風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析及控制策略研究

黃新燕

摘 要：在經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的今天，生產(chǎn)生活對電網(wǎng)容量的需求越來越大。想要達到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，其中一個重要因素就是電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。頻率在電力系統(tǒng)運行中占據(jù)重要地位，了解發(fā)電與負荷的平衡情況需要看頻率數(shù)值。但是隨著近年來供電系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，新設(shè)備并網(wǎng)特別是風(fēng)電并網(wǎng)等情況的發(fā)生，增加了供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，可能引起頻率失常，威脅供電系統(tǒng)安全。文章通過研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率的響應(yīng)，分析研究如何解決風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng);系統(tǒng);頻率;分析控制

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.040

近年來，隨著風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，參與系統(tǒng)中頻率控制將是供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)不同，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)受到風(fēng)速的影響，具有一定的不穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)參數(shù)值并不適合風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率控制。文章通過研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率，對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)發(fā)生變化時的特點，根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定性和時刻變化的頻率響應(yīng)，改善風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率調(diào)整的可靠性，進一步探討風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動。

1 研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)的意義

1.1 研究的背景

頻率最直接體現(xiàn)了電力系統(tǒng)中有功出力和負荷的需求直接平衡狀態(tài)。隨著電力系統(tǒng)研究的不斷發(fā)展和技術(shù)的開發(fā)，電力新能源技術(shù)越來越發(fā)達和完善，作為目前最經(jīng)濟和完善的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，對新能源的開發(fā)具有重要的作用。

電力系統(tǒng)新能源中研究再生能源技術(shù)可以不斷加大風(fēng)電并網(wǎng)容量，隨著容量的加大，風(fēng)電滲透率也會隨之提高。但是，對于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運用中產(chǎn)生的不確定性會對電力系統(tǒng)中的頻率帶來一定影響和挑戰(zhàn)。一旦風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，在發(fā)電中產(chǎn)生的波動出力會影響電力系統(tǒng)中有功輸出和負荷的平衡，有功輸出減少會導(dǎo)致電網(wǎng)中頻率的下降。因此，在新能源開發(fā)中，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)引起技術(shù)人員的關(guān)注。

1.2 研究的意義

傳統(tǒng)的應(yīng)用電網(wǎng)中，為保證電力系統(tǒng)中頻率的穩(wěn)定和可靠性，通常對有功保留出來備用的保障電網(wǎng)的正常使用，確保電力系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)有功缺額時候，通過解放備用的有功，迅速增加有功的供給需求。但是當(dāng)大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)接入，增加了電力系統(tǒng)運行的不確定性和超出的控制性，而在變頻器控制整體風(fēng)電機組時可以與系統(tǒng)中頻率產(chǎn)生解耦控制，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)無法與傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)進行頻率的同步控制。由于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的接入會減弱電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)能力，從而對電力系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定可靠運行產(chǎn)生了不利因素。因此，傳統(tǒng)的有功備用模式無法滿足整個電力系統(tǒng)的需求。隨著并網(wǎng)不斷加大，容量不斷增加，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)已經(jīng)成為電力供給的首選，如何讓并網(wǎng)系統(tǒng)可以參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)成為研究的重要目的。

對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，目前大多傾向于風(fēng)電功率變化和預(yù)測或風(fēng)電并網(wǎng)對電壓、功率等影響，這些都是較傳統(tǒng)的、普及面較廣的研究，我國對于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率的課題還比較少。但是，隨著風(fēng)電并網(wǎng)數(shù)量不斷增多，研究人員逐漸認識到，頻率的穩(wěn)定性對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的影響較大，在并網(wǎng)系統(tǒng)中對于風(fēng)電參與頻率中的控制要求越來越高，因此，在風(fēng)電并網(wǎng)的研究中頻率的響應(yīng)對風(fēng)電并網(wǎng)具有重要的意義[1]。

