劉建平,吳錫昌,王旭斌,吳巖,王忠為,張洪力,劉文
(1.中電投蒙東能源集團有限責任公司,內(nèi)蒙古通遼市 028011;2.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京昌平 102206)
考慮頻率約束的孤網(wǎng)風電滲透率極限評估
劉建平1,吳錫昌2,王旭斌2,吳巖1,王忠為1,張洪力1,劉文1
(1.中電投蒙東能源集團有限責任公司,內(nèi)蒙古通遼市028011;2.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京昌平102206)
大規(guī)模具有間歇性、波動性且難以預測的風電接入孤立電網(wǎng)后將會給其頻率穩(wěn)定性帶來一系列挑戰(zhàn),以中電投霍林河循環(huán)經(jīng)濟示范工程孤立電網(wǎng)為背景,將風電波動視為平穩(wěn)隨機過程并采用平均功率譜密度提取大量風電波動信息,不借助商業(yè)軟件建立了考慮頻率約束的風電滲透率極限評估模型?;谠撃P陀嬎懔嗽陬l率穩(wěn)定約束下霍林河孤網(wǎng)系統(tǒng)最大風電消納能力,從而為電網(wǎng)規(guī)劃提供指導。最后,對不同類型的機組頻率響應能力進行分析,考慮增建一部分燃氣電站提高電網(wǎng)的風電消納能力。也為電網(wǎng)后續(xù)升級和建設提供了參考依據(jù)。
風電滲透率;頻率穩(wěn)定;功率譜密度;一次調(diào)頻;風電消納
風力發(fā)電作為可再生能源中成本較低、技術較成熟、可靠性較高的新能源,近年來發(fā)展快速。內(nèi)蒙古是我國風能資源最豐富的省區(qū),風能總儲量8.9億kW,技術可開發(fā)容量1.5億kW,占全國陸地風電可開發(fā)容量的50%,現(xiàn)并網(wǎng)風電裝機達到760萬kW[1],但是由于這些地區(qū)遠離負荷中心、電源結構單一、缺乏調(diào)峰調(diào)頻能力以及跨區(qū)域輸電能力不足,導致已開發(fā)資源存在棄風限電現(xiàn)象。同時,蒙東地區(qū)作為電解鋁主要產(chǎn)業(yè)區(qū),因發(fā)展電解鋁而耗用的大量煤炭以及產(chǎn)生的大氣污染物給節(jié)能減排帶來了巨大壓力,使得電解鋁發(fā)展受到抑制。顯然,蒙東地區(qū)的風電和電解鋁兩種產(chǎn)業(yè)都遇到了阻礙,處于兩難境地。中電投蒙東能源集團率先提出發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈[2],力主通過大規(guī)模風電就地消納實現(xiàn)電解鋁產(chǎn)業(yè)清潔發(fā)展。
這一構想實現(xiàn)的關鍵是風電在孤立電網(wǎng)內(nèi)的消納問題。關于電力系統(tǒng)的風電消納能力,目前尚無明確統(tǒng)一的定義[3]?,F(xiàn)有研究多以風電滲透率極限作為系統(tǒng)對風電的消納能力,風電滲透率通常又可分為裝機滲透率和能量滲透率。風電裝機滲透率是指風機安裝容量占最大負荷的百分比,風電能量滲透率是指風力發(fā)電全年提供的電量占系統(tǒng)負荷全年耗電總量的百分比。然而由于部分風電機組可能處于棄風停運狀態(tài),風電裝機滲透率極限并不能真實地反映系統(tǒng)對風電的消納能力,因此本文取風電能量滲透率極限作為衡量系統(tǒng)風電消納能力的標準,簡稱風電滲透率極限。風電滲透率極限是指不導致系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況下風力發(fā)電全年提供的電量占系統(tǒng)負荷全年耗電總量的最大比例。它從全電網(wǎng)角度出發(fā),目的在于確定風電對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響。風電滲透率極限的確定,無論從節(jié)能減排角度考慮還是從風電場安全運營角度考慮都有著非常實際的研究意義[4]。
