高风电渗透率下的电力系统调频研究综述

分类：电力论文发表 时间：2018-08-30 12:00 关注：(1)

　　李军徽1，冯喜超2，严干贵1，葛延峰3，李大路3，傅予3

　　(1.东北电力大学，吉林吉林132012;2.国网辽宁省电力有限公司沈阳供电局，辽宁沈阳110811;3.国网辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳110006)

　　摘要：受环境危机及能源危机影响，全球风电发展迅速，风能发电在一次能源发电中所占比例越来越高。大规模风电接入对电力系统的频率稳定构成了严重威胁。首先介绍部分风电发达国家对风电机组参与电力系统有功功率控制及调频的要求。接着对大规模风电并网对电力系统频率稳定的影响进行分析。从风电机组为电力系统提供惯性支撑、一次调频及综合提供惯性支撑和一次调频三方面进行调研总结。最后对应用大规模储能技术及需求侧管理技术提高高风电渗透率电力系统频率稳定性方法进行综述分析。

　　关键词：风电功率;惯性响应;一次调频;储能技术

　　0引言

　　近年来，在全球范围内煤和石油等化石能源正日趋枯竭，气候变暖等环境问题日趋严重。在此背景下以风能和太阳能为代表的绿色可再生一次能源越来越受到人类的重视，并得到了快速的发展，其基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB228201);国家电网公司科技项目“超大容量电池储能电站并网运行关键技术及应用”;2017年吉林省发改委产业创新专项项目(2017C017-2);吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]第88号)中风力发电技术发展最为迅速[1]。全球风电累计装机容量从2005年底的59.1GW增长到2015年末的432.4GW，十年间以平均每年23%的速度飞速增长。其中部分欧美国家风力发电起步较早，并且相关技术较为成熟，因此目前发展程度较高。例如，截止到2015年底，丹麦累计风电装机容量为5.06GW，风电全年发电量占全国总消费电量的42.1%;西班牙风电累计装机容量24.02GW，风电全年发电量占全国总消费电量的22.3%;德国风电累计装机容量44.95GW，风电全年发电量占全国总消费电量的10%[2]。

　　但是风电渗透率的不断增高，给传统电力系统的安全稳定运行带来了很多前所未有的挑战。当前主流风力发电机组变速风力发电机组(VariableSpeedWindTurbine,VSWT)与传统火电机组不同，变速风力发电机组转速与电力系统频率解耦，不具备惯性响应及辅助调频能力，大规模风电接入替代了部分传统电源，减小了整个电力系统的惯性，削弱了电力系统的频率调节能力，严重威胁了电力系统的安全稳定运行。为此，世界上许多国家和地区的电力系统调度部门意识到了风电机组参与电力系统的惯性响应对电力系统频率稳定的重要性，并对并网风电机组的电力系统惯性响应及参与系统频率调节的能力做出了明确的要求[3]。与此同时，国内外有很多学者对风电机组参与电力系统频率调节进行了大量的研究。

　　本文首先介绍了世界各国的电力公司对风电机组参与调频或者有功功率控制的要求，然后，从大规模风电并网对电力系统频率的影响、风电机组参与电力系统调频的方法和利用储能等新方法改善高风电渗透率下的电力系统的频率调节特性等方面进行综述。

　　1风电机组参与电力系统频率调节的要求

　　部分国家风力发电发展较早且风电在其电力系统的总渗透率已经有较高的水平，为保证电力系统运行的安全稳定，这些国家对风电场的频率调节能力做出了一些具体要求。

　　(1)德国的EON公司要求包括风电场在内的装机容量大于100MW的所有发电厂必须具备一次调频能力，并要求一次调频容量不小于额定容量的±2%，机组频率下垂特性常数必须可调，在系统频率达到准稳态频率偏差±200mHz时，一次调频功率必须在30s内达到最大值，并能够持续输出至少15min，同时要求在上一次调频过后的15min后能够再参与一次调频[4]。

　　(2)在南非电力系统要求并网的风电场配备频率响应系统，频率响应系统应该具备如图1所示的频率响应能力。风电场能够设定0~0.5Hz的频率偏差响应死区，具体应用中根据电力系统标准适当进行调整;风电场能够以可输出最大功率的95%及以上的功率进行持续输出;当系统频率超过50.5Hz时，要求风电场能够至少以1%额定功率/s的斜率降低风电场的功率输出;当系统频率小于正常值且靠近正常值时，风电场频率响应系统应按照图1中AB段曲线调节其功率输出，但系统频率高于正常值时，风电场频率响应系统按照CDE段曲线调节有功功率输出[5]。

