毛亞非

（國網(wǎng)北京市電力公司朝陽供電公司，北京 100020）

風電接入下基于“源-源”協(xié)調的系統(tǒng)頻率控制研究

毛亞非

（國網(wǎng)北京市電力公司朝陽供電公司，北京 100020）

由于風電的波動性和間歇性，其大規(guī)模并網(wǎng)造成了系統(tǒng)頻率的頻繁波動，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。從典型風電機組和風電場群出發(fā)，介紹了風電出力特性和波動規(guī)律，并依據(jù)用常規(guī)水、火電機組可控性彌補風電波動性的思想，研究“源-源”協(xié)調控制需要考慮的備用容量、最大出力限制、爬坡速率配合等約束條件，得出穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的“源-源”協(xié)調控制策略。最后，利用PSASP仿真，驗證了所提策略的有效性。

風電波動；系統(tǒng)頻率；約束條件；“源-源”協(xié)調

0 引言

我國風力資源豐富，并且受到國家政策的支持，風電發(fā)展十分迅速。到2010年底，我國風電累計裝機容量已高達44.73 GW，超越美國成為世界第一。但由于風電具有波動性和間歇性，其大規(guī)模并網(wǎng)必將對系統(tǒng)的電能質量尤其是頻率帶來不利影響。系統(tǒng)頻率是反映電力供應和負荷平衡的一個全局參數(shù)，風電的波動破壞了電力的供需平衡，造成系統(tǒng)頻率的頻繁波動，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1，2]。本文依據(jù)用常規(guī)水、火電機組的可控性彌補風電波動性的思想，提出風、火、水聯(lián)合協(xié)調的“源-源”控制策略以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

1 大規(guī)模風電并網(wǎng)的運行特性

1.1 典型風電機組和風電場群

1.1.1 典型風電機組及其控制原理

雙饋感應風電機組是目前應用最為廣泛的變速恒頻機組類型，如圖1所示。它實現(xiàn)了發(fā)電機轉速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響，并具有功率因數(shù)控制能力，能夠向電網(wǎng)輸送一定的無功。這種機組運行時，可以在很寬風速范圍內保持最佳葉尖速比，實現(xiàn)風能最大轉換效率，提高風能利用率。

在風力并網(wǎng)發(fā)電的過程中，對風電出力進行控制在某些情況下是十分必要的。以雙饋感應風力發(fā)電機組為例，風機的控制主要體現(xiàn)在通過控制槳距角大小來控制風機的功率輸出。變槳距控制技術是根據(jù)風速的變化調節(jié)槳距角，改變葉片受力和阻力，從而控制機械能的大小，保證風機獲取最大的能量并減少沖擊。在額定風速以下時，葉片槳距角置于0°附近，可認為近似等同于定槳距調節(jié)，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風速的變化而變化；在額定風速以上時，功率超過額定功率，變槳距機構開始工作，調整槳距角，將輸出功率控制在額定值附近[3]。

1.1.2 典型風電場群的并網(wǎng)方式

在風電場群中，風電機組主要采用鼠籠式異步風電機組、雙饋式異步風電機組和永磁直驅式同步風電機組3種機型。其并網(wǎng)方式主要有2種，如圖2模型所示：一種是早期建設的風電場，如圖中B1—B3風電場，主要采用鼠籠式異步風機，裝機容量為50 MW，100 MW或150 MW，經(jīng)690 V/10 kV，10 kV/110 kV，110 kV/220 kV和220 kV/500 kV四級升壓接入超高壓主網(wǎng)；另一種是最近幾年建設的風電場，如圖中A1—A3所示，主要采用雙饋式異步風機和永磁直驅式同步風機，裝機容量為100 MW或200 MW，經(jīng)690 V/35 kV，35 kV/220 kV和220 kV/500 kV三級升壓接入超高壓主網(wǎng)。

