新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析

1、新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析摘要：隨著發(fā)電能源結(jié)構(gòu)的清潔低碳化，預(yù)計(jì)2035年，我國新能源裝機(jī)容量將 超過火電，成為第一大電源。新能源在發(fā)電結(jié)構(gòu)中比重的迅速上升，不僅給電力 系統(tǒng)的頻率特性帶來重大影響，也在電力電子和電力系統(tǒng)領(lǐng)域引發(fā)不同關(guān)注點(diǎn)。關(guān)鍵詞：新能源；高滲透率；頻率特性；穩(wěn)態(tài)頻率誤差；動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)系數(shù)；頻率控制引言現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、組成成分豐富化、調(diào)節(jié)手段多樣化使得電力系統(tǒng)頻 率特性日益復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：（1）隨著電網(wǎng)覆蓋的地域更加廣闊，大型互聯(lián)同步電網(wǎng)地 理分布和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)的不均勻性、機(jī)組及其控制器的參數(shù)差異性、各地區(qū)負(fù)荷水平不均勻性等 因素導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率特性具有

2、明顯的時(shí)空分布特性；（2）西電東輸?shù)陌l(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)距離、 大容量輸電的發(fā)展，單元輸電線路的大潮流化會(huì)降低線路事故時(shí)系統(tǒng)發(fā)受兩端的頻率穩(wěn)定性；（3）以新能源發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性高壓直流輸電、新式負(fù)荷和微電網(wǎng)為代表的“源-網(wǎng)-荷” 全環(huán)節(jié)的規(guī)?；捎秒娏﹄娮幼儞Q裝置與系統(tǒng)相聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)慣性水平下降、備用容量減小， 降低了系統(tǒng)的頻率支撐能力。同時(shí)，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定提出 了更高的要求，主要表現(xiàn)在：（1）新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可準(zhǔn)確預(yù)測性等特 點(diǎn)，頻率穩(wěn)定是系統(tǒng)消納這些可再生能源發(fā)電的重要前提；（2）大型機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率偏移 的要求更加苛刻，頻率過高或過低都有可能引起保護(hù)

3、裝置的動(dòng)作，更容易發(fā)生頻率偏移的連 鎖事故；（3）工業(yè)的發(fā)展以及制造工藝的精細(xì)化使得一些高新技術(shù)負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)頻率要求更 加嚴(yán)格，容許的頻率偏差更小。1計(jì)及新能源滲透率的電力系統(tǒng)簡化頻率模型電力系統(tǒng)頻率模型是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括同步發(fā)電機(jī)與負(fù)荷、渦輪機(jī)及其調(diào)速 器。本文目標(biāo)是研究電力系統(tǒng)總體頻率特性，因此不考慮頻率的分散性與功角穩(wěn)定問題，并 忽略具體的調(diào)速器控制、渦輪機(jī)模型、限幅等非線性環(huán)節(jié)與二次調(diào)頻。2電力系統(tǒng)運(yùn)行中頻率質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)問題頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要指標(biāo)和指示數(shù)據(jù)，也是表征電能質(zhì)量的重要參數(shù)，我國電力 系統(tǒng)頻率額定值為50Hz。頻率過大或過小都會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量甚至整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定

4、性， 從而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)虧損。當(dāng)頻率偏離額定值時(shí)，將影響電力用戶產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，嚴(yán)重 時(shí)會(huì)造成廢品，導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作。頻率降低時(shí)，會(huì)造成汽輪機(jī)葉片振動(dòng)增大，降 低其壽命，有時(shí)會(huì)造成共振，使葉片斷裂；同時(shí)還會(huì)造成由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電廠廠用電的 機(jī)械出力減少，發(fā)電機(jī)出力減少，系統(tǒng)頻率下降更多，以至于產(chǎn)生頻率崩潰現(xiàn)象。有核電站 的電力系統(tǒng)，頻率偏移過大會(huì)使反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)泵自動(dòng)斷開，導(dǎo)致反應(yīng)堆停止運(yùn)行。頻率過 高時(shí)，會(huì)影響大容量汽輪機(jī)葉片和大軸的壽命，因此頻率過高也應(yīng)引起注意。另一方面，電 力系統(tǒng)頻率減小時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流變大，變壓器的勵(lì)磁電流也變大，系統(tǒng)消耗無功增 加，電力系統(tǒng)電壓降低

5、，當(dāng)頻率下降到4546Hz范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)速也顯著變慢， 引起各發(fā)電機(jī)組的電力電動(dòng)勢降低，整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓水平大大減小，甚至出現(xiàn)電壓崩潰 的情況。發(fā)生頻率或電壓崩潰，能引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)快速瓦解，造成區(qū)域性大面積停電。3發(fā)電機(jī)組參與頻率響應(yīng)的特性監(jiān)測3.1慣量監(jiān)測隨著多種非同步成分通過電力電子設(shè)備集成到大容量交流電網(wǎng)中，現(xiàn)代電力系統(tǒng)慣量的 組成成分復(fù)雜且多變。因此有效且準(zhǔn)確監(jiān)測系統(tǒng)慣性對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要 意義。傳統(tǒng)方法通過動(dòng)態(tài)參數(shù)估計(jì)的方式估計(jì)出每個(gè)發(fā)電機(jī)的慣量常數(shù)，再通過式（1）對(duì)系 統(tǒng)總慣量進(jìn)行計(jì)算。而廣域量測技術(shù)的發(fā)展與相量測量單元（phasormeasuremen

