崔楊，劉嘉，趙冰，嚴干貴

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012; 2．中國南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司南寧供電局，廣西南寧530031; 3．國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春130012)

一種評估大規(guī)模風電功率脫落對電力系統(tǒng)頻率影響的分析方法

崔楊1，劉嘉2，趙冰3，嚴干貴1

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012; 2．中國南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司南寧供電局，廣西南寧530031; 3．國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春130012)

大規(guī)模并網(wǎng)風電功率的波動會引起系統(tǒng)頻率波動甚至導致系統(tǒng)頻率動態(tài)越限，危及電網(wǎng)的安全運行，而風電單機容量小、隨機波動性強等特點，使得基于階躍擾動的傳統(tǒng)頻率動態(tài)分析方法不再適用。本文提出一種基于風電功率波動特性以及系統(tǒng)頻率響應特性的評估方法，可用于分析風電功率波動極端方式——大規(guī)模風電功率脫落對電力系統(tǒng)頻率動態(tài)的影響程度。基于實際電網(wǎng)風電運行實例，分析了并網(wǎng)點受擾后風電機群脫網(wǎng)造成的風電功率脫落引起的系統(tǒng)頻率動態(tài)過程，并評估了典型運行方式下滿足系統(tǒng)容許頻差約束的最大風電功率脫落值。

大規(guī)模并網(wǎng)風電;風電功率脫落;電力系統(tǒng)頻率;系統(tǒng)容許頻差約束

1 引言

頻率是電力系統(tǒng)的一個重要運行參數(shù)，電力系統(tǒng)頻率與有功功率供需平衡關(guān)系密切。由于風電功率的波動性，大規(guī)模風電并網(wǎng)運行勢必打破系統(tǒng)原有功率供需平衡機制，因此，含大規(guī)模風電電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題顯得尤為突出［1-3］。

電力系統(tǒng)頻率動態(tài)過程是功率供需平衡遭到破壞后而激起的系統(tǒng)頻率變化過渡過程，屬于中長期動態(tài)過程，與發(fā)電機組頻率調(diào)節(jié)特性、負荷頻率調(diào)節(jié)特性、功率源的擾動形式、系統(tǒng)的初始運行點以及系統(tǒng)規(guī)模等因素密切相關(guān)［4］。

目前國內(nèi)外針對大規(guī)模風電并網(wǎng)運行對系統(tǒng)頻率的影響已開展了一些研究工作。文獻［5］提出一種基于“時-頻變換”的評估風電功率波動引起系統(tǒng)頻率偏差的方法;文獻［6］利用概率分布函數(shù)評估風電功率注入系統(tǒng)引起的頻率偏差及其概率分布;文獻［7］利用系統(tǒng)復合傳遞函數(shù)來評估風電并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)頻率的影響，并提出利用火電機組的調(diào)速器動作抵償風電功率波動以提高風電穿透水平;文獻［8］研究了相同風速、不同風電穿透水平下的風電功率擾動對系統(tǒng)頻率的影響，以及風電場出力不變、互聯(lián)系統(tǒng)在不同聯(lián)絡線發(fā)生故障時引起的系統(tǒng)頻率動態(tài)過程;文獻［9］研究了利用風電參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的可行性。

以上文獻主要聚焦于風電功率波動引起系統(tǒng)頻率偏差的具體計算方法或風電有功控制對改善電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的貢獻分析。針對典型風電功率波動(隨風速波動或并網(wǎng)點受擾后風電機群脫落造成的風電功率脫落)對電力系統(tǒng)頻率影響的評估問題文獻涉及較少，而這類問題的關(guān)鍵因素是對風電功率波動特性以及電網(wǎng)頻率響應特性的分析。

本文提出一種基于風電功率波動特性以及系統(tǒng)頻率響應特性評估風電功率波動對系統(tǒng)頻率影響程度的方法，基于實際電網(wǎng)風電聯(lián)網(wǎng)運行實例，分析了由于并網(wǎng)點受擾后風電機群脫落造成的風電功率擾動所引起的系統(tǒng)頻率動態(tài)過程，并評估了典型運行方式下滿足系統(tǒng)容許頻差約束的最大風電功率脫落值。