圖1 雙饋感應風力發(fā)電機組

圖2 典型風電場群接線

1.2 風電出力的波動性和波動規(guī)律

受原動力自然風的影響，風電輸出功率的季節(jié)性強，可控性差，且有很大的波動性和間歇性，這是造成風電并網(wǎng)時頻率波動的主要原因。風電在不同時間尺度都具有明顯的波動性，而且其波動性隨著時間尺度的增加而相應增大。這是因為：在短時間尺度上，系統(tǒng)內各風電場在地理上的分散分布特點會降低系統(tǒng)內風電總出力的變化率，體現(xiàn)出明顯的互補性；但是對較長時間的大面積來風或去風，各風電場出力變化趨勢將基本相近，表現(xiàn)出很大的相關性，從而使得系統(tǒng)內風電總出力大幅波動[4]。

1.2.1 風電場接入點有功功率特性

風力資源間歇性、波動性及隨機性的特點，決定了風電場的風電有功出力會經(jīng)常出現(xiàn)大幅變化，給電力系統(tǒng)帶來了電壓穩(wěn)定的隱患。根據(jù)對我國某大型風電基地的測風數(shù)據(jù)及風電出力的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)天內，風電場有功出力的波動范圍很大，經(jīng)常會在接近于0的小出力方式與超過70%的大出力方式之間變化，見圖3。

圖3 某風電場集中接入點一日有功出力變化

1.2.2 風電場群集中接入點有功特性研究

風電場群和風電基地的出力特性主要受風電場間地理分散效應的影響，在大型風電基地內，風電場群分布在幾十甚至上百公里的地域內，風速的隨機性使得在大風吹來時，依次經(jīng)過不同的地理位置，風峰和風谷到達不同的風電場的時間差別較大，各風電場出力變化的時刻及速率不同，在小時級以下的短時間尺度內，不同的風電場集中接入點的有功出力存在著很強的互補性。因此，大規(guī)模風電基地中，風電場之間的分散效應降低了風電場群接入點的有功出力變化率，圖4為圖3所示風電場所接入的風電場群接入點的同日有功出力曲線，可見波動性相對于圖3有所減小。

圖4 風電場群集中接入點一日有功出力變化

2 風電接入下基于“源-源”協(xié)調的頻率控制

當大規(guī)模風電接入時，風電的波動性導致電源與負荷的供需不平衡，從而造成了系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定。在實際調度過程中，首先會對風功率進行預測，風電實際出力和預測值之間的偏差，是造成頻率波動的原因[5，6]，圖5給出了解決這一問題的大致思路：調度部門利用風功率預測技術，得出風功率預測曲線，然后根據(jù)該曲線以及負荷預測曲線，及時調整和制定發(fā)電計劃；根據(jù)風電實際出力，得出預測偏差，最后由常規(guī)水、火電機組來彌補預測偏差。

圖5 風電預測偏差消除思路

常規(guī)水、火電機組可控性好，因此可根據(jù)風電的波動趨勢，反向調節(jié)常規(guī)機組，從而彌補風電的波動性。在“源-源”協(xié)調控制過程中，應當考慮機組的爬坡約束、備用容量約束等條件，以及機組的最大出力限制等[7，8]。

2.1 風電并網(wǎng)的主要約束條件

2.1.1 常規(guī)機組爬坡約束

機組爬坡約束是指機組運行時，在一定時段內，其出力變化必須保持在一定的范圍內，而不能發(fā)生突變，機組的爬坡約束條件如式（1）、式（2）所示：

式中：Pi（t）為機組i在t時刻的出力；Piup，Pidown分別為機組i在單位時間內的最大上升爬坡率、最大下降爬坡率。

2.1.2 風電機組約束條件

（1）最大出力約束

風電機組的最大出力約束如式（3）所示：

該表達式通過對風機的出力曲線擬合得到，式中：PWmax（t）為風機t時刻的最大出力；v（t）為t時刻的風速；vc_in和vc_out分別為風機的切入風速和切出風速；v1和v2為函數(shù)分段擬合的界值；a，b，c為對應函數(shù)系數(shù)。

（2）風電機組爬坡約束

風電場出力變化要控制在一定的范圍內，一方面維持了電壓的穩(wěn)定，另一方面避免了由于風電場出力劇烈變化導致常規(guī)機組沒有足夠的時間和備用去滿足負荷需求。如式（4），（5）所示：

