风电并网无功电压控制发展动向（新能源并网对电力系统频率响应的评估分析）
风电并网无功电压控制发展动向（新能源并网对电力系统频率响应的评估分析）引用：国家电网公司科技项目(52660118005F);作者简介：王学超(1966—) 男，高级工程师，学士，主要从事电力管理研究。E-mail:2017486177@163.com;基金：
摘 要：
为了保障新能源并网后电网稳定运行，对风电机组并入电力系统的系统频率响应进行评估分析。建立了风电机组对电力系统频率响应简化模型，推导了稳态频率、最低点频率、稳态过渡时间以及频率初始变化率四个频率响应重要参数的计算方法，并对不同风电渗透率下的系统频率响应进行仿真研究。结果表明：风电机组参与系统频率调整的方式不同，其对系统频率影响也不一样。虚拟惯量控制能够有效降低系统频率初始变化率，下垂控制则能够有效增大稳态过渡时间、稳态频率与最低点频率。综合两种控制参与系统频率调整，将对系统频率各指标均有显著改善效果。研究成果可为电力系统调频方式以及系统运行规划提供参考。
关键词:
风电机组; 虚拟惯量控制; 下垂控制; 系统频率响应；
作者简介：
王学超(1966—) 男，高级工程师，学士，主要从事电力管理研究。E-mail:2017486177@163.com;
基金：
国家电网公司科技项目(52660118005F);
引用：
王学超 冀帅 董庆寰 等. 新能源并网对电力系统频率响应的评估分析[J]. 水利水电技术(中英文) 2021 52(10): 191- 198.
WANG Xuechao JI Shuai DONG Qinghuan et al. Assessment and analysis of response from grid-connection of new energy source to frequency of power system[J]. Water Resources and Hydropower Engineering 2021 52(10): 191- 198.
0 引 言
随着电力需求日益升高，传统的火力发电已无法满足对电力的需求，同时还造成煤炭、石油资源供应日益紧张以及全球温室效应更加严重等问题。目前，全球各国均大力研发新能源发电方式，从而实现替代或补充传统方式的发电。风力发电、太阳能发电等新能源发电方式已成为本世纪重要的绿色能源，并呈现出了高速增长的发展趋势。因此，新能源发电对电网安全、稳定以及经济运行的影响亟待深入研究。
目前，新能源发电受到天气和季节的影响仍较显著，造成新能源的输出功率具有间歇性以及不可预期性。然而，新能源输出功率的这种不稳定性可能造成新能源并网后，其电力系统有功出力与系统负荷之间的动态平衡遭到破坏。一旦系统中的发电机组无法迅速响应新能源发电功率的波动，则会导致系统频率出现偏差，甚至造成系统频率越限，不仅危及设备的正常运行，还对整个系统的稳定运行造成巨大隐患。
电力系统频率响应主要表征了在大型发电机组忽然脱离电网后，其系统所呈现的频率特征，即抑制系统频率出现瞬间变化。随着科技的不断进步以及用电需求的持续上升，新能源发电容量和并网能力的也持续上升，然而也对系统的频率响应性能提出了更高的要求，需要对系统大量的运行情况展开其频率响应能力评估。风力发电具有建设成本低、环境效益好等特点，成为我国主要的新能源发电方式。因此，需要主要针对风电并网对电力系统频率响应的影响进行研究。目前，针对风电并网的频率响应评估主要是根据建立的带大规模风电的电网系统机电暂态模型展开时域仿真。但是，该方式耗时大，计算复杂，仍无法满足实际工程需求。
本文针对风电机组并入电力系统的系统频率响应情况进行了一系列研究分析。首先，对电力系统频率响应的主要参数进行研究分析；然后，基于各参数特点建立风电机组对电力系统频率响应简化模型，并通过案例仿真对其模型进行验证；最后，利用该模型对风电机组参与系统频率调整不同方式的作用效果进行仿真研究，其结果可为电力系统调频方式以及系统运行规划提供参考。
