風電并網系統頻率響應分析及控制策略研究

黃新燕

摘 要：在經濟社會不斷發展的今天，生產生活對電網容量的需求越來越大。想要達到電力系統的穩定，其中一個重要因素就是電力系統頻率穩定。頻率在電力系統運行中占據重要地位，了解發電與負荷的平衡情況需要看頻率數值。但是隨著近年來供電系統的復雜性提高，新設備并網特別是風電并網等情況的發生，增加了供電系統的不穩定性，可能引起頻率失常，威脅供電系統安全。文章通過研究風電并網系統頻率的響應，分析研究如何解決風電并網系統頻率響應問題。

關鍵詞：風電并網;系統;頻率;分析控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.040

近年來，隨著風電并網系統數量不斷增加，參與系統中頻率控制將是供電系統的發展趨勢。與傳統的發電系統不同，風電并網系統受到風速的影響，具有一定的不穩定性，傳統的供電系統參數值并不適合風電并網系統的頻率控制。文章通過研究風電并網系統頻率，對風電并網系統頻率響應發生變化時的特點，根據風電并網系統不穩定性和時刻變化的頻率響應，改善風電并網系統頻率調整的可靠性，進一步探討風電并網系統頻率波動。

1 研究風電并網系統頻率響應的意義

1.1 研究的背景

頻率最直接體現了電力系統中有功出力和負荷的需求直接平衡狀態。隨著電力系統研究的不斷發展和技術的開發，電力新能源技術越來越發達和完善，作為目前最經濟和完善的風力發電技術，對新能源的開發具有重要的作用。

電力系統新能源中研究再生能源技術可以不斷加大風電并網容量，隨著容量的加大，風電滲透率也會隨之提高。但是，對于風電并網系統的運用中產生的不確定性會對電力系統中的頻率帶來一定影響和挑戰。一旦風電并網規模不斷擴大，在發電中產生的波動出力會影響電力系統中有功輸出和負荷的平衡，有功輸出減少會導致電網中頻率的下降。因此，在新能源開發中，風電并網系統的頻率響應引起技術人員的關注。

1.2 研究的意義

傳統的應用電網中，為保證電力系統中頻率的穩定和可靠性，通常對有功保留出來備用的保障電網的正常使用，確保電力系統在運行中出現有功缺額時候，通過解放備用的有功，迅速增加有功的供給需求。但是當大規模的風電并網系統接入，增加了電力系統運行的不確定性和超出的控制性，而在變頻器控制整體風電機組時可以與系統中頻率產生解耦控制，風電并網系統無法與傳統的供電系統進行頻率的同步控制。由于大規模風電并網的接入會減弱電力系統頻率的調節能力，從而對電力系統中的頻率穩定可靠運行產生了不利因素。因此，傳統的有功備用模式無法滿足整個電力系統的需求。隨著并網不斷加大，容量不斷增加，大規模的風電并網已經成為電力供給的首選，如何讓并網系統可以參與系統頻率調節成為研究的重要目的。

對風電并網系統的研究，目前大多傾向于風電功率變化和預測或風電并網對電壓、功率等影響，這些都是較傳統的、普及面較廣的研究，我國對于風電并網系統頻率的課題還比較少。但是，隨著風電并網數量不斷增多，研究人員逐漸認識到，頻率的穩定性對風電并網系統的影響較大，在并網系統中對于風電參與頻率中的控制要求越來越高，因此，在風電并網的研究中頻率的響應對風電并網具有重要的意義[1]。

2 風電并網頻率研究現狀

頻率是供電系統的主要指標之一，是供電系統中控制參數的一項數據，與供電系統安全和效率的聯系密不可分，由于地域不同，供電系統中對頻率參考值的規定也不同。我國對頻率的規定是50 Hz±0.2 Hz，根據供電系統的嚴格規定，頻率的偏差不能太大，否則會對供電系統運行產生負荷等不良影響，對供電系統本身也有較大影響。頻率一旦降低，會影響電動機轉速，轉速降低會減少機械出能，從而導致頻率繼續下降，變成惡性循環。一旦頻率在短時間內突然大幅下降，就會造成停電現象，甚至整個供電系統都會出現問題。