2 風電功率波動特性的概率評估

風能分布的連續(xù)性及差異性使得大規(guī)模風電場群輸出的風電功率具有匯聚特性，風電功率的實際波動幅值總是小于其額定裝機容量［10］。因此，需定量分析實際風電場群可能脫落功率的范圍，本文定義如下風電功率波動的統(tǒng)計量評價指標。

式中，k為采樣點數(shù);m=dt/ΔT為差分階數(shù);ΔT為采樣時間間隔;dt表示不同的時間尺度。

(3)概率分布函數(shù)F(x):用以評價波動量小于某一數(shù)值的概率。考慮到風電波動的隨機性，波動量的概率分布對評價風電功率波動對系統(tǒng)頻率的影響劇烈程度具有現(xiàn)實意義。

通過分析風電功率波動特性相關(guān)指標，可得到風電場群輸出功率的波動幅度及其概率分布，特別是統(tǒng)計相同并網(wǎng)點同時脫落風電功率的概率分布。

3 含大規(guī)模風電電力系統(tǒng)頻率響應模型

風電功率波動對系統(tǒng)頻率的影響不但與其自身波動特性有關(guān)，還與所接入系統(tǒng)規(guī)模(總?cè)萘?、系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)特性(機組、負荷頻率調(diào)節(jié)特性)及系統(tǒng)運行工況有關(guān)。

圖1為單機系統(tǒng)的三階頻率動態(tài)響應模型［11］，其反映了單機系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動后引起的系統(tǒng)頻率動態(tài)調(diào)節(jié)機理。圖1中ΔPm為機械功率;ΔPg為汽門偏差;ΔPL為負荷擾動;ΔPw為風電功率波動量;Tt為汽容時間常數(shù);Tg為調(diào)速器時間常數(shù);R為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)率;ΔPref為二次調(diào)頻給定值。

為分析大規(guī)模風電功率波動對電力系統(tǒng)頻率的影響，假設(shè)系統(tǒng)機組出力以及負荷均不發(fā)生變化，即ΔPL、ΔPref均為0。因此，由于風電功率波動引起的系統(tǒng)頻率偏差的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表述為:

式中，H、D分別為系統(tǒng)總慣性常數(shù)和系統(tǒng)總阻尼系

圖1 單機系統(tǒng)頻率響應模型Fig．1Frequency response model of generator unit

當系統(tǒng)出現(xiàn)幅度為ΔPw的風電功率波動時，所引起的系統(tǒng)頻率偏差為:為電網(wǎng)慣性時間常數(shù)，其中Tai為第i臺機組轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù);Δωr為系統(tǒng)頻率變化量。

圖2 多機系統(tǒng)頻率響應模型Fig．2Frequency response model of multi-generators system

4 算例分析

本文將以某百萬千瓦風電基地接入我國東北某省級電網(wǎng)為例，仿真分析冬大(冬季最大運行方式)、冬小(冬季最小運行方式)兩種典型運行工況下風電并網(wǎng)點出現(xiàn)大范圍風電功率脫落時的系統(tǒng)頻率動態(tài)過程。

4.1 算例系統(tǒng)概述

圖3為某風電場群接入算例系統(tǒng)電網(wǎng)的示意圖，該風電場群由11個風電場匯聚而成，總裝機容量為1080MW，全部風電功率由雙回220kV線路送入主網(wǎng)。算例系統(tǒng)冬大運行方式下的總發(fā)電功率為8742MW，其中風電的比例為12.35%;冬小運行方式下5469.5MW的系統(tǒng)總發(fā)電功率中，風電的比例為19.75%。表1為算例系統(tǒng)冬大、冬小運行方式下有功發(fā)電以及負荷水平情況。

圖3 某風電場群接入電網(wǎng)示意圖Fig．3Sketch map of clustering wind farms connected with main power grid

表1 系統(tǒng)功率供需情況Tab．1Details on supply/demand of simulation system

該風電場群的11個風電場分別由洮南變、白城變、鎮(zhèn)賚變、大安變、乾安變5個公共風電并網(wǎng)點接入地區(qū)電網(wǎng)，再經(jīng)雙回220kV輸電線路集中接入省網(wǎng)主網(wǎng)。表2為各風電并網(wǎng)點風電場接入情況。