孤立電網(wǎng)又稱孤網(wǎng),一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng),即孤立運行的機網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)。孤網(wǎng)運行最突出的特點[5],是由負荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制,要求調(diào)速系統(tǒng)具有負荷要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性,以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。然而,由于孤網(wǎng)運行機組數(shù)量少、容量小、穩(wěn)定性差,往往會造成系統(tǒng)頻率大幅波動,因此頻率穩(wěn)定問題成為限制大規(guī)模風電就地消納的主要障礙[6]。文獻[7-8]對風電場進行建模,并通過實際電網(wǎng)對含大容量風電場的電網(wǎng)進行動態(tài)仿真分析。文獻[9-12]針對某地區(qū)孤立電網(wǎng),利用PSS/E、PSCAD、BPA等電力系統(tǒng)仿真平臺,通過動態(tài)仿真的方式,研究大規(guī)模風電集中接入對該孤立電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。文獻[13-14]基于時頻轉(zhuǎn)換方法建立了風電波動對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定影響評估模型,該方法相比于時域仿真,具有計算速度快,評估結果接近實際的優(yōu)點。文獻[15,4]分別討論了風電功率滲透率對系統(tǒng)動態(tài)頻率特性的影響以及風電滲透率的幾種計算方法,其中,風電功率滲透率是按照風電的裝機滲透率來進行計算的,并未討論風能占實際負荷的比重對系統(tǒng)頻率特性的影響。
為此,本文以霍林河循環(huán)經(jīng)濟孤立電網(wǎng)為背景,將風電波動視為平穩(wěn)隨機過程,采用平均功率譜密度(power spectral density,PSD)提取大量風電波動信息,不借助商業(yè)軟件,建立了考慮頻率約束的孤立電網(wǎng)風電滲透率極限評估模型。利用該模型評估在頻率穩(wěn)定約束下霍林河孤網(wǎng)系統(tǒng)最大風電消納能力,為探索霍林河孤網(wǎng)中合適的頻率控制策略提供依據(jù)。最后,對比分析不同類型的機組頻率響應特性,為電網(wǎng)后續(xù)升級和建設提供了參考依據(jù)。
霍林河循環(huán)經(jīng)濟示范項目是我國首個高載能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模清潔能源利用示范項目,是以露天煤業(yè)4 000萬t褐煤產(chǎn)能為基礎,在已建成8臺共120萬kW自備火電機組的基礎上,“上大壓小”新建2臺35萬kW超臨界空冷燃用劣質(zhì)煤火電機組、80萬kW風電以及配套局域網(wǎng),向霍煤鴻駿78萬t電解鋁負荷供電,實現(xiàn)發(fā)電、用電自給自足,構建高載能產(chǎn)業(yè)清潔化發(fā)展示范區(qū)。
霍林河循環(huán)經(jīng)濟孤立電網(wǎng)屬于相對獨立的小型電網(wǎng),預計2016年建成投產(chǎn)。圖1所示為霍林河循環(huán)經(jīng)濟孤立電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃結構圖。規(guī)劃建成后,自備火電機組8臺,總裝機容量1 800 MW;新建2個風電場,風電場內(nèi)風機集中分布,相關性較強,總裝機容量800 MW;孤立電網(wǎng)內(nèi)主要負荷為電解鋁直流負荷,用電負荷需求總計1 400 MW。
圖1 霍林河循環(huán)經(jīng)濟孤立電網(wǎng)系統(tǒng)結構圖Fig.1 Framework of the recycling economy isolated power system in Huolinhe area
大規(guī)模具有間歇性、波動性且難以預測的風電接入該局域電網(wǎng)后將會給其頻率穩(wěn)定性帶來一系列挑戰(zhàn),該孤網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)存在如下特點。
1)電網(wǎng)內(nèi)尚未建立自動發(fā)電控制系統(tǒng)(automatic generation control,AGC),系統(tǒng)頻率調(diào)整主要靠發(fā)電機調(diào)速器和轉(zhuǎn)子慣性響應,電網(wǎng)調(diào)度周期為10 min。
2)孤網(wǎng)建成后,與外界大電網(wǎng)沒有任何功率交換,完全依靠網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)發(fā)電機組提供調(diào)頻支持。
