劉金強(qiáng)，盧 蕓，王曉茹

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

特高壓電網(wǎng)最大風(fēng)電滲透率計(jì)算方法

劉金強(qiáng)，盧 蕓，王曉茹

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

隨著中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增加，大量風(fēng)電將通過特高壓交直流輸電系統(tǒng)由風(fēng)電資源豐富的“三北”地區(qū)傳輸?shù)綎|部負(fù)荷中心，而風(fēng)電本身的波動(dòng)性和電力電子化特點(diǎn)給其在特高壓交直流混連系統(tǒng)中的消納帶來了諸多挑戰(zhàn)。因此開展高滲透率風(fēng)電對(duì)特高壓交直流混連系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響的研究，估算系統(tǒng)最大風(fēng)電滲透率，具有重要的學(xué)術(shù)創(chuàng)新和工程實(shí)踐價(jià)值。提出了考慮系統(tǒng)頻率響應(yīng)的最大風(fēng)電滲透率計(jì)算方法，分別從大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)和風(fēng)電波動(dòng)引起的頻率偏移兩個(gè)方面研究了風(fēng)電滲透率的制約因素，并基于計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的頻率響應(yīng)(SFR)模型計(jì)算出相應(yīng)的最大風(fēng)電滲透率。研究成果對(duì)于未來并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)和傳輸風(fēng)電的特高壓交直流輸電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也論證了風(fēng)電場(chǎng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)的必要性。

特高壓電網(wǎng)；風(fēng)電滲透率；風(fēng)電波動(dòng)；頻率響應(yīng)；SFR模型

0 前 言

過去5年，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)躍居世界第一[1]。同時(shí)可以預(yù)見，風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)仍具有很大的發(fā)展?jié)摿?。著眼于不可再生資源的逐漸消耗和人類可持續(xù)發(fā)展的思想，新能源發(fā)電在未來能源結(jié)構(gòu)中的比重將持續(xù)增加，預(yù)計(jì)到2050年，中國(guó)新能源發(fā)電比例將達(dá)到31.9%[2]。另一方面，由于中國(guó)風(fēng)電開發(fā)潛力與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度在地域分布上的不一致性，“三北”地區(qū)風(fēng)電資源豐富[3]，而華東、華北地區(qū)是全國(guó)負(fù)荷中心，因此中國(guó)形成了不同于西方國(guó)家分布式接入的大規(guī)模集中式風(fēng)電并網(wǎng)模式，大量風(fēng)電需要經(jīng)過特高壓交直流輸電系統(tǒng)傳輸?shù)截?fù)荷中心[4-6]，這種并網(wǎng)-傳輸-再消納的模式較前者而言加劇了風(fēng)電波動(dòng)的強(qiáng)度和預(yù)測(cè)難度。

不同于傳統(tǒng)電源，風(fēng)電固有的波動(dòng)性和間歇性為電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻造成了極大的困難，因此造成的棄風(fēng)限電在中國(guó)大規(guī)模風(fēng)電接入地區(qū)已有發(fā)生[7]。而在風(fēng)電滲透率不高的區(qū)域電網(wǎng)，雖然名義上完成了對(duì)風(fēng)電的100%消納，沒有出現(xiàn)棄風(fēng)限電問題；但是少量波動(dòng)性的風(fēng)電涌入大電網(wǎng)目前尚未得到足夠重視，這在一定程度上阻礙了對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的復(fù)雜性分析與解決方案的研究步伐，一旦全國(guó)范圍內(nèi)風(fēng)電滲透率提高，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另一方面，電網(wǎng)系統(tǒng)異常工況下風(fēng)電機(jī)組自身控保的脆弱性和穿越能力的局限性已成為電力系統(tǒng)發(fā)生故障后維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要威脅，大面積的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)和非計(jì)劃并網(wǎng)引發(fā)連鎖故障最終導(dǎo)致系統(tǒng)解列的事故已見諸報(bào)道[8-9]。而且在特高壓交直流混連系統(tǒng)中，大量并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組與直流輸電系統(tǒng)之間的故障耦合作用也增加了系統(tǒng)在發(fā)生直流單極、雙極閉鎖故障后引發(fā)風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)的可能性。

