風電接入孤網(wǎng)后的頻率控制策略

劉 林， 許曉艷

(1. 國網(wǎng)能源研究院， 北京 102209; 2. 中國電力科學研究院， 北京 100192)

風電接入孤網(wǎng)后的頻率控制策略

劉 林1， 許曉艷2

(1. 國網(wǎng)能源研究院， 北京 102209; 2. 中國電力科學研究院， 北京 100192)

由于風電場容量相對于孤網(wǎng)系統(tǒng)容量較大，且不具備傳統(tǒng)發(fā)電機組的調(diào)頻功能，風電出力的隨機波動特性勢必會引起孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率的顯著波動，嚴重影響孤網(wǎng)中設備的安全穩(wěn)定運行。在總結(jié)及闡述孤網(wǎng)概念及已有頻率控制方式基礎上，研究并建立抑制風電接入后頻率大幅波動現(xiàn)象的孤網(wǎng)頻率控制策略，包括三次和二次頻率調(diào)節(jié)策略，其中，三次調(diào)頻考慮風電場短期和超短期出力預測進行含風電的協(xié)調(diào)調(diào)度，二次調(diào)頻根據(jù)系統(tǒng)頻率以及風電場出力趨勢對常規(guī)電源和風電出力進行秒級至分鐘級的調(diào)整。最后，通過建立含風電的孤網(wǎng)動態(tài)仿真模型，仿真驗證所提出控制策略的有效性。

風電； 孤網(wǎng)； 頻率穩(wěn)定； 控制策略

1 引言

隨著全球氣候變暖和化石性能源危機的爆發(fā)，風力發(fā)電作為無污染、可再生能源在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關注和發(fā)展。截至到2013年底，全球范圍內(nèi)約有24個國家的裝機容量超過1GW。中國風電仍保持著持續(xù)發(fā)展的后勁，市場預期良好，至2013年底，全國共有16個省(區(qū))風電累計并網(wǎng)容量超過1GW[1]。

風電的并網(wǎng)形式主要包括大規(guī)模集中接入輸電網(wǎng)和分布式接入配電網(wǎng)兩種方式，隨著風電利用形式的多樣化，越來越多的風電場將作為主要電源形式接入孤立電網(wǎng)運行。相比于接入傳統(tǒng)大電網(wǎng)，風電場接入孤網(wǎng)后將會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生重要的影響，其中之一便是頻率穩(wěn)定問題。由于風電場容量相對于孤網(wǎng)系統(tǒng)容量較大，且不具備傳統(tǒng)發(fā)電機組的調(diào)頻功能，風電出力的隨機波動特性勢必會引起孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率的顯著波動，危及到系統(tǒng)內(nèi)各類電氣設備的安全運行。因此，研究風電接入后的孤網(wǎng)頻率控制策略是解決風電場接入孤網(wǎng)運行的關鍵。

目前國內(nèi)外對風電接入孤網(wǎng)后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題研究還很少，文獻[2]提出了符合風電孤網(wǎng)運行原則的功率調(diào)節(jié)器核心控制算法，但該算法僅適用于負載突然變化或風速突然變化的秒級時間尺度頻率調(diào)整，未涉及到更長時間尺度二次和三次調(diào)頻；文獻[3,4]針對風電場并入孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定裝置的配合問題，提出適應風電特性的孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻切機配置方法，但該方法僅是針對緊急情況下的頻率控制，未涉及到正常運行時的頻率穩(wěn)定控制；文獻[5]通過仿真分析提出，風電場規(guī)模較大時會影響地區(qū)電網(wǎng)的頻率恢復，但未提出相應的頻率穩(wěn)定策略。文獻[6] 針對高滲透率大規(guī)模風電接入的孤立電網(wǎng)，提出一種風電-儲能系統(tǒng)孤立電網(wǎng)控制策略，該策略僅適用于含儲能的孤網(wǎng)系統(tǒng)，不具有普適性。