表2 風電并網(wǎng)點情況Tab．2Details of wind power integrated points

本文以下分析采用數(shù)據(jù)來自該1080MW風電場群實測運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)樣本長度為1年，采樣間隔為5min。仿真軟件采用PSASP。

4.2 風電功率波動特性分析

圖4為該風電場群全年的出力曲線，風電場群全年出力水平存在較大差異，且不存在滿出力情況。

圖5為該風電場群持續(xù)出力曲線，曲線上的點表示風電輸出功率(該點縱坐標)大于某一出力水平的時間(該點橫坐標)。由圖可知，風電場群的最大出力僅能達到風電裝機容量的80%。圖中A點表示風電場群全年時間內(nèi)出力水平大于0.4pu的持續(xù)時間不超過1400h。

圖4 風電場群年出力曲線(SN=1080MW)Fig．4Wind power annual curve of clustering wind farms

圖5 風電場群年持續(xù)出力曲線(SN=1080MW)Fig．5Wind power annual duration curve of clustering wind farms

圖6為不同時間尺度下風電場群輸出功率差分量概率分布圖。由圖可知，5min、10min、15min、30min等時間尺度下該百萬千瓦級(1080MW)風電場群輸出功率差分量主要集中在0.05pu范圍內(nèi)，且其概率分布隨著時間尺度增大而減小。

圖6 風電功率波動概率分布Fig．6Probability distribution of wind power fluctuation

表3為不同時間尺度下風電功率差分量在0.05pu范圍內(nèi)概率分布情況，由表可知，風電功率差分量概率集中分布的范圍隨著時間尺度增大而增大;風電場群輸出功率波動量在5min及其以下時間尺度幾乎100%的概率集中在0.05pu以內(nèi)。

表3 波動差分量的概率分布Tab．3Probability distribution of fluctuation range

4.3 風電場脫網(wǎng)對系統(tǒng)頻率的影響分析

由4.2節(jié)分析可知，由風速波動導致輸出風電功率的波動幅值較小，基本不會影響系統(tǒng)頻率動態(tài)。本節(jié)主要考慮當風電并網(wǎng)點受到擾動(如系統(tǒng)側(cè)短路、電壓突降等)導致大面積風電機群連鎖脫網(wǎng)出現(xiàn)風電功率脫落事件時，系統(tǒng)頻率的變化過程。

事實上，對風電機群連鎖脫網(wǎng)的研究表明大規(guī)模風電功率脫落通常有一個時間過程。本文研究場景特指某一風電并網(wǎng)點處的并網(wǎng)風電場群大風滿發(fā)狀態(tài)下突發(fā)脫網(wǎng)事故的系統(tǒng)頻率動態(tài)過程。由于滿發(fā)狀態(tài)下風電機組運行穩(wěn)定裕度最?。?3］，因此這類脫網(wǎng)事件造成的功率脫落更為嚴重;且由于相繼脫落過程時間很短(數(shù)百毫秒內(nèi))，可認為是功率瞬間減少至零，本文用功率階躍形式來描述。

圖7給出算例系統(tǒng)中出現(xiàn)單個風電并網(wǎng)點風電由滿發(fā)狀態(tài)出現(xiàn)連鎖脫網(wǎng)時的系統(tǒng)頻率波動曲線。由圖7可知，冬大方式(負荷水平為729.5萬kW)下，洮南變脫落430MW風電功率為最嚴重情況，脫落功率約占系統(tǒng)負荷水平的5.89%，此時系統(tǒng)最大頻率偏差為0.19Hz。其他各并網(wǎng)點的最大風電并網(wǎng)容量均小于負荷水平的5.89%，因此單個并網(wǎng)點的風電脫網(wǎng)不會引起系統(tǒng)頻率越限。

冬小方式(負荷水平為432萬kW)下，洮南變出現(xiàn)430MW(占負荷水平的9.95%)風電功率脫落擾動時系統(tǒng)最大頻率偏差達到0.28Hz，即該運行方式下避免系統(tǒng)頻率越限的風電接入水平應小于負荷水平的9.95%。

圖7 風電功率脫落系統(tǒng)頻率動態(tài)軌跡Fig．7Trajectory of frequency dynamics caused by wind power shedding