2 風(fēng)電并網(wǎng)頻率研究現(xiàn)狀

頻率是供電系統(tǒng)的主要指標(biāo)之一，是供電系統(tǒng)中控制參數(shù)的一項數(shù)據(jù)，與供電系統(tǒng)安全和效率的聯(lián)系密不可分，由于地域不同，供電系統(tǒng)中對頻率參考值的規(guī)定也不同。我國對頻率的規(guī)定是50 Hz±0.2 Hz，根據(jù)供電系統(tǒng)的嚴(yán)格規(guī)定，頻率的偏差不能太大，否則會對供電系統(tǒng)運行產(chǎn)生負荷等不良影響，對供電系統(tǒng)本身也有較大影響。頻率一旦降低，會影響電動機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降低會減少機械出能，從而導(dǎo)致頻率繼續(xù)下降，變成惡性循環(huán)。一旦頻率在短時間內(nèi)突然大幅下降，就會造成停電現(xiàn)象，甚至整個供電系統(tǒng)都會出現(xiàn)問題。

在初期風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)中，為確保系統(tǒng)的正常運行，頻率的上下幅度超出一定范圍時，風(fēng)電與電網(wǎng)會斷開。但實際情況下這種現(xiàn)象會加劇頻率下降，導(dǎo)致供電系統(tǒng)中的頻率無法在短時間內(nèi)恢復(fù)。因此，各國對于風(fēng)電場運行頻率范圍提出了相應(yīng)的規(guī)范和要求，如圖1所示，在不同的頻率下，風(fēng)電場運行范圍值有所不同[2]。

在研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)時，要綜合考慮各個方面的影響，電網(wǎng)系統(tǒng)的影響與風(fēng)電功率波動有關(guān)，因此，要從功率波動引起風(fēng)電并網(wǎng)頻率情況入手。在風(fēng)電上網(wǎng)在電網(wǎng)中占一定比例時，風(fēng)電功率對系統(tǒng)頻的影響較小，但是一旦出現(xiàn)電路故障或發(fā)電機故障，會對電網(wǎng)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生大幅影響。出現(xiàn)短路時，會導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)脫網(wǎng)，使風(fēng)電場造成損失，當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生風(fēng)速較大波動時也會對頻率造成影響，而風(fēng)電系統(tǒng)容量變大時有利于頻率的穩(wěn)定性。

在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)時，從電網(wǎng)系統(tǒng)頻率大幅降低，系統(tǒng)中慣量會對頻率產(chǎn)生作用，慣量變得越低，系統(tǒng)頻率也相應(yīng)變得越低。風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)中容量如果不斷增加，電機組會替代整個風(fēng)電系統(tǒng)中的常規(guī)發(fā)電機組，如果風(fēng)電機組不能提供慣量的回應(yīng)，就會降低整個系統(tǒng)中的有效慣量。當(dāng)比重增加時，供電系統(tǒng)慣量對整個電力系統(tǒng)的不利影響也會越來越大，對電網(wǎng)的相對穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[3]。

3 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)控制

隨著風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，并網(wǎng)容量不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響也在增加。為確保在風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電上的平穩(wěn)發(fā)展，保障風(fēng)電系統(tǒng)的科學(xué)合理化運用，要對整個風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)建立完善的制度標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)范化。隨著并網(wǎng)系統(tǒng)建立的規(guī)范化實行，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，隨著用電需求越來越大，新系統(tǒng)對于風(fēng)電場的要求也越來越高，因此，要提高對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的要求。

3.1 風(fēng)力發(fā)電機組的控制

傳統(tǒng)發(fā)電機組系統(tǒng)中的頻率與輸出的功率緊密相連，當(dāng)功率出現(xiàn)一定波動時，會導(dǎo)致系統(tǒng)中頻率降低，發(fā)電機組中的有功出力就會增加。通過不斷研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機組中有功出力與頻率之間的變化緊密相連。但是，風(fēng)電機組還與外部環(huán)境中的風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)電機組會因為轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致頻率下降。

風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)輪機、發(fā)電機兩大部分構(gòu)成。其中，風(fēng)輪機主要通過葉片、輪轂、聯(lián)軸器等部件組成：葉片主要將風(fēng)能轉(zhuǎn)換并運用在輪轂上從而進行機械轉(zhuǎn)矩;輪轂連接著葉片和聯(lián)軸器;聯(lián)軸器作為整個發(fā)電機組的傳動裝置傳遞風(fēng)輪機和發(fā)電機兩者間的轉(zhuǎn)矩。