本文在總結(jié)孤網(wǎng)定義及現(xiàn)有頻率控制方式的基礎上，研究并提出風電接入孤網(wǎng)后抑制高頻現(xiàn)象的系統(tǒng)的三次和二次頻率控制策略，三次調(diào)頻策略可根據(jù)風電場出力預測結(jié)果將風電納入系統(tǒng)的計劃曲線制定中，二次調(diào)頻策略在常規(guī)機組二次調(diào)節(jié)控制策略的基礎上，根據(jù)頻率運行范圍確定風電場是否參與調(diào)節(jié)。最后，通過仿真方法驗證所提策略的有效性。

2 孤網(wǎng)定義及頻率控制方式

2.1 孤網(wǎng)定義

電力建設規(guī)程規(guī)定，電網(wǎng)中單機容量應小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當該機發(fā)生甩負荷時，不影響電網(wǎng)的正常運行。根據(jù)這一判據(jù)，最大單機容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)可以稱為大電網(wǎng)，機網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)統(tǒng)稱為小網(wǎng)。孤立運行的小網(wǎng)，稱為孤網(wǎng)，孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。

2.2 孤網(wǎng)頻率控制方式

電力系統(tǒng)中影響系統(tǒng)頻率變化的關鍵因素主要有兩個：①負荷與發(fā)電機出力之間的不平衡量；②系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機總轉(zhuǎn)動慣量。孤網(wǎng)容量較小，各單臺機組和大型用電設備所占的功率比例較大，發(fā)電機組輸出功率的變化量和負荷的擾動量相對值也較大，這將對孤網(wǎng)頻率產(chǎn)生明顯影響。而且，孤網(wǎng)中所有發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，自平衡能力差，同樣的不平衡力矩會引起較大的發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化，即同樣的不平衡量在孤網(wǎng)運行時會導致頻率出現(xiàn)較大幅度的波動[7,8]。

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整是按照負荷變化的周期和幅值大小區(qū)別對待的，一般將負荷變化分解成三種成分。第一種幅度很小，周期又很短，一般小于10s，具有隨機性質(zhì)，稱為微小變動分量；第二種變動幅度較大，周期大約在10s至2～3min之間，屬于沖擊性的負荷變動；第三種是長周期分量，周期大約在2～3min至10～20min之間，它是由生產(chǎn)、生活和氣象等引起的負荷變化，有其規(guī)律性，可以預測。

頻率的三次調(diào)整是針對第三種負荷變動分量，它隨時間調(diào)整機組出力執(zhí)行發(fā)電計劃，或每隔一段時間(如5min)按經(jīng)濟調(diào)度原則重新分配出力[9]。頻率的二次調(diào)整是針對第二種負荷變動分量，這種調(diào)整需要通過自動或手動方式改變調(diào)頻發(fā)電機的同步器(也稱調(diào)頻器)來實現(xiàn)。同步器位置的改變會平移調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，從而改變發(fā)電機出力，達到調(diào)頻的目的。如果參加調(diào)頻機組的容量足夠大，就可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

近年來，為了提高孤網(wǎng)運行頻率穩(wěn)定，學者們進行了大量的研究。研究結(jié)果表明，通過提高一次調(diào)頻動作靈敏度[10-12]、設置合理的OPC定值[13,14]、高頻切機、低頻減載以及二次調(diào)頻等手段[15-17]，可有效維持孤網(wǎng)運行的頻率穩(wěn)定。對于作為孤網(wǎng)狀態(tài)常態(tài)運行的電網(wǎng)，如企業(yè)自備電廠、循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)和微網(wǎng)等，除了以上的頻率控制手段，還需要具有根據(jù)負荷預測制定機組計劃的三次調(diào)頻功能。

風電場接入孤網(wǎng)后，若不考慮風電出力的隨機性，系統(tǒng)三次調(diào)頻和二次調(diào)頻都將存在一定的誤差，從而在風電出力波動較大時，出現(xiàn)由于機組調(diào)節(jié)容量不足導致的頻率顯著波動現(xiàn)象。本文主要研究風電接入孤網(wǎng)后系統(tǒng)三次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制策略的調(diào)整方案。

