電力系統頻率穩定性研究范文

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《電氣制造雜志》2014年第七期

1風電大規模接入后的系統頻率穩定問題

風力發電出力具有明顯的間歇性與波動性，當風電并網自身容量相比電網容量較小時，其功率的擾動對電力系統的影響甚微；當并網單元數量增加到一定額度時，其功率的擾動將有可能影響電網的穩定，對電網頻率造成不利影響。我國風能資源與電力負荷的地理分布存在著顯著的不匹配現象，這決定了我國的風電開發特點是大規模、遠距離傳輸。國家發改委規劃在沿海地區和“三北”地區建設大型和特大型的風電場，包括若干個千萬千瓦級風電基地。這些風能資源豐富地區，一般多為電網末端，電網網架結構較弱，電網調節能力有限，這致使大規模風電接入對地區電網的調頻和穩定運行帶來極大壓力。大規模風電場并網對系統頻率的不利影響，主要體現在如下幾點。

1）風電功率的波動性和不可預期性，將會產生嚴重的地區有功功率不平衡問題。傳統電力系統調頻任務主要是針對負荷的隨機變化及聯絡線功率控制的需求設置的，隨著風電的引入，風電的隨機性及負荷波動性的雙重性作用將給系統頻率控制帶來前所未有的困難，而且，這一困難隨著風電并網單元數量的增加將會變得更加嚴重。

2）電力系統的慣量對于系統的頻率變化起決定性的作用，慣量越小，系統頻率變化速度越快。發電機慣性時間是表征系統慣量的機械參數，改變慣性時間常數對頻率動態過程的影響如圖1所示。風電大規模并網后，勢必代替部分常規發電機組。由于傳統變速恒頻風電機組控制系統實現了機組轉速與電網頻率的完全解耦，使風電機組失去了對頻率的快速有效響應。因此，傳統變速恒頻風電機組轉速的慣性動能對系統慣量的貢獻微乎其微。在電網頻率發生改變時，機組無法對電網提供頻率響應，導致電網發生功率缺額時，電網頻率降低的變化率較高，頻率的跌落幅度較大，不利于電網的頻率穩定[8]。

3）由于我國風電事業的發展過程中，對風機并網的技術要求缺少統一標準。目前，并網發電的風電機組多數并不具備高、低電壓穿越能力。當電力系統中風電裝機容量達到一定規模時，由于電網故障引起的電壓波動等因素，導致風電場整體退出運行時，會引起系統有功出力和負荷之間的動態不平衡，當電網其他發電機組不能夠快速響應風電功率時，則有可能造成系統頻率偏差，嚴重時可能導致系統頻率越限，進而危及電網安全運行。

2大規模風電并網運行頻率穩定性的仿真分析

為了對大規模風電并網運行后系統頻率穩定情況進行分析，本文基于Matlab/Simulink仿真平臺，搭建一個含風電的電力系統模型，如圖2所示。該系統中包含額定容量分別為20MW和60MW的同步發電機組G1和G2，以及總裝機容量為32.25MW風電場G3，風力發電機組采用雙饋感應風力發電機。

1）仿真情況一：基于所建立的風電系統模型，當t=3s時，負荷1突增10MW。整個過程中，風速保持vw=10m/s不變。系統的頻率變化情況如圖3所示，圖4為負荷突增過程中風力發電機組的有功功率情況。如圖3、圖4所示，由于負荷1的突增，電力系統發生有功缺額，系統頻率降低，然而由于DFIG發電機轉速與系統頻率的解耦關系，風電場有功功率幾乎沒有改變，對系統頻率也起不到支撐作用。雙饋感應風力發電機組雖然通過電力電子裝置使發電機能夠運行在最佳狀態，然而由于采用了有功功率－無功功率的解耦控制，使得風力發電機組的慣性動能對系統慣量的貢獻微乎其微，在系統頻率變化時不能做出快速、有效的響應。大規模風電并網后，將取代部分常規發電機組，致使電力系統慣量大大減小，威脅整個系統的頻率穩定性。

2）仿真情況二：t=3s時，風力發電場發生風速波動，圖5為風速波動情況，引起風力發電機組有功功率以及系統頻率的變化，如圖6、圖7所示。通過仿真可以看出，風電場的有功出力隨著風速的波動情況而發生變化，系統原有的有功平衡被打破，使得電力系統頻率發生偏移。作為風力發電的原動力，風能與常規發電能源相比有很高的波動性和隨機性，風力發電所輸出電功率的波動性不容忽視。隨著并網運行的風電規模不斷加大，這種功率波動無疑將會對電力系統的頻率等電氣量產生影響。風電將成為電力系統中一個很大的干擾源，威脅電力系統頻率穩定性，影響電力系統的安全、經濟運行。

3）仿真情況三：在所搭建含風電電力系統模型的基礎上，分別設定所接入的風電場G3的發電功率為5MW、12MW和20MW，對應風電穿透功率分別是8%、20%和33%，同時相應調節同步發電機G1的容量以保證系統總裝機容量一定。仿真情況為當t=3s時，出力為20MW的常規機組G2退出運行，系統頻率變化如圖8所示。從仿真實例可以看出，相同擾動情況下，隨著風電穿透功率的逐漸加大，擾動引起的系統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頻率穩定性的維持。究其原因，基于解耦控制的雙饋風力發電機組不會對系統產生有效的頻率響應，對系統慣量沒有貢獻，隨著風電規模的擴大，部分常規機組被風電機組取代，導致電力系統慣量大大降低。當電網發生有功功率缺額時，小慣量電力系統的頻率變化率較高，且頻率跌幅較大。這一不利影響將會隨著風電穿透功率的增加而加劇，是含大規模風電的電力系統頻率穩定性的重要影響因素。

3結束語

由于風力發電場的接入，電力系統頻率穩定性受到一定影響。當風電穿透功率較低時，由風電接入所引起的頻率偏差，可以通過常規發電機組實時調整出力進行有功平抑；但若風電滲透率較高，系統頻率恢復的難度加大，為維持系統頻率穩定性所需的旋轉備用容量要求則進一步提高，影響系統的經濟運行，需要采取措施進行有效的控制。

作者：吳麗娜劉觀起單位：華北電力大學