風(fēng)力發(fā)電機組主要分為雙饋感應(yīng)電機、永磁同步電機等。風(fēng)力發(fā)電機組想要運行平穩(wěn)的發(fā)電功率是受到了電場中內(nèi)部風(fēng)速的作用，但是由于內(nèi)部風(fēng)速受到外界的影響具有較高的隨機性，導(dǎo)致電場內(nèi)部風(fēng)機整體具有復(fù)雜性，這種情況致使風(fēng)力發(fā)電機組的出力具有不穩(wěn)定性和不可靠性，無法及時控制其出力情況。

3.2 風(fēng)電場的控制

在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運行中，為保障整個電力系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，利用傳統(tǒng)的同步發(fā)電機組與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)同等容量的旋轉(zhuǎn)備用運行，這種情況會造成電力資源浪費。在風(fēng)電場儲能系統(tǒng)中具有高效快速的響應(yīng)速度和能量轉(zhuǎn)換速度，可以改善風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)配置中儲能系統(tǒng)的功率波動，提高供電的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的安全性。

由于風(fēng)電場中風(fēng)電機組受到容量限制，因此一個風(fēng)電場由多個風(fēng)電機組組成。在考慮頻率控制時，從風(fēng)電場角度出發(fā)，主要關(guān)注各個風(fēng)電機組之間的協(xié)調(diào)性與控制性，每個風(fēng)電機組之間的元件控制問題。當(dāng)供電系統(tǒng)的負荷變增大時，總頻率會隨著供電系統(tǒng)和負荷增大而降低，此時，一旦風(fēng)電場參與頻率調(diào)整，要考慮到各個風(fēng)電機組之間的運行情況調(diào)整頻率。根據(jù)當(dāng)時的風(fēng)速與風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速之間的聯(lián)系，導(dǎo)出風(fēng)電機組當(dāng)時的參數(shù)計算并按比例調(diào)整，維持風(fēng)電機組之間各個機組的功率協(xié)調(diào)性。

4 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析及控制策略

風(fēng)電場并網(wǎng)中的頻率響應(yīng)是否穩(wěn)定，是整個電力系統(tǒng)運行的重要指標(biāo)之一。一旦頻率出現(xiàn)問題，會影響整個電力系統(tǒng)運行，導(dǎo)致發(fā)電機組產(chǎn)生事故，要通過研究頻率響應(yīng)中的分析方法、電并網(wǎng)中系統(tǒng)頻率控制能力等一系列問題，保證風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)的穩(wěn)定性[4]。

傳統(tǒng)的風(fēng)電場中的調(diào)頻系統(tǒng)主要通過電網(wǎng)中的水電機組和燃氣機組等電源供給運行。這種方式導(dǎo)致當(dāng)電力系統(tǒng)中的發(fā)電有用功率和負荷發(fā)生平衡變化時，電力系統(tǒng)的頻率也會隨之變化，而傳統(tǒng)的發(fā)電機組要通過釋放機組中的旋轉(zhuǎn)慣量中的動能為電力系統(tǒng)的頻率提供響應(yīng)。由于電源是通過旋轉(zhuǎn)慣性的器件構(gòu)成，在響應(yīng)中頻率的速度受到發(fā)坡率的影響，對整體調(diào)頻控制存在著延遲和數(shù)值的偏差。

文章對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率穩(wěn)定性運行提出了一種評估方法，這種評估方法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的頻率中的偏移。運用彈性反向傳播算法如圖2所示，點的速度越快，收斂的曲線就會越平穩(wěn)，從而運算出仿真程序，在IEEE—30系統(tǒng)中進行實驗得出此方法。這個方法可以用于不同的風(fēng)電場構(gòu)造，反映在不同風(fēng)電場出現(xiàn)的頻率變化規(guī)則。在運行后，可以預(yù)判風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)中頻率響應(yīng)出現(xiàn)的波動，為系統(tǒng)提供頻率依據(jù)和參考參數(shù)。

