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《電氣制造雜志》2014年第七期

1風(fēng)電大規(guī)模接入后的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題

風(fēng)力發(fā)電出力具有明顯的間歇性與波動性，當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)自身容量相比電網(wǎng)容量較小時，其功率的擾動對電力系統(tǒng)的影響甚微；當(dāng)并網(wǎng)單元數(shù)量增加到一定額度時，其功率的擾動將有可能影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，對電網(wǎng)頻率造成不利影響。我國風(fēng)能資源與電力負(fù)荷的地理分布存在著顯著的不匹配現(xiàn)象，這決定了我國的風(fēng)電開發(fā)特點(diǎn)是大規(guī)模、遠(yuǎn)距離傳輸。國家發(fā)改委規(guī)劃在沿海地區(qū)和“三北”地區(qū)建設(shè)大型和特大型的風(fēng)電場，包括若干個千萬千瓦級風(fēng)電基地。這些風(fēng)能資源豐富地區(qū)，一般多為電網(wǎng)末端，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較弱，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力有限，這致使大規(guī)模風(fēng)電接入對地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)頻和穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大壓力。大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)對系統(tǒng)頻率的不利影響，主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。

1）風(fēng)電功率的波動性和不可預(yù)期性，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的地區(qū)有功功率不平衡問題。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)主要是針對負(fù)荷的隨機(jī)變化及聯(lián)絡(luò)線功率控制的需求設(shè)置的，隨著風(fēng)電的引入，風(fēng)電的隨機(jī)性及負(fù)荷波動性的雙重性作用將給系統(tǒng)頻率控制帶來前所未有的困難，而且，這一困難隨著風(fēng)電并網(wǎng)單元數(shù)量的增加將會變得更加嚴(yán)重。

2）電力系統(tǒng)的慣量對于系統(tǒng)的頻率變化起決定性的作用，慣量越小，系統(tǒng)頻率變化速度越快。發(fā)電機(jī)慣性時間是表征系統(tǒng)慣量的機(jī)械參數(shù)，改變慣性時間常數(shù)對頻率動態(tài)過程的影響如圖1所示。風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后，勢必代替部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組。由于傳統(tǒng)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的完全解耦，使風(fēng)電機(jī)組失去了對頻率的快速有效響應(yīng)。因此，傳統(tǒng)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的慣性動能對系統(tǒng)慣量的貢獻(xiàn)微乎其微。在電網(wǎng)頻率發(fā)生改變時，機(jī)組無法對電網(wǎng)提供頻率響應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生功率缺額時，電網(wǎng)頻率降低的變化率較高，頻率的跌落幅度較大，不利于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定[8]。

3）由于我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展過程中，對風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的技術(shù)要求缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電機(jī)組多數(shù)并不具備高、低電壓穿越能力。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到一定規(guī)模時，由于電網(wǎng)故障引起的電壓波動等因素，導(dǎo)致風(fēng)電場整體退出運(yùn)行時，會引起系統(tǒng)有功出力和負(fù)荷之間的動態(tài)不平衡，當(dāng)電網(wǎng)其他發(fā)電機(jī)組不能夠快速響應(yīng)風(fēng)電功率時，則有可能造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行頻率穩(wěn)定性的仿真分析

為了對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定情況進(jìn)行分析，本文基于Matlab/Simulink仿真平臺，搭建一個含風(fēng)電的電力系統(tǒng)模型，如圖2所示。該系統(tǒng)中包含額定容量分別為20MW和60MW的同步發(fā)電機(jī)組G1和G2，以及總裝機(jī)容量為32.25MW風(fēng)電場G3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

1）仿真情況一：基于所建立的風(fēng)電系統(tǒng)模型，當(dāng)t=3s時，負(fù)荷1突增10MW。整個過程中，風(fēng)速保持vw=10m/s不變。系統(tǒng)的頻率變化情況如圖3所示，圖4為負(fù)荷突增過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率情況。如圖3、圖4所示，由于負(fù)荷1的突增，電力系統(tǒng)發(fā)生有功缺額，系統(tǒng)頻率降低，然而由于DFIG發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率的解耦關(guān)系，風(fēng)電場有功功率幾乎沒有改變，對系統(tǒng)頻率也起不到支撐作用。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雖然通過電力電子裝置使發(fā)電機(jī)能夠運(yùn)行在最佳狀態(tài)，然而由于采用了有功功率－無功功率的解耦控制，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣性動能對系統(tǒng)慣量的貢獻(xiàn)微乎其微，在系統(tǒng)頻率變化時不能做出快速、有效的響應(yīng)。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，將取代部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組，致使電力系統(tǒng)慣量大大減小，威脅整個系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

2）仿真情況二：t=3s時，風(fēng)力發(fā)電場發(fā)生風(fēng)速波動，圖5為風(fēng)速波動情況，引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率以及系統(tǒng)頻率的變化，如圖6、圖7所示。通過仿真可以看出，風(fēng)電場的有功出力隨著風(fēng)速的波動情況而發(fā)生變化，系統(tǒng)原有的有功平衡被打破，使得電力系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移。作為風(fēng)力發(fā)電的原動力，風(fēng)能與常規(guī)發(fā)電能源相比有很高的波動性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電所輸出電功率的波動性不容忽視。隨著并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電規(guī)模不斷加大，這種功率波動無疑將會對電力系統(tǒng)的頻率等電氣量產(chǎn)生影響。風(fēng)電將成為電力系統(tǒng)中一個很大的干擾源，威脅電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，影響電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3）仿真情況三：在所搭建含風(fēng)電電力系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，分別設(shè)定所接入的風(fēng)電場G3的發(fā)電功率為5MW、12MW和20MW，對應(yīng)風(fēng)電穿透功率分別是8%、20%和33%，同時相應(yīng)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)G1的容量以保證系統(tǒng)總裝機(jī)容量一定。仿真情況為當(dāng)t=3s時，出力為20MW的常規(guī)機(jī)組G2退出運(yùn)行，系統(tǒng)頻率變化如圖8所示。從仿真實(shí)例可以看出，相同擾動情況下，隨著風(fēng)電穿透功率的逐漸加大，擾動引起的系統(tǒng)頻率偏差也依次加大，初始頻率下降速度加快，更加不利于電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的維持。究其原因，基于解耦控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不會對系統(tǒng)產(chǎn)生有效的頻率響應(yīng)，對系統(tǒng)慣量沒有貢獻(xiàn)，隨著風(fēng)電規(guī)模的擴(kuò)大，部分常規(guī)機(jī)組被風(fēng)電機(jī)組取代，導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量大大降低。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生有功功率缺額時，小慣量電力系統(tǒng)的頻率變化率較高，且頻率跌幅較大。這一不利影響將會隨著風(fēng)電穿透功率的增加而加劇，是含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的重要影響因素。

3結(jié)束語

由于風(fēng)力發(fā)電場的接入，電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性受到一定影響。當(dāng)風(fēng)電穿透功率較低時，由風(fēng)電接入所引起的頻率偏差，可以通過常規(guī)發(fā)電機(jī)組實(shí)時調(diào)整出力進(jìn)行有功平抑；但若風(fēng)電滲透率較高，系統(tǒng)頻率恢復(fù)的難度加大，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性所需的旋轉(zhuǎn)備用容量要求則進(jìn)一步提高，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要采取措施進(jìn)行有效的控制。

作者：吳麗娜劉觀起單位：華北電力大學(xué)