高風(fēng)電滲透率下的電力系統(tǒng)調(diào)頻

張青峰 姚志強(qiáng) 侯元文

摘 要：由于世界能源危機(jī)的影響，風(fēng)能發(fā)電事業(yè)獲得迅速發(fā)展。大規(guī)模風(fēng)電接入極大影響了電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。本文簡(jiǎn)單闡述了風(fēng)電機(jī)組與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的要求，然后詳細(xì)介紹了相應(yīng)的控制策略。當(dāng)前，人們可以采用需求側(cè)管理技術(shù)與大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，提升頻率的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);一次調(diào)頻;頻率調(diào)節(jié);控制策略

中圖分類號(hào)：TM712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）29-0078-03

Analysis of Power System Frequency Modulation under

High Wind Power Permeability

ZHANG Qingfeng YAO Zhiqiang HOU Yuanwen

（Jiyuan Power Supply Company of State Grid Henan Electric Power Company，Jiyuan Henan 459000）

Abstract： Due to the impact of the world energy crisis， the wind power industry has developed rapidly. Large scale wind power access greatly affects the frequency stability of power system. This paper briefly described the requirements of frequency regulation of wind turbine and power system， then introduced the corresponding control strategy in detail. At present， people can use demand side management technology and large-scale energy storage technology to improve the stability of frequency.

Keywords： power system;primary frequency regulation;frequency regulation;control strategy

當(dāng)前，綠色能源開(kāi)始引起越來(lái)越多人的青睞，發(fā)展比較迅猛，而最具代表性的當(dāng)屬風(fēng)力發(fā)電。歐美等西方國(guó)家起步較早，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，值得注意的是，隨著風(fēng)電滲透率的逐漸增加，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅[1-3]。本文首先總結(jié)了全球各地針對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，接著總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的控制措施，以確保電力系統(tǒng)調(diào)頻穩(wěn)定。

1 風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的要求

國(guó)內(nèi)外針對(duì)該課題展開(kāi)一系列的研究，積累了大量有益成果。德國(guó)在這方面走在世界的前列，該國(guó)EON公司提出明確的規(guī)定，裝機(jī)容量超過(guò)100MW的發(fā)電廠一定要擁有一次調(diào)頻能力，還明確規(guī)定其容量必須不小于額定容量的±2%，下垂特性常數(shù)應(yīng)當(dāng)是可以調(diào)節(jié)的，在系統(tǒng)頻率到達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差±200mHz時(shí)，一次調(diào)頻功率一定要在半分鐘時(shí)間之內(nèi)到達(dá)最高值，且可以保持不少于15min的輸出，除此之外，該公司還規(guī)定在上一次調(diào)頻后的15min之后可以再進(jìn)行一次調(diào)頻。

南非對(duì)此也做出明確的規(guī)定，規(guī)定并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)配備滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頻率響應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)要有圖1所示的頻率響應(yīng)能力。風(fēng)電場(chǎng)可以設(shè)置響應(yīng)死區(qū)（頻率偏差保持在0～0.5Hz范圍之內(nèi)），實(shí)踐中主要是按照電網(wǎng)相關(guān)要求來(lái)調(diào)節(jié);風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中能保持不少于95%的可輸出最大功率連續(xù)輸出;當(dāng)系統(tǒng)頻率大于50.5Hz時(shí)，規(guī)定其能夠以不少于1%額定功率/秒的斜率減少其功率輸出;系統(tǒng)頻率處于不同的范圍時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)頻率響應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)不同的曲線調(diào)節(jié)其功率輸出。

加拿大相關(guān)企業(yè)規(guī)定，如果風(fēng)電場(chǎng)容量超過(guò)10MW，那么一定要安裝相應(yīng)的調(diào)頻系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，可以有效控制其有功功率，該系統(tǒng)使其擁有與傳統(tǒng)同步機(jī)組大致相當(dāng)?shù)膽T性3.5s時(shí)間常數(shù)，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)該保證當(dāng)整個(gè)電網(wǎng)發(fā)生頻率波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)可以保持至少10s，以不小于額定功率5%的功率來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率。