1 系统频率响应评估方法电力系统的频率响应主要分成了三个部分，分别为一次调频响应、二次调频响应以及惯性响应。惯性响应具有反应速率快，为抑制系统的频率突变的首道防线，主要出现在频率变化起始的0～10 s。一次调频响应则是指电网常用发电机组的调速器针对系统频率发生改变后的反应，主要是起恢复频率的作用。
惯性响应与一次调频响应对电力系统抑制频率发生突变的作用方式如图1所示，其中，系统在t为0时刻，受到了干扰或出现故障。从图1中可以看出，当系统频率在A点出现突变，在AB阶段呈现频率下降，此时，惯性响应发生作用，抑制频率快速下降，因此，在该段频率下降速率也逐渐减缓。到达最低点B处后，一次调频响应开始介入，发电机组的调速器启动，使系统频率逐渐升高，即在图中的BC阶段频率呈现上升现象。通过惯性响应以及一次调频响应的综合调整后，系统频率在图中的CD阶段又恢复了稳定。
图1 系统频率响应变化情况
将风电机组并入电网替代常规机组后，造成系统的惯性响应以及一次调频响应的容量不足。此外，风力发电的不确定性需要二次调频响应进行有效调节，然而二次调频响应将会消耗一次调频响应所需容量，从而造成一次调频响应缺少足够能量。因此，风电机组并入电网后，可能造成系统的在频率突然下降阶段(AB段)时，其减缓下降的惯性响应惯量不足；且在恢复阶段(BC段)时，若一次调频响应的作用效果不佳，未能有效恢复频率，不仅会影响电力系统的稳定运行，严重时可能造成其系统崩溃。
电力系统频率响应的主要参数有：稳态频率、稳态频率响应、最低点频率、最低点频率响应以及频率初始下降率。其中：
(1)最低点频率表示当电网出现故障或脱离了一部分大功率发电机组时，其系统频率降低到最小时刻的频率大小值f(tb) 即为图1的B点处系统频率值。因此，其惯性响应效果强的系统，B点频率将会较高。
(2)频率初始下降率表示在电网出现故障后，起始5 s中该系统频率的降低值和时间变化的比例关系，其表达式为
式中，a为频率初始下降率；f(ta)为系统故障前的起始频率；f(5)为系统故障后5 s时的系统频率。因此，其惯性响应效果强的系统，抑制频率下降更为显著，其a值将会更小。
(3)最低点频率响应表示系统故障或脱离了一部分大功率发电机组后，其电网有功损耗和最大频率偏差的比例关系，其表达式为
式中，β为电网有功损耗和最大频率偏差的比值；P(ta)、P(tb)分别为系统故障前的起始有功功率，即在ta时刻的有功功率以及系统频率下降到最低点的有功功率，即在tb时刻的有功功率；f(tb)为系统频率下降到最低点即在tb时刻的系统频率，该参数值可以体现抑制系统频率下降的效果，即反映惯性响应的作用效果。
(4)稳态频率表示系统在故障或脱离了一部分大功率发电机组后，通过惯性响应以及一次调频响应的综合调整，使频率恢复稳定时的频率值f(td) 即为图1的D点处的系统频率。因此，其一次调频响应效果强的系统，其D点处的系统频率将会较高。
(5)稳态频率响应表示系统故障或脱离了一部分大功率发电机组后，其系统恢复稳定时，电网有功功率损耗和系统频率总下降幅度的比值，其表达式为
式中，δ为电网有功损耗和最大频率偏差的比值；P(td)为系统故障后恢复稳定时的有功功率；f(td)为系统故障后恢复稳定时的系统频率。当该参数δ值越接近1 表明其调节效果越佳。
2 风电并网的频率响应等值模型大规模的新能源并网后，将会对系统的频率造成一定影响，基于多机系统等效模型，对风电接入的频率响应进行评估。
2.1 电网负荷等值模型
负荷频率模型主要是表征了电网频率发生变化时，其负荷受到影响而发生变化的情况。电网中负荷模型可定义为
式中，Δfave(t)为电网频率的偏差量；ΔPL(t)为电网有功负荷功率偏差量的标幺值。
2.2 发电机组等值模型
将电力系统中多台发电机运行等效成单机系统模型，其系统的有功功率平衡关系可定义为