在目前風(fēng)電滲透率較低的情況下，開展具有前瞻性的風(fēng)電接入對(duì)特高壓交直流混連系統(tǒng)的影響及最大風(fēng)電滲透率預(yù)測(cè)研究，對(duì)未來并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)和傳輸風(fēng)電的特高壓交直流輸電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義；同時(shí)也為風(fēng)電場(chǎng)規(guī)范化運(yùn)行及風(fēng)電參與系統(tǒng)輔助服務(wù)提供了必要性論證。下面提出了考慮系統(tǒng)頻率響應(yīng)的最大風(fēng)電滲透率計(jì)算方法，研究風(fēng)電滲透率較高時(shí)系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)、調(diào)頻能力的下降和風(fēng)電自身功率波動(dòng)給系統(tǒng)頻率響應(yīng)造成的影響，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)的頻率指標(biāo)結(jié)合SFR模型計(jì)算出網(wǎng)內(nèi)可承受的最大風(fēng)電滲透率。由于研究問題關(guān)注的是最大風(fēng)電滲透率計(jì)算，而系統(tǒng)的容量大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，因此所有工作均在標(biāo)幺制下展開。

1 考慮大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)的最大風(fēng)電滲透率估計(jì)方法

風(fēng)電機(jī)組通過背靠背電力電子變換器并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組出力與電網(wǎng)頻率的解耦控制，因此風(fēng)電機(jī)組無法自然響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。在國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)尚未應(yīng)用輔助調(diào)頻功能的情形下，大量并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組代替原有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，造成系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)的下降，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力受到削弱；同時(shí)系統(tǒng)一次調(diào)頻能力也會(huì)隨傳統(tǒng)能源比例降低而減小。采用計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的頻率響應(yīng)(system frequency response,SFR)模型研究不同風(fēng)電滲透率下系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)后電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)，并結(jié)合電力系統(tǒng)低頻減載的整定值和電網(wǎng)運(yùn)行原則估算最大風(fēng)電滲透率。

1.1 計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的SFR模型

SFR模型在頻率分析和控制相關(guān)的研究中得到了廣泛應(yīng)用，它將系統(tǒng)中所有的發(fā)電機(jī)聚合為一個(gè)等值轉(zhuǎn)子模型，同時(shí)將所有的調(diào)速器原動(dòng)機(jī)聚合為一個(gè)等值調(diào)速器原動(dòng)機(jī)模型，忽略了網(wǎng)絡(luò)和電壓變化對(duì)系統(tǒng)頻率的影響[10-11]，如圖1所示。其中Pd0為系統(tǒng)擾動(dòng)后瞬間顯性不平衡功率；He為系統(tǒng)的等值轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)；D為系統(tǒng)的等值阻尼系數(shù)，包含負(fù)荷的頻變效應(yīng)；R為等值調(diào)差系數(shù)；FH為等值高壓缸做功比例；TR為等值再熱時(shí)間常數(shù)。SFR模型簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使其能夠快速計(jì)算出系統(tǒng)的慣性中心頻率偏差Δω，進(jìn)而可以得到系統(tǒng)頻率曲線。出于描述方便考慮，所提及的系統(tǒng)頻率均實(shí)指系統(tǒng)的慣性中心頻率。

圖1 SFR模型結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電并網(wǎng)后，一部分傳統(tǒng)電源被風(fēng)機(jī)代替，考慮到目前中國(guó)裝備的風(fēng)機(jī)并不具備頻率調(diào)節(jié)能力，因此將風(fēng)電等效為功率源，得到風(fēng)電滲透率為ρ下的計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的SFR模型，如圖2所示，其中Dnew表示風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)等值轉(zhuǎn)速阻尼系數(shù)。

圖2 計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的SFR模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 不同風(fēng)電滲透率下大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析

根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)典型數(shù)據(jù)，以電網(wǎng)總發(fā)電容量為基準(zhǔn)功率，SFR模型中參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 SFR模型參數(shù)列表

特高壓交直流混連系統(tǒng)中常見的負(fù)荷沖擊、機(jī)組脫網(wǎng)、區(qū)域特高壓交直流聯(lián)絡(luò)線故障后退出運(yùn)行等大擾動(dòng)均會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的有功功率不平衡，進(jìn)而造成頻率偏移額定水平。分別取0.1 p.u.的負(fù)荷躍升、躍降擾動(dòng)，分析在不同備用水平下，不同風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)頻率響應(yīng)，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 0.1 p.u.負(fù)荷躍升后系統(tǒng)頻率響應(yīng)(15%備用)

圖4 0.1 p.u.負(fù)荷躍升后系統(tǒng)頻率響應(yīng)(10%備用)

圖5 0.1 p.u.負(fù)荷躍降后系統(tǒng)頻率響應(yīng)(15%備用)

圖6 0.1 p.u.負(fù)荷躍降后系統(tǒng)頻率響應(yīng)(10%備用)