3 風電接入孤網(wǎng)后系統(tǒng)頻率控制策略

3.1 三次調(diào)頻策略

在風電場接入之前，為了維持孤網(wǎng)實時運行時的頻率穩(wěn)定，有必要進行三次調(diào)頻，即根據(jù)負荷短期(日前)或超短期(5min或15min)預測曲線，按照經(jīng)濟調(diào)度原則分配各臺發(fā)電機組出力，發(fā)電機組隨時間調(diào)整出力執(zhí)行發(fā)電計劃。

風電接入孤網(wǎng)后，三次調(diào)頻控制流程如圖1所示。機組計劃出力包括風電的計劃出力和其他可調(diào)節(jié)出力常規(guī)機組的計劃出力。由于風電運行成本近乎為零，在運行中應優(yōu)先考慮風電發(fā)電，因此，計劃制作流程首先根據(jù)負荷預測、不可調(diào)節(jié)出力機組預測功率、可調(diào)節(jié)出力常規(guī)機組參數(shù)以及線路限額，以風電接納能力最大為目標，計算出孤網(wǎng)系統(tǒng)的風電接納空間；比較風電功率預測值和風電接納空間，若接納空間大于預測值，則風電場的計劃即為預測值，反之，風電場需要限制出力至接納空間，至此，風電場計劃制作完成。將風電場計劃值以及一些出力不可調(diào)機組(如小水電)的預測出力看作“負”的負荷，疊加到負荷上，即可得到系統(tǒng)的等效負荷，再將等效負荷按照經(jīng)濟調(diào)度或調(diào)節(jié)比例等原則在可調(diào)節(jié)出力的常規(guī)機組之間分配，即可得到可調(diào)節(jié)出力常規(guī)機組的發(fā)電計劃。

圖1 風電接入孤網(wǎng)后三次調(diào)頻流程圖Fig.1 3rd frequency adjustment flowchart after integration of wind power into isolated network

3.2 二次調(diào)頻策略

風電接入孤網(wǎng)后系統(tǒng)二次調(diào)頻流程如圖2所示。考慮到經(jīng)濟原因和技術因素，風電場不適合頻繁進行秒級出力調(diào)節(jié)，可通過設置頻率閾值，確定風電場參與二次調(diào)節(jié)的范圍。在頻率閾值范圍以內(nèi)，系統(tǒng)二次調(diào)頻由其他具備AGC二次調(diào)頻功能的常規(guī)機組承擔，即根據(jù)系統(tǒng)頻率偏移幅度，計算出系統(tǒng)所需的總調(diào)節(jié)功率，并按照一定的分配原則分配至參與調(diào)頻的各臺常規(guī)機組。頻率超出上閾值，且風電場出力處于爬坡狀態(tài)時，可采取分批切除風電機組的措施穩(wěn)定頻率；頻率低于下閾值，且風電場出力處于下降狀態(tài)時，可采取緊急切負荷措施穩(wěn)定頻率。

圖2 風電接入孤網(wǎng)二次調(diào)頻流程圖Fig.2 2nd frequency adjustment flowchart after integration of wind power into isolated network

4 仿真驗證

以某鋁廠自備電廠為例仿真驗證所提的頻率控制策略。圖3為某自備電廠系統(tǒng)接線圖，鋁廠負荷共分三期，分別為300MW、500MW和700MW，鋁廠負荷日曲線按照恒定不變考慮。系統(tǒng)內(nèi)共有8臺火電機組，其中4臺容量100MW，2臺容量300MW，2臺容量350MW，火電機組調(diào)節(jié)范圍按照50%Pn～100%Pn考慮，上下爬坡速率按照2%Pn/min考慮。風電場裝機容量300MW，含150臺2MW直驅(qū)風電機組，接入三期負荷220kV母線上。

圖3 某鋁廠自備電廠系統(tǒng)接線圖Fig.3 Connection diagram of aluminum factory’s self-powered power plant system

典型日風電場預測出力和實際出力如圖4所示，時間尺度為1h。圖5給出了根據(jù)負荷和火電機組最低技術出力計算所得的風電的接納空間，可以看出，風電的接納空間遠遠高于風電的預測出力，風電的計劃出力即為預測出力。