4.4 允許頻差約束下的風電功率脫落極限

本節(jié)分析冬大、冬小方式下，系統(tǒng)頻率偏差達到容許偏差范圍［14］(令|Δf|=0.2Hz)時所能耐受的單個并網(wǎng)點風電功率脫落極限。

表4給出了冬大、冬小方式容許頻差約束下各個接入點所能承受的風電脫落極限，以系統(tǒng)允許頻差|Δf|=0.2Hz為約束時，冬大、冬小方式下所能容忍的單個并網(wǎng)點最大風電功率脫落量分別為450MW、263MW，均約為各負荷水平的6%。

表4 容許頻差下的風電脫落極限Tab．4Wind power shedding value limits restricted by permissible deviation frequency (單位:MW)

這表明不同運行方式下，系統(tǒng)在相同風電并網(wǎng)點脫落相同比例(即風電功率/負荷水平)的風電功率時，引起的系統(tǒng)頻率跌落是接近的。

由此可推斷，在不采取其他調(diào)頻措施時，為保障系統(tǒng)頻率不越限，當并網(wǎng)點風電功率超過負荷水平6%時，對該并網(wǎng)點進行適當棄風是必要的。

5 結(jié)論

本文針對大規(guī)模風電功率波動對電力系統(tǒng)頻率動態(tài)影響的評估問題，提出基于風電波動特性及系統(tǒng)頻率響應特性的評估方法。并以實際算例，分析了不同運行方式下風電功率極端擾動對系統(tǒng)頻率的影響，主要結(jié)論如下:

(1)該1080MW風電場群年持續(xù)出力水平較低，30min時間尺度以內(nèi)的風電功率波動量主要集中在0.05pu以內(nèi)。

(2)冬大、冬小運行方式下，為避免系統(tǒng)頻率越限，風電接入水平應分別小于各方式下負荷水平的5.89%、9.95%。

(3)以頻率不越限為約束，算例系統(tǒng)冬大、冬小運行方式下分別能容許445MW、260MW的最大風電功率脫落量，且兩種運行方式下的最大風電功率脫落量均約為系統(tǒng)負荷容量的6%。

本文方法簡單有效，可為電網(wǎng)調(diào)度部門在緊急情況下保證系統(tǒng)頻率安全而確定各并網(wǎng)點最大棄風量提供參考。

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［14］GB/T15945-2008，電能質(zhì)量-電力系統(tǒng)頻率偏差(Quality of electric energy supply permissible deviation of frequency for power system)［S］．

Influence evaluation method on power system frequency dynamics by shedding large scale wind generation

CUI Yang1，LIU Jia2，ZHAO Bing3，YAN Gan-gui1
(1．School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China; 2．Nanning Power Supply Bureau，Guangxi Power Grid Corporation，China Southern Power Grid，Nanning 530031，China;3．Changchun Power Supply Bureau，State Grid Jilinsheng Electric Power Supply Company，Changchun 130012，China)

The fluctuations of large-scale integrated wind power can destroy the balance of power supply and demand of the power system so that the power system frequency would deviate over the limit．The traditional analysis method of frequency dynamics based on step disturbance is no longer applicable since the small installed capacity of wind turbine and the stochastic fluctuation characteristic of wind power．This paper has proposed a method taking account of both the wind power characteristics and the frequency regulating model of power system，which focused on the impact on frequency influenced by large scale integrated wind farms．The extreme condition of frequency dynamic process has been simulated and analyzed，caused by the all wind farms shedding in one integrated point at the same time．Simulation results shows that the maximum shedding value of wind power is restricted by the permissible deviation of frequency of the tested system．

large-scale integrated wind power;wind power shedding;power system frequency;permissible deviation of frequency

TM614;TM743

A

1003-3076(2014)12-0024-06

2013-08-03

國家自然科學基金(51207018)、吉林省科技發(fā)展計劃(20130522174JH)資助項目

崔楊(1980-)，男，內(nèi)蒙古籍，副教授，博士，研究方向為大規(guī)模風電聯(lián)網(wǎng)運行關(guān)鍵技術(shù);劉嘉(1988-)，男，湖南籍，碩士研究生，研究方向為大規(guī)模風電聯(lián)網(wǎng)調(diào)度策略。