式中，H为惯性时间常数；ΔPme(t)为系统等值机械功率的变化与系统等值电磁功率的变化的差值；f(t)为系统发电机工作频率。
上述参数其计算公式为
式中，i为第i台发电机组。
2.3 原动机等值模型
电力系统中原动机主要有汽轮机和水轮机两种形式。针对汽轮机则需要考虑其由于再热段充汽造成时间延迟，该时间常数TR一般在9 s至10 s范围内，调速器的时间常数通常在0.05 s至0.25 s范围内。并且，汽轮机和其调速器的等值模型如图2所示。
图2 系统汽轮机等值模型
图2中，FH为汽轮机高压缸的稳态输出功率在总输出功率中所占的比重，一般在0.2至0.3范围内；R为调速器的等值调差系数；ΔF(s)和ΔPmn1(S)分别为系统的频率偏差和功率偏差的拉氏变换值。
针对水轮机系统则需要考虑水锤效应影响。水锤效应指在水管内部，水流动自如，当阀门忽然关闭时，水流由于阀门的阻碍，将会对阀门以及管壁产生较大压力，有一定破坏作用。理想水轮机和其调速器的等值模型如图3所示。水流时间常数Tw一般取值范围为1 s至3 s 而其调速器的时间常数Tr一般是水流时间常数的4倍。此因素和静态调差系数R对系统频率共同起到了调节作用，并结合暂态下降补偿风电场并入电网后，将其未对系统输送功率的风电机组视为恒功率模型。若系统中存在n3个风电场涉及到电网的频率调节，则将其等效成一台风电机，且其系统升高的有功功率是系统通过虚拟惯量控制所增加功率与系统通过下垂控制所增加功率的总和，其表达式为系数RT。
式中，ΔPmn3(t)为风电机组进行系统频率调节的等值有功功率增量；Hv为风电接入系统后的等值虚拟惯性时间常数；Kv为等值下垂系数，其等值模型如图4所示。
图3 系统水轮机等值模型
图4 风电机组进行系统频率调节的等值模型
2.4 系统频率调节等值模型
若电力系统出现故障或脱离了一部分大功率发电机组后，造成功率减少了ΔPa(t) 该过程阶跃响应，其系统频率响应等值模型如图5所示。其中，ΔPa(s)为系统有功功率变化量的拉普拉斯变换。
图5 系统频率调节等值模型
针对火电机组、水电机组和风电机组的频率调节性能分别进行评估，其计算公式为
式中，Km1、Km2以及Km3分别为火电机组、水电机组和风电机组的机械功率增益。
因此，系统的传递函数表达式为
式中，函数G1(s)、G2(s)、G3(s)以及G4(s)分别为发电机与负荷、水电机组、风电机组与火电机组进行系统频率响应的函数关系。由于系统的惯性响应对稳态频率不会造成影响，所以，在对系统频率响应展开评估时，仅需要衡量系统频率降低的起始初始阶段参数。当风电接入系统，并协助进行系统频率调节时，系统一旦脱离大功率发电机，其功率变化为
从而获得系统频率起始下降率为
从上式可以看出，系统频率起始下降率主要受到其有功功率的减少量与系统的惯性变化量两个因素的影响。其中，若有功功率的减少量越多、或系统的惯量越来越小，那么其系统频率起始下降率将会变大。
2.5 系统频率响应评估流程
根据上述各模块等值模型，提出风电并网的系统频率响应评估模型，从而实现对系统频率响应的高效评估。该系统频率响应的评估流程如图6所示。首先，明确系统频率响应的评估参数；其次，建立风电参与系统频率调节的评估模型；再次，对该模型进行案例分析从而验证其准确性和可靠性；最后，利用该模型获得系统的频率响应关系。
图6 系统频率响应评估步骤
3 系统频率响应仿真系统搭建系统频率响应仿真系统模型如图7所示，其是一个10台发电机且并有39回母线的系统。发电机均为同步发电机，且均是使用经典次暂态模型，并其容量设置为1 000 MW。
目前，我国以风电为新能源引入的代表性电源，因此，在仿真系统中，用风电机组依次替换火电机组的G1、G3、G4、G5以及G8 并且设计其风电渗透率分别是：4.19%、14.76%、23.35%、33.85%以及42.65%。当此5台火电机组被风电机组完全替换时，系统已经达到稳定运行的极限状态，一旦有新的干扰进入，系统将出现故障。因此，该情况能够模拟风电接入电力系统的状态。
