大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響分析

任振宇1，張師，周立新

(1.內(nèi)蒙古電力集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000 ；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

1 引言

近年來(lái)，中國(guó)的嚴(yán)重霧霾所導(dǎo)致的環(huán)境污染引發(fā)了社會(huì)的普遍高度重視[1]。高效利用可再生能源發(fā)電，減少煤炭能源發(fā)電，是緩解環(huán)境問(wèn)題的有效措施。預(yù)計(jì)在2030年我國(guó)可再生能源的用電率達(dá)到30%以上[2]。目前，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟的可再生能源發(fā)電形式，每年的新增裝機(jī)容量正在迅猛增長(zhǎng)。

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加，風(fēng)電功率的波動(dòng)給電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制也帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，因此，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的頻率影響是一項(xiàng)值得深入研究的課題[3-5]。

目前，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響研究已經(jīng)取得一些成果，文獻(xiàn)[6]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了風(fēng)電功率波動(dòng)規(guī)律與風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響；文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響及風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的可行性；文獻(xiàn)[8]基于功率濾波算法研究了風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響。

基于以上研究，本文首先對(duì)風(fēng)電機(jī)組建模，再分析風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)頻率動(dòng)態(tài)行為的影響，最后，采用Matlab工具箱PSAT仿真驗(yàn)證本文結(jié)論有效性。

2 風(fēng)電機(jī)組模型

本文將采用PSAT仿真分析，因此在風(fēng)電機(jī)組建模部分采用PSAT中的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Fed Induction Generator，DFIG)的模型。DFIG的原動(dòng)機(jī)模型如下：

(1)

式中：θp是槳距角，DFIG的原動(dòng)機(jī)槳距角是可調(diào)的，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和最有風(fēng)功率捕獲。

DFIG的發(fā)電機(jī)為繞線式異步電機(jī)，因此適合采用5階模型分析，可以表示如下：

uds=-rSids+((xS+xm)iqs+xmiqr)

(2)

uqs=-rSiqs-((xS+xm)ids+xmidr)

(3)

udr=-rRidr+(1-ωm)((xR+xm)iqr+xmiqs)

(4)

uqr=-rRiqr-(1-ωm)((xR+xm)idr+xmids)

(5)

P=udsids+uqsiqs+udcidc+uqciqc

(6)

Q=uqsids-udsiqs+uqcidc-udciqc

(7)

(8)

(9)

式中：xS為定子電抗；xR是轉(zhuǎn)子電抗；

xm是激磁電抗；ωS是定子側(cè)頻率；ωr是轉(zhuǎn)子側(cè)頻率；ωc是電網(wǎng)頻率。

DFIG輸出的功率為要考慮定子側(cè)功率和轉(zhuǎn)子側(cè)的功率。

DFIG的控制模型主要包括轉(zhuǎn)子控制、電壓控制、槳距角控制三個(gè)部分。

3 風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

系統(tǒng)中各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

(10)

式中：ωi為第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Tji為第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)；PMi為第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率；PEi為第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的電磁功率。

當(dāng)風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)，會(huì)影響各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的電磁功率，從而造成各臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而影響各臺(tái)發(fā)電機(jī)的機(jī)端的頻率。

設(shè)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓為Uwind，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓Usyn，風(fēng)電機(jī)組和同步發(fā)電機(jī)間的等值電抗為Xwind-syn，電壓相角差為δwind-syn；同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)電機(jī)組之間的傳輸功率可以表示為：

(11)

當(dāng)風(fēng)電功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)使風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓相角δwind發(fā)生波動(dòng)，從而改變?chǔ)膚ind-syn，根據(jù)公式(11)，會(huì)改變風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)間的傳輸功率，從而改變同步發(fā)電機(jī)的電磁功率PEi。傳輸功率的波動(dòng)大小與Xwind-syn成反比，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組和同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓一定時(shí)，Xwind-syn越大，同步發(fā)電機(jī)的電磁功率波動(dòng)越小，轉(zhuǎn)速變化越小，從而頻率波動(dòng)越小。

從以上分析可以看出，當(dāng)風(fēng)電功率發(fā)生波動(dòng)，會(huì)使同步發(fā)電機(jī)的電磁功率也隨之發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)距離風(fēng)電機(jī)組越遠(yuǎn)，所受影響越小。此外，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)慣性較小時(shí)，頻率也會(huì)受到較大影響。

4 算例分析

采用WSCC3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例，分析風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，PSAT的仿真算例如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)額定電壓230kV，額定頻率60Hz，各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型。

圖1 DFIG接入WSCC3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

圖1中DFIG接入位置為bus9，在bus1、bus2、bus3分別接入了頻率監(jiān)測(cè)模塊，設(shè)置DFIG為100臺(tái)1MW的機(jī)組通過(guò)35kV箱變接入升壓變壓器，升至230kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。

風(fēng)速模型采用合成風(fēng)力模型，本文只采用其中的初始風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速兩部分，風(fēng)速設(shè)置如圖2所示。

設(shè)置仿真時(shí)間20s，采用變步長(zhǎng)積分，風(fēng)速如圖3所示，圖4為bus1、bus2、bus3母線頻率。

從圖4可以看出，bus3的頻率波動(dòng)較大，這是由于bus9距離bus3最近，因此bus3的頻率受擾較嚴(yán)重。此外，bus3所連的同步發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)最低。為驗(yàn)證各臺(tái)發(fā)電機(jī)慣性對(duì)頻率波動(dòng)的影響，將DFIG接入bus4，風(fēng)速模型仍然采用合成風(fēng)力模型，隨機(jī)風(fēng)速如圖5所示。

圖2 PSAT中的風(fēng)速模塊

圖3 風(fēng)速波動(dòng)

圖4 bus1、bus2和bus3母線頻率

圖5 風(fēng)速波動(dòng)

該風(fēng)速擾動(dòng)下，各母線的頻率波動(dòng)如圖6所示。

圖6 bus1、bus2和bus3母線頻率

從圖6可以看出，bus1、bus2和bus3母線的頻率波動(dòng)情況相差不多，盡管風(fēng)電接入的位置距離bus1較近，但由于bus1所接的同步的發(fā)電機(jī)的慣性較大，因此bus1頻率波動(dòng)與其他節(jié)點(diǎn)頻率波動(dòng)情況相差不多。

5 結(jié)論

本文分析了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論：

由于系統(tǒng)各位置的發(fā)電機(jī)慣性不同，功率波動(dòng)也不同，因此使得電力系統(tǒng)的頻率也不同。

風(fēng)電接入位置對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程有較大影響，在風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，距離風(fēng)電越近的節(jié)點(diǎn)，頻率受擾越嚴(yán)重。

發(fā)電機(jī)慣性對(duì)頻率也有較大影響，慣性越大，對(duì)風(fēng)功率波動(dòng)的抗擾能力越強(qiáng)，頻率波動(dòng)越小。