圖2所示為電網(wǎng)頻率波動評估過程示意圖。該評估過程可以分為3步:風電場功率輸出仿真、電網(wǎng)頻率偏差計算、頻率波動統(tǒng)計分析。通常,數(shù)值天氣預測系統(tǒng)(numerical weather prediction,NWP)可以精確地預測出未來5~15 min內(nèi)的平均風速Vw0和標準差σw[16]。該評估模型可以利用預測的風速數(shù)據(jù)精確計算出下一調(diào)度周期內(nèi)(10 min)的頻率波動最大值。
圖2 電網(wǎng)頻率波動評估過程示意圖Fig.2 Flow of the assessment of grid frequency deviation
2.1風電場功率輸出仿真
圖3所示為風電場功率波動頻域仿真模型[17-18]。該模型能夠根據(jù)預測風速快速仿真出下一調(diào)度周期的秒鐘級別的風電功率輸出Pw(t)。其中風電場風機輪轂處風速波動的PSD由式(1)可以計算得到??紤]到風機集中分布,可以近似認為Shub[1]=Shub[2]=…=Shub[N]。γ[r,c](f)為相關矩陣,該矩陣計及了風電場的平滑作用,將風機間功率波動的互補性進行了量化。
圖3 風電場功率輸出頻域仿真模型Fig.3 Simulation of wind farm power output based on frequency domain
式中:z為風機輪轂離地高度。
一個調(diào)度周期內(nèi)風電功率的平均功率Pave(t)在電網(wǎng)中通過調(diào)度方式響應,主要影響電網(wǎng)頻率波動的是風電功率的高頻分量ΔPw(t),此分量為風速變化引起的功率波動,往往通過電網(wǎng)內(nèi)機組自動發(fā)電控制、調(diào)速器、轉(zhuǎn)子慣性進行響應,計算公式如下:
2.2考慮并網(wǎng)風電波動的頻率偏差計算
實際電網(wǎng)中,每個調(diào)度控制周期對最大頻率波動偏差評估一次。為了對風電波動擾動下的頻率控制和分析,通常忽略對電壓和功角的動態(tài)特性研究,負荷頻率響應模型使用簡化的低階線性模型[19],如圖4所示。其頻率響應傳遞函數(shù)G(s)見附錄A。
圖4 負荷頻率響應模型Fig.4 Load frequency respond model
國內(nèi)外研究風電波動對電網(wǎng)調(diào)頻的影響主要基于電力系統(tǒng)時域仿真軟件,如Power Factory、PSS/E等,但是當系統(tǒng)規(guī)模較大時,在一個調(diào)度周期內(nèi)難以依靠商業(yè)軟件完成頻率偏差評估計算。然而,基于PSD的頻率響應評估模型根據(jù)風電波動功率ΔPW(t)和電網(wǎng)頻率響應特性,可以很快的計算出下一個調(diào)度周期內(nèi)頻率波動情況[14,21]?;赑SD的頻率響應評估計算過程為:
(1)對風電波動功率序列ΔPW(t)進行傅里葉變換,計算風電波動功率的功率譜密度Sw(f)。
(2)基于維納-辛欽(Wiener-Khinchine)定理[20],通過式(3)計算電網(wǎng)頻率偏差的功率譜密度SΔf(f)。
式中:|H(f)|為系統(tǒng)頻率響應的幅值,并且|H(f)|與系統(tǒng)頻率響應傳遞函數(shù)G(s)存在如下關系:
(3)計算電網(wǎng)頻率時域時間序列Δfgrid(t)
首先,通過式(4)和式(5)計算Δfgrid(t)的傅里葉變換序列,然后通過傅里葉逆變換求出Δfgrid(t)。
式中:E(·)為期望函數(shù);δ(f)為關于頻率f的隨機復數(shù)矩陣。
2.3頻率波動統(tǒng)計分析
累積曲線是一種直觀簡潔的統(tǒng)計分析工具,如圖9所示。其計算方法是將計算的頻率偏差按降序排列,高于或等于指定頻率波動限值的頻率偏差個數(shù)作為對應的橫坐標,縱坐標為指定頻率波動限值。因此,對應給定頻率偏差的橫坐標為超出頻率約束的時間百分比。
衡量頻率穩(wěn)定的主要指標是頻率波動最大值。為了提高統(tǒng)計分析的可信度,設定時間百分比1%對應的頻率偏差為本調(diào)度周期內(nèi)的最大頻率波動值(圖9中A、B點)。