通过设置风电通过不同的方式对系统频率进行的情况，对搭建的频率响应评估模型进行验证。主要设置了两种情况，分别为：风电只通过虚拟惯量控制对系统频率进行调节的情况，其风电渗透率是42.65%;风电只通过下垂控制对系统频率进行调节的情况，其风电渗透率也是42.65%。接着，通过时域仿真方式以及快速评估模型对出现故障或脱离了一部分大功率发电机组后的频率特性变化进行仿真分析，其结果如图8所示。
图7 系统仿真模型
图8 不同方式的系统频率响应
从图8中能够得到时域仿真模型计算结果与搭建的快速评估模型计算结果十分接近。由于通过系统的最低点频率以及稳态频率两个参数基本可以获取系统功率其他参数的变化，所以将两个模型的最低点频率和稳态频率进行对比分析，其结果如表1所列。从表1可知，其快速评估模型的计算结果精度很高。因此，用该模型对风电机组接入系统频率响应进行分析。
针对风电机组接入电力系统进行频率响应的特性进行研究。当接入正常运行5 s的时候，将1台大功率火电机组脱离电网，系统将立即产生有功功率降低。系统中的火电机组G1、G3、G4、G5以及G8依次用风电机组进行替换，若该风电机组不进行系统的频率响应，其风机转速以及有功功率分别如图9和图10所示。
图9 风电机组不进行频率响应时风机转速
图10 风电机组不进行频率响应时有功功率
图11 系统频率特性
由图9和图10可知，当风电机组未进行系统的频率响应时，风电机组的转速以及有功功率在系统频率突变时，都会出现短暂的震荡，但很快就恢复稳定，且功率在震荡前后其值基本一致。所以，在风力发电机不进行系统频率响应时，能够视为恒功率负荷，且对系统惯性响应的基本无提升效果。
由于风电机组接入电力系统后，将会系统频率产生一些影响，因此，针对不同的风电渗透率时系统频率特性展开研究。在风电渗透率为4.19%、14.76%、23.35%、33.85%以及42.65%下，系统正常运行5 s时，将1台大功率火电机组脱离电网，其稳态频率、最低点频率、过渡时间以及频率初始变化率如图11所示。
从图11中可以看出，由于风电渗透率的不断升高，若系统出现频率突然降低的情况，且风电机组未进行系统频率调节，则系统的稳态频率、最低点频率以及过渡时间均会出现下降，系统频率初始变化率则会有所升高，从而会影响系统的稳定。
若风电机组仅仅通过虚拟惯量控制的方式对系统频率进行调整，则能够有效降低系统频率初始变化率，并增大最低点频率以及稳态过渡时间，但是对稳态频率几乎没有作用。该方式与模拟传统火电机组惯性响应参与系统频率调整的情况一致。
若风电机组仅仅通过下垂控制的方式对系统频率进行调整，则有效增大最低点频率以及稳态频率，然而其对过渡时间以及频率初始变化率的作用效果并不显著。该方式与模拟传统火电机组一次调频参与系统频率调整的情况一致。
若风电机组通过虚拟惯量控制以及下垂控制两种方式相结合的方式对系统频率进行调整，则能够综合两个方法的优势，有效将频率初始变化率降低，并增大稳态频率、最低点频率以及过渡时间，大大保障了系统运行的稳定性。并且随着风电渗透率的增大，其作用效果也越为显著。
5 结 论本文通过建立风电机组对电力系统频率响应简化计算方法，对电力系统频率响应的主要参数进行研究分析，并求解了频率初始下降率、最低点频率、稳态频率和稳态过渡时间几个重要参数的计算过程。基于各参数特点，研究了不同风电渗透率下的系统频率响应，主要得到结论为：
(1)风电机组并网后，风电机组通过不同的方式对系统频率进行调整时，其作用的系统频率参数也不一样。
(2)通过虚拟惯量控制的方式主要针对系统频率初始变化率进行调整，而通过下垂控制的方式则是对防止最低点频率与稳态频率下降有显著效果。
(3)综合两种控制，则能有效降低频率初始变化率，并增大稳态频率、最低点频率以及过渡时间，保障系统运行稳定。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
