电力系统频率稳定性研究范文

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《电气制造杂志》2014年第七期

1风电大规模接入后的系统频率稳定问题

风力发电出力具有明显的间歇性与波动性，当风电并网自身容量相比电网容量较小时，其功率的扰动对电力系统的影响甚微；当并网单元数量增加到一定额度时，其功率的扰动将有可能影响电网的稳定，对电网频率造成不利影响。我国风能资源与电力负荷的地理分布存在着显著的不匹配现象，这决定了我国的风电开发特点是大规模、远距离传输。国家发改委规划在沿海地区和“三北”地区建设大型和特大型的风电场，包括若干个千万千瓦级风电基地。这些风能资源丰富地区，一般多为电网末端，电网网架结构较弱，电网调节能力有限，这致使大规模风电接入对地区电网的调频和稳定运行带来极大压力。大规模风电场并网对系统频率的不利影响，主要体现在如下几点。

1）风电功率的波动性和不可预期性，将会产生严重的地区有功功率不平衡问题。传统电力系统调频任务主要是针对负荷的随机变化及联络线功率控制的需求设置的，随着风电的引入，风电的随机性及负荷波动性的双重性作用将给系统频率控制带来前所未有的困难，而且，这一困难随着风电并网单元数量的增加将会变得更加严重。

2）电力系统的惯量对于系统的频率变化起决定性的作用，惯量越小，系统频率变化速度越快。发电机惯性时间是表征系统惯量的机械参数，改变惯性时间常数对频率动态过程的影响如图1所示。风电大规模并网后，势必代替部分常规发电机组。由于传统变速恒频风电机组控制系统实现了机组转速与电网频率的完全解耦，使风电机组失去了对频率的快速有效响应。因此，传统变速恒频风电机组转速的惯性动能对系统惯量的贡献微乎其微。在电网频率发生改变时，机组无法对电网提供频率响应，导致电网发生功率缺额时，电网频率降低的变化率较高，频率的跌落幅度较大，不利于电网的频率稳定[8]。

3）由于我国风电事业的发展过程中，对风机并网的技术要求缺少统一标准。目前，并网发电的风电机组多数并不具备高、低电压穿越能力。当电力系统中风电装机容量达到一定规模时，由于电网故障引起的电压波动等因素，导致风电场整体退出运行时，会引起系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，当电网其他发电机组不能够快速响应风电功率时，则有可能造成系统频率偏差，严重时可能导致系统频率越限，进而危及电网安全运行。

2大规模风电并网运行频率稳定性的仿真分析

为了对大规模风电并网运行后系统频率稳定情况进行分析，本文基于Matlab/Simulink仿真平台，搭建一个含风电的电力系统模型，如图2所示。该系统中包含额定容量分别为20MW和60MW的同步发电机组G1和G2，以及总装机容量为32.25MW风电场G3，风力发电机组采用双馈感应风力发电机。

1）仿真情况一：基于所建立的风电系统模型，当t=3s时，负荷1突增10MW。整个过程中，风速保持vw=10m/s不变。系统的频率变化情况如图3所示，图4为负荷突增过程中风力发电机组的有功功率情况。如图3、图4所示，由于负荷1的突增，电力系统发生有功缺额，系统频率降低，然而由于DFIG发电机转速与系统频率的解耦关系，风电场有功功率几乎没有改变，对系统频率也起不到支撑作用。双馈感应风力发电机组虽然通过电力电子装置使发电机能够运行在最佳状态，然而由于采用了有功功率－无功功率的解耦控制，使得风力发电机组的惯性动能对系统惯量的贡献微乎其微，在系统频率变化时不能做出快速、有效的响应。大规模风电并网后，将取代部分常规发电机组，致使电力系统惯量大大减小，威胁整个系统的频率稳定性。

2）仿真情况二：t=3s时，风力发电场发生风速波动，图5为风速波动情况，引起风力发电机组有功功率以及系统频率的变化，如图6、图7所示。通过仿真可以看出，风电场的有功出力随着风速的波动情况而发生变化，系统原有的有功平衡被打破，使得电力系统频率发生偏移。作为风力发电的原动力，风能与常规发电能源相比有很高的波动性和随机性，风力发电所输出电功率的波动性不容忽视。随着并网运行的风电规模不断加大，这种功率波动无疑将会对电力系统的频率等电气量产生影响。风电将成为电力系统中一个很大的干扰源，威胁电力系统频率稳定性，影响电力系统的安全、经济运行。

3）仿真情况三：在所搭建含风电电力系统模型的基础上，分别设定所接入的风电场G3的发电功率为5MW、12MW和20MW，对应风电穿透功率分别是8%、20%和33%，同时相应调节同步发电机G1的容量以保证系统总装机容量一定。仿真情况为当t=3s时，出力为20MW的常规机组G2退出运行，系统频率变化如图8所示。从仿真实例可以看出，相同扰动情况下，随着风电穿透功率的逐渐加大，扰动引起的系统频率偏差也依次加大，初始频率下降速度加快，更加不利于电力系统频率稳定性的维持。究其原因，基于解耦控制的双馈风力发电机组不会对系统产生有效的频率响应，对系统惯量没有贡献，随着风电规模的扩大，部分常规机组被风电机组取代，导致电力系统惯量大大降低。当电网发生有功功率缺额时，小惯量电力系统的频率变化率较高，且频率跌幅较大。这一不利影响将会随着风电穿透功率的增加而加剧，是含大规模风电的电力系统频率稳定性的重要影响因素。

3结束语

由于风力发电场的接入，电力系统频率稳定性受到一定影响。当风电穿透功率较低时，由风电接入所引起的频率偏差，可以通过常规发电机组实时调整出力进行有功平抑；但若风电渗透率较高，系统频率恢复的难度加大，为维持系统频率稳定性所需的旋转备用容量要求则进一步提高，影响系统的经济运行，需要采取措施进行有效的控制。

作者：吴丽娜刘观起单位：华北电力大学