由圖3～圖6中可以看出，備用的水平對(duì)高頻擾動(dòng)后頻率動(dòng)態(tài)影響較小，但對(duì)低頻擾動(dòng)后頻率動(dòng)態(tài)具有極大的影響，較低的備用水平下系統(tǒng)難以依靠增加發(fā)電來彌補(bǔ)有功缺額，進(jìn)而導(dǎo)致頻率的持續(xù)下跌。同時(shí)可以看出，風(fēng)電滲透率對(duì)大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)的影響十分顯著，從5%到20%的滲透率變化過程中，系統(tǒng)擾動(dòng)后的最大頻率偏差逐漸變大，在低頻故障下甚至已經(jīng)到達(dá)了48.5 Hz以下，電網(wǎng)面臨頻率失穩(wěn)甚至低頻解列的風(fēng)險(xiǎn)。而在強(qiáng)調(diào)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的特高壓交直流混連電網(wǎng)中，10%的備用已經(jīng)十分保守，在這種情況下，大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)對(duì)風(fēng)電滲透率的制約比較顯著。假設(shè)系統(tǒng)低頻減載首輪動(dòng)作頻率整定值為48.5 Hz[2]，為了避免在上述低頻故障情況下觸發(fā)低頻減載保護(hù)，根據(jù)SFR模型可以計(jì)算出該系統(tǒng)可承受的最大風(fēng)電滲透率為18%。在實(shí)際應(yīng)用中，基于電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式、備用水平、常見大擾動(dòng)故障集、機(jī)組參數(shù)和頻率響應(yīng)指標(biāo)要求等信息，采用所提方法可以進(jìn)行考慮大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)的特高壓交直流混連系統(tǒng)最大風(fēng)電滲透率的估計(jì)。

2 考慮風(fēng)電波動(dòng)引起系統(tǒng)頻率偏移的最大風(fēng)電滲透率估計(jì)方法

受風(fēng)速固有的間歇性、波動(dòng)性的影響，注入到電網(wǎng)中的風(fēng)電功率也具有隨機(jī)波動(dòng)的特點(diǎn)。風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)不僅在特高壓聯(lián)絡(luò)線上引發(fā)隨機(jī)波動(dòng)威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，其引發(fā)的系統(tǒng)頻率偏移也對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成了不利影響。下面重點(diǎn)研究不同滲透率下秒級(jí)風(fēng)電功率波動(dòng)引起的系統(tǒng)頻率響應(yīng)?；谒拇ㄊ〉虏L(fēng)電場(chǎng)SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，某10 min內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)出力比變化如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)出力比變化(以風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為基準(zhǔn)功率)

由圖7可以看出即使是時(shí)間尺度很短的秒級(jí)數(shù)據(jù)，風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)依然十分明顯，因此有必要研究風(fēng)電波動(dòng)在運(yùn)行時(shí)間尺度內(nèi)引起的系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

隨著風(fēng)電滲透率增加，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大，由于風(fēng)速在地理分布上的差異，一個(gè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電總出力的波動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)一定的平滑效應(yīng)[13]，假設(shè)研究區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性不隨該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量增加而發(fā)生改變，不同風(fēng)電場(chǎng)出力互相關(guān)系數(shù)參考現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)出力互相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2 四川省內(nèi)4處風(fēng)電場(chǎng)出力互相關(guān)系數(shù)

首先根據(jù)現(xiàn)有各風(fēng)電場(chǎng)出力互相關(guān)系數(shù)及總風(fēng)電功率與各風(fēng)電場(chǎng)功率的映射關(guān)系，模擬得到風(fēng)電滲透率為ρ時(shí)該區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)總風(fēng)電功率的秒級(jí)數(shù)據(jù)。

然后將模擬得到的秒級(jí)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)在5 min內(nèi)的波動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的SFR模型中，得到不同風(fēng)電滲透率下系統(tǒng)頻率的曲線，如圖8所示。可以看出，隨著風(fēng)電滲透率的增加，風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)頻率響應(yīng)幅度也隨之增加。

圖8 風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)頻率響應(yīng)

為了能夠更加準(zhǔn)確地描述不同風(fēng)電滲透率下風(fēng)電波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，將模擬得到的5 435 min的秒級(jí)風(fēng)電數(shù)據(jù)按照5 min等間隔劃分，將每5 min風(fēng)電波動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)的SFR模型中，得到5 min內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)最大絕對(duì)頻率偏差的概率分布，如圖9所示。由于風(fēng)電波動(dòng)造成的系統(tǒng)頻率偏移量相對(duì)大型故障而言仍然較小，系統(tǒng)備用水平對(duì)其影響較弱，實(shí)際計(jì)算結(jié)果也支持這一觀點(diǎn)，所展示的圖表統(tǒng)一取系統(tǒng)備用為10% 情況下的計(jì)算結(jié)果。