高滲透率的風電接入孤立電網(wǎng)將使電網(wǎng)頻率偏差超出允許波動范圍,為了電網(wǎng)穩(wěn)定運行,部分風電機組不得不被迫停止出力,從而降低風電功率波動和電網(wǎng)頻率波動。圖5為基于頻率約束的最大風電滲透率評估過程示意圖。值得注意的是,雖然系統(tǒng)頻率穩(wěn)定評估模型是基于預測風速計算下一調(diào)度周期的頻率偏差最大值,但是計算過程中基于統(tǒng)計方法取累積時間百分比1%作為最大頻率波動值,所以同樣適用于基于歷史風速(時間長度包含數(shù)萬甚至數(shù)十萬個調(diào)度時間周期)數(shù)據(jù)用來評估整個電網(wǎng)的頻率響應能力。首先,假設電網(wǎng)風電滲透率為100%,通過對很長一段時間內(nèi)數(shù)以萬計的調(diào)度周期內(nèi)頻率偏差統(tǒng)計分析,得出電網(wǎng)的最大頻率偏差,與頻率波動限值進行比較,如果不滿足電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定要求,則減小風電滲透率,重新計算電網(wǎng)最大頻率偏差,直到滿足頻率穩(wěn)定要求,此時的風電滲透率即為不導致系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況的最大風電滲透率。
圖5 最大風電滲透率評估過程示意圖Fig.5 Flow of the assessment of maximum wind power penetration
4.1不同風電滲透率下電網(wǎng)頻率穩(wěn)定評估
假設霍林河地區(qū)下一個10 min時間段內(nèi)預測風速平均值Vave=10 m/s,相對標準差σw=15%,則基于頻域的風電場秒鐘級等效風速仿真輸出變化曲線如圖6所示。再利用風電機組功率特性曲線便可以將等效風速隨機序列Vw(t)轉(zhuǎn)化為整個風電場的波動功率輸出Pw(t)。
圖6 風速Vw仿真曲線(對應Vave=10 m/s,σw=15%)Fig.6 Simulation of wind corresponding to Vave=10 m/s,σw=15%
圖7 功率譜密度Sw(f),|H(f)|,SΔf(f)Fig.7 Sw(f),|H(f)|,SΔf(f)
圖7所示為孤網(wǎng)頻率偏差計算過程中風電功率波動功率譜密度Sw(f)、孤網(wǎng)頻率響應的功率譜密度|H(f)|以及孤網(wǎng)頻率波動功率譜密度SΔf(f)的計算結果。圖7計算過程中分別考慮兩種不同風電滲透率,系統(tǒng)頻率響應不變,其中虛線為風電滲透率為10%對應的計算結果,實線為風電滲透率為20%對應的計算結果。
從圖7可以看出,當風電滲透率越高,風電功率波動功率譜密度在各個頻率幅值越大,電網(wǎng)頻率波動的功率譜密度的幅值也越大。圖8為圖2.C經(jīng)過時頻轉(zhuǎn)換計算得到的秒鐘級頻率波動時間序列,其對應的累積曲線如圖9所示。從圖9 A、B兩圖對比中可以發(fā)現(xiàn),風電滲透率越小,頻率波動越平緩,電網(wǎng)穩(wěn)定性越高,其中A、B兩點分別為風電滲透率為20%、10%時電網(wǎng)頻率偏差最大值。風電滲透率為20%時,電網(wǎng)頻率偏差最大值為0.003 1 pu,而風電滲透率為10%時電網(wǎng)頻率偏差最大值為0.001 5 pu,因此風電滲透率降低50%,電網(wǎng)頻率波動極值也降低51%左右。若電網(wǎng)頻率波動限值為0.001 5 pu(即±0.075 Hz),則風電滲透率為10%恰好滿足本調(diào)度周期內(nèi)的穩(wěn)定要求。
圖8 電網(wǎng)頻率偏差Fig.8 Grid frequency deviations
圖9 電網(wǎng)頻率偏差累積曲線Fig.9 Duration of grid frequency deviations
4.2孤立電網(wǎng)最大風電滲透率評估
霍林河循環(huán)經(jīng)濟示范工程尚在建設中,數(shù)值天氣預測系統(tǒng)尚未建立,為了準確評估孤網(wǎng)系統(tǒng)的最大風電滲透率,取中國氣象局提供的風電場規(guī)劃地區(qū)2009年10月1日~2010年9月30日分鐘級全年風速數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù),對孤網(wǎng)內(nèi)規(guī)劃風電場功率波動的功率譜密度進行仿真計算。由于風電功率波動的功率譜密度幅值與平均風速大小密切相關[13],并且風電場內(nèi)風機的切入風速為3.5 m/s,額定風速為12 m/s,主要影響風電功率波動的風速區(qū)域為5~13 m/s,所以對全年52 560個10 min風電功率波動片段依據(jù)輸入的風速平均值劃分為8組(每個時段以10 min計),即平均風速為5~6、6~7、7~8、8~9、9~10、11~12、12~13 m/s分別對應8組風電功率。每組風電功率波動的平均功率譜密度的計算公式如下:
圖10為風電功率波動的平均功率譜密度,該圖所示的8段曲線可以全面反映風電場風電功率波動在不同頻率的波動大小。對于每種情況,不同平均風速下,風電功率輸出功率波動的功率譜密度具有較大的差異。從圖10可以看出,該風電場在平均風速為10~11 m/s的組對應的功率譜密度幅值最大,通常稱平均風速為10~11 m/s的組為風電功率波動最大組。
圖10 風電功率的平均功率譜密度Fig.10 Average power spectral density of wind power
圖11為雙縱坐標圖,左側(cè)縱坐標表示風電滲透率為20%時,不同平均風速組對應的電網(wǎng)頻率波動最大值;右側(cè)縱坐標表示在頻率約束為0.004 pu時,不同平均風速組對應的最大風電滲透率。由于當風電功率波動功率譜密度在各個頻率幅值越大,電網(wǎng)頻率波動的功率譜密度的幅度也越大,因此,在考慮風電功率波動對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響的時候,只需要考察其輸出功率譜密度強度最大的情形,這樣可以簡化對電網(wǎng)頻率波動最大值和風電滲透率極限的計算。表1為不同頻率約束下對應的孤立電網(wǎng)最大風電滲透率。孤網(wǎng)頻率約束為0.004 pu(即±0.2 Hz),風電滲透率極限為15%。
圖11 電網(wǎng)頻率偏差及最大風電滲透率Fig.11 Grid frequency deviations and maximum wind power penetration rate
表1 不同頻率約束對應的最大風電滲透率Tab.1 Maximum wind power penetration rate that corresponds to different frequency constraint
4.3燃煤燃氣機組聯(lián)合運行提高風電消納能力
從式(3)可以看出,影響頻率波動的因素主要有兩個:風電功率波動和電網(wǎng)頻率響應能力。圖12表示了不同類型的機組頻率響應能力。從圖12可以看出,相比于火電機組,由于水電機組水力特性的不利影響,調(diào)速系統(tǒng)響應速度慢于火電機組,一般不考慮水電機組的一次調(diào)頻作用。并且內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨,降水非常少,不適合水電廠的建設和運行。相比較而言,燃氣機組具有快速跟蹤負荷變化的能力,并且隨著中俄輸氣管道的建設,在蒙東地區(qū)建設燃氣電站提升系統(tǒng)調(diào)頻能力成為可能。本文在原有霍林河孤立電網(wǎng)網(wǎng)絡結構的基礎上,建議增建一定比例的燃氣電站,提升孤立電網(wǎng)風電消納能力。
表2為孤立電網(wǎng)火電機組與燃氣機組規(guī)劃建設容量比例為7∶3時,不同頻率約束下電網(wǎng)最大風電滲透率。相比于表1的計算結果,最大風電滲透率在不同頻率約束下都有不同程度的提升。孤網(wǎng)頻率約束為0.004 pu(即±0.2 Hz),風電滲透率極限為17.4%,風電消納能力提高了約16%。水電機組、燃氣機組的頻率響應模型及傳遞函數(shù)見附錄B、C。
圖12 火電、水電、燃氣機組對應的頻率響應Fig.12 Frequency respond of different kinds of generators(coal-fired,hydraulic,gas-fired)
表2 不同頻率約束對應的最大風電滲透率Tab.2 Maximum wind power penetration rate that corresponds to different frequency constraint
本文以霍林河循環(huán)經(jīng)濟孤立電網(wǎng)為背景,將風電波動視為平穩(wěn)隨機過程,采用平均功率譜密度提取大量風電波動信息,不借助商業(yè)軟件,建立了考慮頻率約束的孤立電網(wǎng)風電滲透率極限評估模型。利用該模型評估在頻率穩(wěn)定約束下霍林河孤立電網(wǎng)最大風電消納能力,以期為探索霍林河孤網(wǎng)中合適的頻率控制策略提供依據(jù)。
研究表明,平均風速在10~11 m/s區(qū)間的風電功率波動最為劇烈,對電網(wǎng)頻率波動評估影響最大。若頻率約束為0.004 pu(即±0.2 Hz),則霍林河孤網(wǎng)的風電滲透率極限為15%左右。機組頻率響應能力是影響孤網(wǎng)風電消納能力的重要因素,本文對不同類型的機組頻率響應能力進行了分析,并提出燃煤燃氣機組聯(lián)合運行提高風電消納能力,為電網(wǎng)后續(xù)升級和建設提供了建議。
