜態(tài)算例中,同步發(fā)電機至少縮減了1.57 MW的旋轉備用,在不計棄風懲罰時最多可縮減11.32 MW旋轉備用,動態(tài)仿真中同步發(fā)電機縮減了0.07(標幺值)的旋轉備用。

2)風電場限功率運行雖然減少了單個風電場的出力,但能有效加強整個電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,從而增加了并網(wǎng)風電的總功率,在本文算例中,至少減少了整個電網(wǎng)的運行成本168.360 8美元,風電場限功率運行較MPPT模式下經濟性更好。

3)本文對含限功率運行的風電場電網(wǎng)二次調頻頻率靜態(tài)指標進行了定量分析,對頻率動態(tài)過程僅進行了仿真分析,定量研究仍需后續(xù)工作。同時本文主要關心的是靜態(tài)旋轉備用的分配問題,動態(tài)旋轉備用優(yōu)化分配可進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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OptimalDispatchofSpinningReserveinPowerGridUnderPower-limitedConditionofWindFarm

ZHANGChenxi1,WANGDelin1,MANingning1,GUOCheng2

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co. Ltd., Kunming 650217, Yunnan)

It is objective demand for the grid connected wind farms to take part in secondary frequency regulation and actively provide reserve capacity, and power-limited operation of wind farm is a necessary condition for wind farm to participate in frequency regulation. This paper quantitatively analyzes the influence of power-limited operational condition of wind farm on the index of secondary frequency regulation and maximum penetration power of wind power, assuming that it will be able to reduce the pressure of synchronous generator in reserve capacity and frequency regulation speed aspects as well as raise maximum penetration power of wind power. In order to study the dispatch problem of secondary spinning reserve under power-limited operation of wind farm, the reserve optimization and the dynamic equivalent model consisted of equivalent synchronous generator and wind turbine are established, which is solved by MATLAB/Simulink. The optimization and simulate results show that the wind farm working in power-limited state will increase the stability of power grid and reduce spinning reserve.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51477143).

limited-power operation of wind power; spinning reserve; optimal dispatch; secondary frequency regulation; index of frequency regulation; maximum penetration power of wind power

2017-04-17;

2017-09-23。

上網(wǎng)日期: 2017-10-11。

國家自然科學基金資助項目(51477143)。

張晨曦(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:風力發(fā)電。E-mail： 849862816@qq.com

王德林(1970—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)運行、穩(wěn)定和機電動態(tài)。E-mail: dlwang@swjtu.edu.cn

馬寧寧(1987—),男,博士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)頻率動態(tài)、擾動傳播、風力發(fā)電。E-mail: mnsdxt@163.com

(編輯萬志超)