式中：

式中：PW（t）為風電機組W在t時刻的出力；PWup，PWdown分別為機組W在單位時間內的最大上升爬坡率、最大下降爬坡率；PW為風電場的額定容量；γ%，β%為代表風電場出力最大上、下變化率；Pimax（t）和 Pimin（t）為常規(guī)機組 i在 t時刻的最大、最小出力值。

2.1.3 系統(tǒng)旋轉備用約束

風電并網(wǎng)后，由于目前的風速預測水平誤差較大，因此需要系統(tǒng)增加一部分旋轉備用容量，以應對風電出力的隨機性和波動性對系統(tǒng)可靠性的影響。旋轉備用約束條件如式（8），（9）所示：

（i）假定群決策專家組集合為E={E1，E2，…，Er}。其中，Ey（y=1，2，…，r）是第y子組。設λ=（λ1，λ2，…，λr）T為子組Ey（y=1，2，…，r）的權重向量，其中設X=（x1，x2，…，xr）T為子組Ey（y=1，2，…，r）成員數(shù)向量，其中Xy（y= 11是群決策專家組集合E中總的專家數(shù)）是子組Ey（y=1，2，…，r）中專家總數(shù)。個體決策專家的權重為其中

其中：

式中：Ru（t），Rd（t）分別為t時刻系統(tǒng)的上備用容量和下備用容量；PR（t）為t時刻系統(tǒng)的負荷旋轉備用；us%，ds%為由于風功率預測誤差而造成的所需旋轉備用率；Ui（t）為常規(guī)機組i在t時刻的開機狀態(tài)，1為開機，0為停機；PL（t）為系統(tǒng)當前負荷。

2.2 基于“源-源”協(xié)調的頻率控制策略

在實際調度過程中，首先會對風功率進行預測，而風電的實際出力和預測值之間的差值，是本文“源-源”協(xié)調控制策略所要消除的部分，其實質仍是由風電的波動性和不確定性造成的，如圖6陰影所示。為保證頻率穩(wěn)定，應考慮常規(guī)機組的爬坡速率能否跟上由于風電波動所帶來的預測偏差程度，備用容量是否足夠，以及各機組的調配情況，并考慮緊急情況下的處理措施。

圖6 風功率預測偏差

（1）當風功率預測偏差程度較小，如圖6中A區(qū)域所示，即風電接入點附近的調頻火電機組爬坡速率能夠跟得上風電的變化時，采用火電來彌補風電的波動。

（2）當風功率預測偏差程度較大，如圖6中B區(qū)域所示，火電的爬坡速率已跟不上風電的變化時，調用系統(tǒng)中的水電進行跟蹤彌補，因為相對于火電，水電具有響應速度快、爬坡速率高的優(yōu)點，可以承擔急劇變動的負荷。

（3）當風功率預測偏差程度很大，如圖6中C區(qū)域所示，采用風、水、火聯(lián)合協(xié)調控制，用水電、火電的累加爬坡能力來彌補風電的波動。

（4）對于圖6中D區(qū)域所示風電實際出力大于預測值的情況，可以有2種解決方法：一是通過槳距角控制以減小風電出力，使其按照預測值發(fā)電；二是減小常規(guī)機組出力，從而使風電得到最大利用。

綜上所述，基于“源-源”協(xié)調的頻率控制策略如圖7所示。

圖7 基于“源-源”協(xié)調的頻率控制策略

3 仿真分析

本文以我國某地區(qū)實際電網(wǎng)為例，利用PSASP仿真驗證所提策略的有效性。設置4個風電場A1，A2，A3，A4的風速擾動，以模仿自然風的波動，其中A1和A2為陣風擾動，A3和A4為漸變風擾動，參數(shù)如下：

A1陣風最大值8 m/s，開始時間Ts為3 s，結束時間Te為10 s；A2陣風最大值5 m/s，開始時間Ts為5 s，結束時間Te為15 s；A3漸變風最大值-10 m/s，開始時間Ts為10 s，結束時間Te為50 s，上升持續(xù)時間20 s，下降持續(xù)時間0 s；A4漸變風最大值-5 m/s，開始時間Ts為10 s，結束時間Te為50 s，上升持續(xù)時間15 s，下降持續(xù)時間0 s（風速負值表示風電場在原有風速的基礎上向下減速）。