6、tunits， PMUs）在電力系統(tǒng)的廣泛安裝為實(shí)現(xiàn)高精度在線估計(jì)系統(tǒng)慣量提供了支撐，更加準(zhǔn)確、有效 的慣量估計(jì)方法逐漸被提出。系統(tǒng)等效慣量的組成由單一的同步機(jī)旋轉(zhuǎn)慣量拓展到旋轉(zhuǎn)慣量、 虛擬慣量虛擬慣性控制）、儲(chǔ)能慣量和負(fù)荷側(cè)慣量等多種形式的慣量。等效慣量反映了系統(tǒng) 有功功率缺額與頻率變化率之間的關(guān)系，其具有非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)。3.2頻率調(diào)節(jié)手段對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為影響監(jiān)測估計(jì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的總慣量并監(jiān)測機(jī)組的調(diào)頻性能有助于掌握電力系統(tǒng)的頻率支撐能力， 并規(guī)范機(jī)組的行為。但對(duì)系統(tǒng)而言最為直觀的體現(xiàn)是擾動(dòng)下頻率動(dòng)態(tài)行為，通過對(duì)系統(tǒng)頻率 最大動(dòng)態(tài)RoCoF、最大動(dòng)態(tài)頻率偏差、到達(dá)最大頻率偏差的時(shí)間以及穩(wěn)

7、態(tài)頻率偏差等指標(biāo)進(jìn) 行評(píng)估來反應(yīng)頻率調(diào)節(jié)手段的性能及其相關(guān)性。分析和研究表明，不同的頻率調(diào)節(jié)手段對(duì)不 同指標(biāo)的影響程度不一樣，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以對(duì)頻率動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行控制。量化頻率調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)如慣量常數(shù)、調(diào)速器死區(qū)、調(diào)差系數(shù)等與頻率動(dòng)態(tài)特性之間的關(guān) 系，探究不同調(diào)節(jié)手段對(duì)頻率行為影響的機(jī)理是未來值得關(guān)注和研究的方向。4新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性發(fā)展趨勢隨著新能源滲透率的增大，電力系統(tǒng)的頻率特性將更主要地取決于新能源發(fā)電所能提供 的調(diào)頻容量和調(diào)頻能力。所以新能源滲透率能夠提高的關(guān)鍵在于新能源發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)與頻 率控制技術(shù)。在未來，假定所有的新能源發(fā)電都已采用參考頻率閉環(huán)方式參與調(diào)頻，并且

8、能提供足夠 的調(diào)頻容量。對(duì)這樣的系統(tǒng)施加參考頻率階躍和功率擾動(dòng)階躍，分析其動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)。當(dāng)火 電發(fā)電系數(shù)K降低至10%時(shí)，系統(tǒng)S3對(duì)于1Hz參考頻率和10%功率的階躍響應(yīng)的頻率誤差 可控制在合理范圍內(nèi)。特性將出現(xiàn)新的發(fā)展趨勢：系統(tǒng)頻率變化的超調(diào)量并不大，但是上升時(shí)間很短。這就意 味著，在高滲透率情況下，系統(tǒng)頻率將會(huì)變得像電壓那樣易于閃變。如果電網(wǎng)或用戶對(duì)于頻 率變化率（RoCoF）有一定的要求，那么系統(tǒng)中就需要必要的虛擬慣量與相應(yīng)的控制策略， 以降低頻率的閃變。結(jié)語針對(duì)新能源高滲透的情況，本文研究了電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)， 并回答了系統(tǒng)頻率方面的問題：（1）研究新能源發(fā)電、不

9、同類型負(fù)荷的慣量在線估計(jì)方法。在慣量監(jiān)測方面，現(xiàn)有研 究主要關(guān)注于同步發(fā)電機(jī)以及系統(tǒng)總慣量的估計(jì)，而研究電力系統(tǒng)其他組成部分對(duì)系統(tǒng)總慣 量的影響在電力系統(tǒng)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等環(huán)節(jié)具有重要作用；（2）新能源發(fā)電如何參與系統(tǒng)調(diào)頻。新能源發(fā)電應(yīng)當(dāng)參與調(diào)頻且提供足夠的調(diào)頻容量， 才能遏制系統(tǒng)頻率特性的下降。新能源采取參考頻率閉環(huán)控制，是參與系統(tǒng)調(diào)頻的較優(yōu)方式。電力系統(tǒng)的頻率特性將隨著新能源的滲透率發(fā)生重大變化。高滲透率情況下，新能源參 與系統(tǒng)調(diào)頻對(duì)于遏制系統(tǒng)頻率特性的下降具有至關(guān)重要的作用。參考文獻(xiàn):陳國平，李明節(jié)，許濤，等.我國電網(wǎng)支撐可再生能源發(fā)展的實(shí)踐與挑戰(zhàn)J.電網(wǎng)技 術(shù)，2017, 41 (10)： 3095-3103.丁立，喬穎，魯宗相，等.高比例風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)頻指標(biāo)影響的定量分析J.電力 系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38 (14)： 1-8.魯宗相，湯海雁，喬穎，等.電力電子接口對(duì)電力系統(tǒng)頻率控制的影響綜述J .中 國電力，2018，51(1)：51-58.唐西勝，苗福豐，齊智平，等.風(fēng)力發(fā)電的調(diào)頻技術(shù)研究綜述J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，