圖4 風電場預測出力和實際出力Fig.4 Wind farm’s forecast output and actual output

將風電計劃出力作為“負”的負荷和鋁廠負荷疊加得到等效負荷，并按照機組可調(diào)出力比例分配給各火電機組，可得到三種容量火電機組的計劃出力，如圖6所示。

圖6 火電機組計劃出力Fig.6 Thermal power units’ planning output

按照圖2所示二次調(diào)頻控制流程圖，設置系統(tǒng)頻率安全運行范圍為48.5～50.5Hz，風電調(diào)節(jié)頻率閾值為50.5Hz，火電機組全部參與AGC二次調(diào)節(jié)。300MW風電場接入孤網(wǎng)系統(tǒng)后，如在三次調(diào)頻中火電機組只根據(jù)鋁廠負荷制定計劃曲線，風電出力勢必會引起頻率大幅提升。圖7為風電場接入后，且參與三次頻率控制時的頻率運行曲線，其中風電場和火電機組的出力計劃按照圖5和圖6執(zhí)行?？梢钥闯?，風電場僅參與系統(tǒng)三次頻率控制、但系統(tǒng)不具備二次頻率控制功能時，在本算例系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率運行范圍為48.5～51.5Hz，仍然超出了安全運行范圍。圖8為采取本文所提出的三次和二次調(diào)頻控制策略后的系統(tǒng)頻率運行曲線，可以看出，本文提出的控制策略可有效地將系統(tǒng)頻率控制在頻率安全運行范圍內(nèi)。

圖7 僅有三次調(diào)頻控制時的系統(tǒng)頻率曲線Fig.7 System frequency under the 3rd frequency adjustment

圖8 三次和二次調(diào)頻控制時的系統(tǒng)頻率曲線Fig.8 System frequency under the 3rd and 2nd frequency adjustment

5 結(jié)論

風電場接入孤網(wǎng)系統(tǒng)將會引起系統(tǒng)頻率劇烈波動，危及系統(tǒng)中設備的安全運行。本文在已有孤網(wǎng)頻率控制的基礎上，研究并建立了風電接入孤網(wǎng)后系統(tǒng)的三次和二次調(diào)頻控制策略，實現(xiàn)了根據(jù)風電預測結(jié)果進行三次調(diào)頻控制，并將風電場納入系統(tǒng)二次調(diào)頻控制，在必要時刻通過限制風電場出力和切負荷措施穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。通過將風電納入系統(tǒng)調(diào)頻控制，可有效應對風電接入孤網(wǎng)引起的頻率劇烈波動現(xiàn)象，對含風電的孤網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有實際的指導意義。

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Study of frequency control strategy after integration of wind power into isolated network

LIU Lin1， XU Xiao-yan2

(1. State Grid Energy Research Institute， Beijing 102209， China; 2. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China)

As wind farm’s capacity is large, and it has no frequency adjustment capability as conventional generators, its output variation will lead to frequency fluctuation dramatically. Based on the conception of isolated network and its existed frequency control mode, this paper studies and establishes the frequency control strategy to inhibit high frequency phenomenon after wind power is integrated, including 3rd and 2nd frequency adjustment strategy. Finally, 3rd frequency adjustment considers wind farm’s short-term and super short-term prediction, and coordination scheduling is carried out. Based on system frequency and wind farm output, 2nd frequency adjustment gives second level adjustment of conventional generator and wind farm. At last, by establishing the model of an isolated network containing a wind farm, the control strategy proposed is simulated and its validity is verified.

wind power; isolated network; frequency stability; control strategy

2015-06-09

國家電網(wǎng)公司科技項目

劉 林 (1982-), 男, 河北籍, 高級工程師, 博士, 研究方向為智能電網(wǎng)、 新能源和電力系統(tǒng)優(yōu)化; 許曉艷(1984-), 女, 安徽籍, 高級工程師, 碩士, 研究方向為新能源發(fā)電并網(wǎng)及優(yōu)化調(diào)度運行控制。

TM732； TM614

A

1003-3076(2016)06-0049-05