在初期風電系統并網中，為確保系統的正常運行，頻率的上下幅度超出一定范圍時，風電與電網會斷開。但實際情況下這種現象會加劇頻率下降，導致供電系統中的頻率無法在短時間內恢復。因此，各國對于風電場運行頻率范圍提出了相應的規范和要求，如圖1所示，在不同的頻率下，風電場運行范圍值有所不同[2]。

在研究風電并網系統頻率響應時，要綜合考慮各個方面的影響，電網系統的影響與風電功率波動有關，因此，要從功率波動引起風電并網頻率情況入手。在風電上網在電網中占一定比例時，風電功率對系統頻的影響較小，但是一旦出現電路故障或發電機故障，會對電網系統頻率產生大幅影響。出現短路時，會導致并網系統脫網，使風電場造成損失，當風電并網產生風速較大波動時也會對頻率造成影響，而風電系統容量變大時有利于頻率的穩定性。

在風電并網系統頻率響應時，從電網系統頻率大幅降低，系統中慣量會對頻率產生作用，慣量變得越低，系統頻率也相應變得越低。風電系統并網中容量如果不斷增加，電機組會替代整個風電系統中的常規發電機組，如果風電機組不能提供慣量的回應，就會降低整個系統中的有效慣量。當比重增加時，供電系統慣量對整個電力系統的不利影響也會越來越大，對電網的相對穩定性產生不利影響[3]。

3 風電并網系統頻率響應控制

隨著風電系統并網規模的不斷擴大，并網容量不斷增加，風電并網對電力系統的影響也在增加。為確保在風電系統發電上的平穩發展，保障風電系統的科學合理化運用，要對整個風電并網系統建立完善的制度標準，實現風電并網的規范化。隨著并網系統建立的規范化實行，傳統的供電系統已經無法滿足社會經濟發展的需求，隨著用電需求越來越大，新系統對于風電場的要求也越來越高，因此，要提高對電力系統頻率穩定性的要求。

3.1 風力發電機組的控制

傳統發電機組系統中的頻率與輸出的功率緊密相連，當功率出現一定波動時，會導致系統中頻率降低，發電機組中的有功出力就會增加。通過不斷研究發現，風電機組中有功出力與頻率之間的變化緊密相連。但是，風電機組還與外部環境中的風速有關，風電機組會因為轉速下降導致頻率下降。

風力發電機組由風輪機、發電機兩大部分構成。其中，風輪機主要通過葉片、輪轂、聯軸器等部件組成：葉片主要將風能轉換并運用在輪轂上從而進行機械轉矩;輪轂連接著葉片和聯軸器;聯軸器作為整個發電機組的傳動裝置傳遞風輪機和發電機兩者間的轉矩。

風力發電機組主要分為雙饋感應電機、永磁同步電機等。風力發電機組想要運行平穩的發電功率是受到了電場中內部風速的作用，但是由于內部風速受到外界的影響具有較高的隨機性，導致電場內部風機整體具有復雜性，這種情況致使風力發電機組的出力具有不穩定性和不可靠性，無法及時控制其出力情況。

3.2 風電場的控制

在大規模風電并網系統的運行中，為保障整個電力系統運行的平穩性，利用傳統的同步發電機組與風電并網系統同等容量的旋轉備用運行，這種情況會造成電力資源浪費。在風電場儲能系統中具有高效快速的響應速度和能量轉換速度，可以改善風電并網系統配置中儲能系統的功率波動，提高供電的穩定性和系統的安全性。

由于風電場中風電機組受到容量限制，因此一個風電場由多個風電機組組成。在考慮頻率控制時，從風電場角度出發，主要關注各個風電機組之間的協調性與控制性，每個風電機組之間的元件控制問題。當供電系統的負荷變增大時，總頻率會隨著供電系統和負荷增大而降低，此時，一旦風電場參與頻率調整，要考慮到各個風電機組之間的運行情況調整頻率。根據當時的風速與風電機組轉速之間的聯系，導出風電機組當時的參數計算并按比例調整，維持風電機組之間各個機組的功率協調性。

4 風電并網系統頻率響應分析及控制策略

風電場并網中的頻率響應是否穩定，是整個電力系統運行的重要指標之一。一旦頻率出現問題，會影響整個電力系統運行，導致發電機組產生事故，要通過研究頻率響應中的分析方法、電并網中系統頻率控制能力等一系列問題，保證風電并網系統頻率響應的穩定性[4]。