在風(fēng)電并網(wǎng)大規(guī)模的實施下，很難有確定的新網(wǎng)風(fēng)電場頻率響應(yīng)，根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的特性，通過利用推理系統(tǒng)計算的方法掌握風(fēng)電并網(wǎng)中風(fēng)電場的頻率響應(yīng)。例如，可以采用模糊邏輯系統(tǒng)推理方法，通過計算頻率響應(yīng)模型中的有功和頻率實時動態(tài)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生變量，從而評估出風(fēng)電場頻率響應(yīng)的特性。經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，此方法可以反映風(fēng)電場在運行狀態(tài)下不同的情況產(chǎn)生的頻率響應(yīng)的特點。模糊邏輯系統(tǒng)推理的方法對于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率響應(yīng)和頻率穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展中風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷加大，研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率的響應(yīng)是必然趨勢。在整體的風(fēng)電機組中，頻率調(diào)頻力與當(dāng)時風(fēng)速也有一定關(guān)系，由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致頻率出現(xiàn)波動性，因此，可以根據(jù)發(fā)電機組出力模型，提出在風(fēng)速變化的情況下模擬風(fēng)電場控制變化的情況。通過隨機變量的特性進行概率函數(shù)運算，對IEEE—14系統(tǒng)算，可以看出，研究模型在系統(tǒng)中概率的隨機變化特性，風(fēng)電場的調(diào)頻能力隨著風(fēng)速出力的影響，驗證研究中概率模型的準(zhǔn)確性，為風(fēng)電場的系統(tǒng)頻率控制提供依據(jù)[5]。

5 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的展望

在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中可以說頻率穩(wěn)定性是對整個系統(tǒng)的重要支持和保障，當(dāng)電力系統(tǒng)中的頻率出現(xiàn)問題的時候會影響整個電力系統(tǒng)設(shè)備的運行，甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)電發(fā)電機組的切出和系統(tǒng)頻率崩潰的嚴(yán)重問題。隨著風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用的擴大，并網(wǎng)規(guī)模的增加，導(dǎo)致并網(wǎng)容量也在不斷增加，風(fēng)電出力就會出現(xiàn)較大的隨機波動性，這種隨機波動對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行有著重大影響，在我國目前對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)隨機波動性的研究相對比較少。因此，在未來風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展中，對深入了解風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率的特征和技術(shù)方法、參數(shù)控制等都要進行大量研究和分析。

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究隨著并網(wǎng)容量的不斷增加具有重要影響，因此，風(fēng)電場與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率控制研究是未來發(fā)展的必然走向。在風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)電機組的調(diào)頻能力大小與內(nèi)部風(fēng)速緊密聯(lián)系，傳統(tǒng)的同步電機組的控制已經(jīng)無法使用風(fēng)電機組頻率的控制。風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電運行需要實現(xiàn)利用大規(guī)模風(fēng)能運行，在發(fā)展中單機容量為兆瓦（MW）級大型風(fēng)電機組得到了廣泛應(yīng)用。為提高風(fēng)電輸送功能的可靠安全性，風(fēng)電場通過高壓電接入到電網(wǎng)中，采用串聯(lián)方式補償對功率的缺失。

隨著風(fēng)電場風(fēng)電機容量的增加，高壓電等級的不斷提高，電網(wǎng)受到風(fēng)力的影響范圍也會越來越大，兩者間的相互作用更加明顯。風(fēng)力并網(wǎng)的大規(guī)模接入為整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行提出了挑戰(zhàn)，也是未來提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率控制的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，在未來風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展中，提高電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性和可靠性將成為重要的研究方向。

6 結(jié)語

綜上所述，通過彈性反向算法、模糊邏輯系統(tǒng)推理算法等系列實驗證明，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率響應(yīng)的穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)有著極大的關(guān)系，頻率響應(yīng)具有穩(wěn)定性，才能參與風(fēng)電場中風(fēng)電并網(wǎng)。隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的需求增大，并網(wǎng)系統(tǒng)研究將會成為電力部門的一大發(fā)展趨勢，將風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)與頻率控制研究成果更好地利用在電力系統(tǒng)中，提高電網(wǎng)的可靠性，更好地服務(wù)社會經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考文獻

[1] 唐曉駿，蔡繼朝，馬世英，等.雙饋風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2020，32（10）：37-43，62.

[2] 王博，楊德友，蔡國偉.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下考慮動態(tài)頻率約束的機組組合[J].電網(wǎng)技術(shù)，2020，44（7）：2513-2519.

[3] 褚鑫，高桂革.基于混合儲能的風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻控制策略[J].磁性材料及器件，2019，50（6）：52-56.

[4] 苗翯.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)評估方法研究[J].機電信息，2019（30）：14-15.

[5] 史軍，曹紅，何國中，等.基于頻率響應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)POD參數(shù)設(shè)計研究[J].自動化與儀器儀表，2017（7）：8-11.