在所設置的風速擾動下，4個風電場合出力的波動如圖8所示。為方便起見，本文假設風功率預測值為風電出力初始值（4.5 p.u.），所設置的風電出力波動即為風電預測偏差。

圖8 風電場出力波動

需要說明的是，本仿真所采用的數(shù)據(jù)為標幺值，其基準值為100 MW。由圖8可知，風電的波動范圍為220～635 MW，預測偏差也在200 MW以上，相對于電網(wǎng)規(guī)模，已屬于較大范圍的波動，僅僅依靠常規(guī)機組的一次調節(jié)是無法穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的。因此，采用本文所提“源-源”協(xié)調控制策略，以彌補風電波動。

在上述風電波動下，系統(tǒng)頻率必然會發(fā)生變化，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)頻率波動

可見系統(tǒng)頻率的變化趨勢與風電出力變化趨勢相同：3-8 s，風電出力增大，導致系統(tǒng)頻率增加；8-30 s，風電出力減小，系統(tǒng)頻率逐漸呈下降趨勢。為穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，采用本文所提出的“源-源”協(xié)調控制策略，利用常規(guī)機組的可控性，來彌補風電的波動性。

在該電網(wǎng)中選取常規(guī)火電機組G，根據(jù)風電波動，反向調節(jié)機組G的出力，如圖10所示。在調節(jié)過程中，應注意爬坡速率的配合、備用容量以及最大出力限制等約束條件，當機組G的爬坡速率跟不上風電波動時，可尋找水電機組。

圖10 風-火協(xié)調配合出力

本仿真中火電機組的爬坡速率能夠跟上風電的變化，其調節(jié)量及爬坡速率如表1所示。

表1 火電調節(jié)量及爬坡速率

可以看出，火電出力和風電出力具有很好的互補性，3-8 s，風電出力上升，火電出力下降；8-30 s，風電出力下降，火電出力上升。采用“源-源”協(xié)調控制策略前后，系統(tǒng)頻率對比如圖11所示。

圖11 控制策略前后系統(tǒng)頻率對比

可見，采取調整策略后，系統(tǒng)頻率得到了明顯改善，證明了本文所提“源-源”協(xié)調控制策略對彌補風電波動、穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的有效性。對于常規(guī)機組爬坡能力不足、備用容量不夠等情況，可以采取緊急切機或者切負荷措施，以保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結論

風電的波動性和間歇性造成了系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定。本文分析了風電并網(wǎng)運行特性，并依據(jù)用常規(guī)水、火電機組可控性彌補風電波動性的思想，研究了“源-源”協(xié)調控制需要考慮的備用容量、最大出力限制、爬坡速率配合等約束條件，得出穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的“源-源”協(xié)調控制策略。最后，利用PSASP仿真，驗證了所提策略的有效性。

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（本文編輯：方明霞）

Research on System Frequency Control Based on"Source-Source"Coordination with Wind Power Integration

MAO Yafei
（Chaoyang Electric Power Supply Company，State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100020，China）

Due to fluctuation and intermittency of wind power，its large-scale integration causes continual system frequency fluctuations，which is not conducive to safe and stable operation of the power grid.The paper takes typical wind turbines and wind farm groups as an example to introduce wind power output characteristics and volatility law；according to ideas that controllability of conventional water and thermal power can compensate wind power fluctuations，it studies reserve capacity，maximum output limit，ramp rate coordination and other constraints of"source-source"coordinated control and concludes"source-source"coordinated control strategy for system frequency stabilization.Finally，this paper uses PSASP simulation to verify the effectiveness of the strategy.

wind power fluctuation；system frequency；constraint condition；"source-source"coordinated control

TM712

A

1007-1881（2015）10-0001-05

2015-08-04

毛亞非（1990），男，助理工程師，從事用電檢查、電力保障等工作。