傳統的風電場中的調頻系統主要通過電網中的水電機組和燃氣機組等電源供給運行。這種方式導致當電力系統中的發電有用功率和負荷發生平衡變化時，電力系統的頻率也會隨之變化，而傳統的發電機組要通過釋放機組中的旋轉慣量中的動能為電力系統的頻率提供響應。由于電源是通過旋轉慣性的器件構成，在響應中頻率的速度受到發坡率的影響，對整體調頻控制存在著延遲和數值的偏差。

文章對風電并網系統中頻率穩定性運行提出了一種評估方法，這種評估方法是基于神經網絡算法的頻率中的偏移。運用彈性反向傳播算法如圖2所示，點的速度越快，收斂的曲線就會越平穩，從而運算出仿真程序，在IEEE—30系統中進行實驗得出此方法。這個方法可以用于不同的風電場構造，反映在不同風電場出現的頻率變化規則。在運行后，可以預判風電場并網后系統中頻率響應出現的波動，為系統提供頻率依據和參考參數。

在風電并網大規模的實施下，很難有確定的新網風電場頻率響應，根據并網系統運行中產生的特性，通過利用推理系統計算的方法掌握風電并網中風電場的頻率響應。例如，可以采用模糊邏輯系統推理方法，通過計算頻率響應模型中的有功和頻率實時動態，根據相應的數據產生變量，從而評估出風電場頻率響應的特性。經過研究可以發現，此方法可以反映風電場在運行狀態下不同的情況產生的頻率響應的特點。模糊邏輯系統推理的方法對于風電并網系統中頻率響應和頻率穩定性具有重要的指導意義。

風電系統發展中風電并網容量不斷加大，研究風電并網系統中頻率的響應是必然趨勢。在整體的風電機組中，頻率調頻力與當時風速也有一定關系，由于風速的不穩定性會導致頻率出現波動性，因此，可以根據發電機組出力模型，提出在風速變化的情況下模擬風電場控制變化的情況。通過隨機變量的特性進行概率函數運算，對IEEE—14系統算，可以看出，研究模型在系統中概率的隨機變化特性，風電場的調頻能力隨著風速出力的影響，驗證研究中概率模型的準確性，為風電場的系統頻率控制提供依據[5]。

5 風電并網系統的展望

在風電并網系統中可以說頻率穩定性是對整個系統的重要支持和保障，當電力系統中的頻率出現問題的時候會影響整個電力系統設備的運行，甚至會導致風電發電機組的切出和系統頻率崩潰的嚴重問題。隨著風電并網系統的應用的擴大，并網規模的增加，導致并網容量也在不斷增加，風電出力就會出現較大的隨機波動性，這種隨機波動對風電并網系統的正常運行有著重大影響，在我國目前對風電并網系統隨機波動性的研究相對比較少。因此，在未來風電并網系統發展中，對深入了解風電并網系統中頻率的特征和技術方法、參數控制等都要進行大量研究和分析。

風電并網系統穩定性的研究隨著并網容量的不斷增加具有重要影響，因此，風電場與風電并網系統的頻率控制研究是未來發展的必然走向。在風電系統中風電機組的調頻能力大小與內部風速緊密聯系，傳統的同步電機組的控制已經無法使用風電機組頻率的控制。風電并網發電運行需要實現利用大規模風能運行，在發展中單機容量為兆瓦（MW）級大型風電機組得到了廣泛應用。為提高風電輸送功能的可靠安全性，風電場通過高壓電接入到電網中，采用串聯方式補償對功率的缺失。

隨著風電場風電機容量的增加，高壓電等級的不斷提高，電網受到風力的影響范圍也會越來越大，兩者間的相互作用更加明顯。風力并網的大規模接入為整個電力系統的穩定性運行提出了挑戰，也是未來提高風電并網系統頻率控制的嚴峻挑戰。因此，在未來風電系統的發展中，提高電網系統頻率的穩定性和可靠性將成為重要的研究方向。

6 結語

綜上所述，通過彈性反向算法、模糊邏輯系統推理算法等系列實驗證明，風電并網系統中頻率響應的穩定性與電力系統有著極大的關系，頻率響應具有穩定性，才能參與風電場中風電并網。隨著風電并網容量的需求增大，并網系統研究將會成為電力部門的一大發展趨勢，將風電并網系統與頻率控制研究成果更好地利用在電力系統中，提高電網的可靠性，更好地服務社會經濟和產業發展。

參考文獻

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