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附錄
A.火電機組頻率響應傳遞函數(shù):
其中模型中模塊參數(shù)為:
B.水電機組頻率響應模型及其傳遞函數(shù):
致謝
本文在編寫過程中得到了中國科學研究院電工研究所劉怡博士的大力支持和幫助,在此致謝!
(編輯徐花榮)
An Assessment of Wind Power Penetrations Limited with Frequency Constraint in an Isolated System
LIU Jianping1,WU Xichang2,WANG Xubin2,WU Yan1,WANG Zhongwei1,ZHANG Hongli1,LIU Wen1
(1.SPIC Mengdong Energy Group Co.,Ltd.,Tongliao 028011,Inner Mongolia,China;2.School of Electrical&Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)
High penetration of wind power with the characteristics of randomness and fluctuation affects the grid frequency stability,especially for an isolated power system.Taking the isolated system of Huolinhe recycling economy demonstration project owned by China Power Investment Corporation as a system to be studied,this paper builds an assessment model of maximum wind energy penetration of the studied system limited by grid frequency deviations,which is based on the power spectral density theory considering wind power fluctuation as a stochastic process.Maximum wind power penetrations of the studied system are calculated based on the model.Finally,the paper analyzes frequency response characteristic of different kinds of generators and proposes an approach to increase wind power penetration by increasing the portion of gas power stations.Results can be useful in improving wind power integration level.
wind power penetration;frequency deviation;power spectral density;primary frequency regulation;wind power accommodation
1674-3814(2015)11-0093-08
TM614
A
2015-05-04。
劉建平(1965—),男,高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)發(fā)展與規(guī)劃;
吳錫昌(1990—),男,碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。
霍林河循環(huán)經(jīng)濟局域電網(wǎng)提升風電消納能力技術途徑研究。
Supported by the Research Project“Study on the Local Power Network in the Huolinhe Green Economic Region to Enhance Its Capability to Accept Wind Power”.