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有了很大的發(fā)展，風(fēng)電滲透率在有些風(fēng)能富集區(qū)域已達(dá)到相對(duì)較高的水平。所以，風(fēng)電場(chǎng)必須擁有相應(yīng)的調(diào)頻能力以及備用的能力，當(dāng)其有功功率超過(guò)總額定出力的20%時(shí)，對(duì)其中有功出力保持在額定容量的20%以上的全部機(jī)組，可以進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，有效控制電網(wǎng)的有功功率。

2 風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)控制策略研究進(jìn)展

2.1 慣性支撐

風(fēng)電機(jī)組在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，可以為其提供良好的慣性支撐[4-6]。有學(xué)者針對(duì)該課題展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性在系統(tǒng)N-1故障中起著良好的作用，可以減小其頻率變化速率以及頻率最低點(diǎn)，為其頻率處于穩(wěn)定狀態(tài)提供堅(jiān)實(shí)的保障。還有學(xué)者通過(guò)切換其功率跟蹤曲線，在系統(tǒng)頻率突變時(shí)為其提供虛擬慣性，仿真結(jié)果顯示，在風(fēng)速保持固定的條件下，其具有相對(duì)較好的頻率響應(yīng)能力。

風(fēng)能自身具有一定的波動(dòng)特點(diǎn)，使得機(jī)組的慣性響應(yīng)能力存在不確定性。在研究過(guò)程中，有學(xué)者在頻率跌落時(shí)利用控制葉尖速比的方法為系統(tǒng)提供短時(shí)有功支撐，通過(guò)相應(yīng)的仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這個(gè)技術(shù)可以消除風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)頻率響應(yīng)的負(fù)面作用。為評(píng)估變化風(fēng)速的風(fēng)電場(chǎng)可用的虛擬慣性容量，還有學(xué)者在研究中提出利用高斯分布來(lái)模擬風(fēng)電功率波動(dòng)的方法。除此之外，相關(guān)專家學(xué)者在研究提出了改進(jìn)型的虛擬慣性控制方案，通過(guò)一系列的仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率跌落的有效限制，并且能夠有效降低頻率恢復(fù)后的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。

綜合相關(guān)研究者所述，在系統(tǒng)頻率跌落時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的虛擬慣性可以提供有功支撐，對(duì)于系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定起著重要的作用，是控制系統(tǒng)頻率的重要措施之一。

2.2 一次調(diào)頻

當(dāng)系統(tǒng)的功率波動(dòng)時(shí)，變速風(fēng)電機(jī)組可以為其提供一次調(diào)頻服務(wù)，并且還是系統(tǒng)頻率控制的有效措施之一。有學(xué)者在研究過(guò)程中分析了PCS與CCS的效率，結(jié)果表明，上述兩個(gè)方法具有相同的效果，二者有機(jī)結(jié)合能夠使風(fēng)電利用效率增加2%。根據(jù)圖2控制原理，相關(guān)DFIG風(fēng)電機(jī)組能夠在很大程度上改善電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。除此之外，還有專家學(xué)者在研究中總結(jié)了風(fēng)電機(jī)組的時(shí)序協(xié)調(diào)控制策略。

綜上所述，其基本上利用各種方法來(lái)?xiàng)夛L(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，以充分確保機(jī)組具有一定的有功備用容量。日后在提供相同的備用容量的條件下，怎樣最大限度地降低棄風(fēng)電量，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)效益，是擺在業(yè)界專家學(xué)者面前的一個(gè)重大問(wèn)題。