由圖9可以看出隨著風(fēng)電滲透率從5%到20%不斷增加，5 min內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)最大絕對(duì)頻率偏差取較大值的概率逐漸變大，風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響越發(fā)明顯。為了更清晰地評(píng)估不同風(fēng)電滲透率下風(fēng)電波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率影響的統(tǒng)計(jì)特性，表3分別給出了90%、95%、99%置信水平下5 min內(nèi)風(fēng)電功率隨機(jī)波動(dòng)引起的系統(tǒng)最大絕對(duì)頻率偏差的范圍。從表3中可以看出在相同置信水平下，風(fēng)電滲透率越高，最大頻率絕對(duì)偏差取值范圍越大，在風(fēng)電滲透率為20%情況下，99%置信水平下系統(tǒng)的最大絕對(duì)頻率偏差達(dá)到了0.22 Hz，已經(jīng)超出國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差的限制[14]。

圖9 風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)最大絕對(duì)頻率偏差概率分布

表3 系統(tǒng)最大絕對(duì)頻率偏差置信區(qū)間/Hz

如果設(shè)定該區(qū)域電網(wǎng)頻率合格率[14]必須達(dá)到99%以上，那么可以按照所提分析方法計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)電最大滲透率為17.5%。在實(shí)際應(yīng)用中，基于網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)特性、實(shí)際作用的調(diào)頻控制、機(jī)組參數(shù)和頻率合格率要求等信息，采用所提方法可以進(jìn)行考慮風(fēng)電波動(dòng)引起系統(tǒng)頻率偏移的特高壓交直流混連系統(tǒng)最大風(fēng)電滲透率的計(jì)算。

3 結(jié) 論

提出了考慮系統(tǒng)頻率響應(yīng)的特高壓交直流混連系統(tǒng)最大風(fēng)電滲透率計(jì)算方法，分別從大擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率響應(yīng)和風(fēng)電自身波動(dòng)造成的頻率偏移兩個(gè)方面展開了分析性的研究，所提方法在電網(wǎng)典型數(shù)據(jù)及實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了算例分析。結(jié)果顯示在風(fēng)電場(chǎng)沒有提供輔助調(diào)頻服務(wù)的情況下，風(fēng)電滲透率的增加使得系統(tǒng)在大擾動(dòng)和風(fēng)電波動(dòng)兩種情形下的頻率偏移幅度均逐漸變大，在算例中網(wǎng)內(nèi)最大可承受風(fēng)電滲透率約為17.5%，而且這一數(shù)值其實(shí)涵蓋了系統(tǒng)中所有通過電力電子并網(wǎng)的具有波動(dòng)性的新能源機(jī)組。

為了進(jìn)一步提升風(fēng)電并網(wǎng)量，且保證系統(tǒng)頻率有較高的安全裕度和合格率，風(fēng)電場(chǎng)需要提供基于風(fēng)機(jī)或者儲(chǔ)能裝置的輔助調(diào)頻服務(wù)。另外，為了更有效地平抑風(fēng)電在運(yùn)行時(shí)間尺度內(nèi)的波動(dòng)，進(jìn)而提升特高壓交直流混連系統(tǒng)風(fēng)電滲透水平，高精度的超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)和連續(xù)時(shí)間的調(diào)度控制一體化顯得至關(guān)重要。

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With the continuous progress of national sustainable development strategy, wind power integration steadily increases in China, which are mainly transmitted from "three north" area to load center in the east of China. However, many challenges for wind power absorption in ultra-high voltage (UHV) AC/DC interconnected power system emerge due to its inherent fluctuations and characteristics of power electronics. Therefore, it is of great significance to study the impact of high wind power penetration on the stability and security of UHV AC/DC interconnected power system and further estimate the maximum wind power penetration from both academic and engineering perspectives. A method based on system frequency response (SFR) model is proposed to calculate the maximum wind power penetration considering system frequency response under both considerable disturbances and wind power fluctuations. This work presents some guidance on planning and design of wind farms and related UHV AC/DC transmission systems in the future, and also demonstrates the necessity of ancillary frequency regulation services from wind farms.

UHV power system; wind power penetration; wind power fluctuation; frequency response; system frequency response (SFR) model

TM715

A

1003-6954(2017)01-0032-05

2016-09-30)