　　加拿大魁北克水电公司要求容量大于10MW的风电场必须配备频率调节系统用于系统发生频率偏差时的风电场有功功率控制，频率控制系统使风电场具备类似于传统同步机组的惯性3.5s时间常数(H)，并保证在电力系统遇到频率波动时，风电场能持续10s以上，以不低于额定功率5%的功率进行频率调节[6]。

　　此外，丹麦、芬兰、冰岛、挪威和瑞典的联合电力系统要求风电场具有有功功率调节能力[7]。随着我国风电装机容量的迅速增长，在部分风能富集地区风电渗透率已经具有较高水平，为此要求风电场应具备参与电力系统调频和备用的能力，当风电场有功功率在总额定出力的20%以上时，对于场内有功出力超过额定容量的20%的所有风电机组，能够实现有功功率的连续平滑调节，并参与系统有功功率控制[8]。

　　2大规模风电功率并网对电力系统的频率响应特性的影响

　　自然界中风能是一种具有随机性和波动性的资源，风电功率与风能具有强相关性，风速的随机性变化导致风电功率具有很强的不确定性[9-10]，而电力系统的频率稳定是建立在系统中的同步发电机组的输入功率与输出功率相同的基础上的，大规模的风电功率接入，导致电力系统功率平衡受到挑战，对电力系统的频率稳定造成了一定程度的威胁。文献[11-14]从频率偏差和电力系统频率指标角度来研究风电功率波动对电力系统频率的影响。文献[11]在电力系统只有火电和风电的假设条件下，对火电厂建立频率响应的传递函数，基于该传递函数研究风电功率波动对电力系统频率偏差的影响，仿真发现某一频率的约占各火电厂总容量5%的最大风电功率波动能引起电力系统1%的频率波动(额定频率60Hz)。文献[12]讨论了发电系统的一次调频和二次调频，分析加入风力发电后风-火互补发电的区域频率控制，仿真结果数据验证了风-火互补发电的区域频率控制的可行性。文献[13]研究大规模风电功率波动对电力系统CPS考核指标的影响，针对风电功率波动这一因素对ACE计算公式进行了修正，以提高电力系统频率稳定性。文献[14]推导了含不同比例风电的系统总功率波动模型，并以此为基础描述了电力系统最大频率偏差、一/二次频率调整速度等指标，仿真说明高风电比例接入对系统一/二次频率调整速度影响不大，但是风电功率的接入增加了电力系统的二次调频备用需求。

　　3风电机组参与电力系统频率响应的控制策略

　　风力发电机组可以分为定速风电机组和变速风电机组两个大类，其中定速风电机组与传统火电机组相类似，转子转速与电力系统频率直接耦合，能够对电力系统频率波动做出响应，但是定速风电机组主要用于小容量的风力发电，随着风电机组的容量越来越大，变速风电机组已经成为当前的主流风电机组，典型变速风电机组的转子转速与电力系统频率解耦[23]。变速风电机组的等效惯性时间常数为零，不能积极响应电力系统频率的波动，要实现变速风电机组参与调频，必须研究对风电机组进行辅助控制。变速风电机组参与电力系统调频的研究集中在风电机组为电力系统提供惯性支撑的研究、风电机组为电力系统提供一次调频的研究、风电机组为电力系统综合提供惯性响应和一次调频的研究。

　　4储能及需求侧管理技术参与高风电渗透

　　率电力系统调频研究由上文分析可知，风电机组参与电力系统调频都是以在调频时段放弃最大功率跟踪为代价的，同时，由于风能固有的随机性和波动性，由风电机组提供的电力系统的频率支撑的可靠性也很难得到保障，在故障清除过后，刚参加过电力系统调频的风电机组要尽快恢复到最佳转速，要从系统中吸收部分有功，这很容易造成系统频率的二次跌落，因此风电机组的频率响应能力有待进一步加强[43]。

　　5结论

　　本文首先列举部分风电发达国家对风电机组频率响应能力的基本要求，然后分析大规模风电功率并网对电力系统频率稳定的影响，说明风电功率的波动性及风电机组的频率解耦特性不利于电力系统的频率稳定。风电机组的惯性控制与一次调频控制相结合为电力系统提供了连续的有功功率调节，增强了风电机组的频率响应能力，但是不可避免地要进行一定的弃风。大规模储能技术及需求侧管理技术是提高高风电渗透率电力系统频率稳定性的有效方法，随着储能技术成本的不断下降，大规模储能技术参与电力系统调频的研究将越来越具有理论与实际应用价值。

　　参考文献

　　[1]赵晋泉,唐洁,罗卫华,等.一种含风电电力系统的日前发电计划和旋转备用决策模型[J].电力自动化设备,2014,34(5):21-27.