2.3 慣性支撐與一次調(diào)頻相結(jié)合

國(guó)內(nèi)外針對(duì)二者結(jié)合對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量研究。有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)合應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)頻率處于穩(wěn)定狀態(tài)或跌落時(shí)，可以提供良好的頻率支撐，還可以提升其風(fēng)電接納能力。還有專家在研究中通過(guò)變槳技術(shù)提出可整定風(fēng)電機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的頻率控制策略，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬慣性，以獲得更加有效的綜合控制效果。仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方法可以明顯改善系統(tǒng)內(nèi)在靜態(tài)或者是小擾動(dòng)條件下的頻率穩(wěn)定性。

綜合前人所述，風(fēng)電場(chǎng)中，二者有機(jī)結(jié)合能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供良好的有功功率調(diào)節(jié)，可以為系統(tǒng)頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)提供保障，是風(fēng)電場(chǎng)為電力系統(tǒng)提供調(diào)頻輔助功能的有效措施。

3 儲(chǔ)能及需求側(cè)管理技術(shù)的影響

大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量的時(shí)空平移能力，到現(xiàn)在為止，業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)有以下幾種：飛輪、超級(jí)電容器、鋰電池儲(chǔ)能等。上述方法均具備比較突出的優(yōu)越性，如較快的響應(yīng)速度，較高的穩(wěn)定性等，能夠配合風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，顯著改善機(jī)組的頻率響應(yīng)能力。

有專家學(xué)者在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用儲(chǔ)能可以提高含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力。還有學(xué)者總結(jié)了基于模糊控制策略的AGC調(diào)頻模型，通過(guò)相應(yīng)的仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方法可以在短時(shí)間之內(nèi)對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)作出響應(yīng)，降低了電力系統(tǒng)的頻率偏差，還明顯改善了電力系統(tǒng)AGC調(diào)頻能力。除此之外，還有專家提出了頻率響應(yīng)的相關(guān)指標(biāo)，深入探討了孤島電力系統(tǒng)的頻率特點(diǎn)，提出通過(guò)超級(jí)電容器儲(chǔ)能來(lái)為系統(tǒng)提供快速反應(yīng)的“虛擬慣性”，避免系統(tǒng)頻率減小至低頻減載閾值，進(jìn)而改善其頻率穩(wěn)定性。還有學(xué)者在研究中提出各種技術(shù)來(lái)控制電力電子裝置以實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)頻等服務(wù)。

需求側(cè)管理同樣被應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻中，并且取得非常不錯(cuò)的效果。有學(xué)者在研究中探討了它和虛擬慣性二者結(jié)合在調(diào)節(jié)一次頻率中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)合可以有效改善電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。還有專家在研究中構(gòu)建起大規(guī)模風(fēng)電接入下的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，運(yùn)用低壓低頻減載的需求側(cè)響應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的有效控制。除此之外，有人在研究過(guò)程中對(duì)動(dòng)態(tài)需求控制效益進(jìn)行量化分析，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一次調(diào)頻，他們總結(jié)了控制制冷設(shè)備的優(yōu)化控制算法，通過(guò)相應(yīng)的仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在高風(fēng)電滲透率下的電力系統(tǒng)中，DD所起到的效果更佳，從而為電網(wǎng)調(diào)頻提供了新的思路。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)石油和煤炭消耗的增多，資源枯竭問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題。在這種形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)始探索各種新能源，尤其是綠色能源，這就使得風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視。筆者主要總結(jié)了西方國(guó)家對(duì)于發(fā)電機(jī)組頻的要求，接著探討了規(guī)模風(fēng)電功率并網(wǎng)的影響，研究了慣性支撐、一次調(diào)頻及兩者有機(jī)結(jié)合三種控制策略。同時(shí)，分析了大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及需求側(cè)管理技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，可以確定的是，日后儲(chǔ)能技術(shù)的成本必然會(huì)逐漸減少，因此，該方法肯定會(huì)受到人們的重視，隨著研究的不斷深入，其會(huì)體現(xiàn)出更高的理論與實(shí)踐價(jià)值。

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