考虑系统频率稳定需求的风电机组调频参数评估_孙涵.pdf

第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1考虑系统频率稳定需求的风电机组调频参数评估孙涵1，郭钰锋1，王瑛玮1，徐维懋2，王镝2，王英旭2，葛超2(1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;2 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁沈阳110001)摘要:随着风电渗透率提高，电力系统将面临一次调频能力不足的问题，为降低风电大规模并网对系统频率安全的影响，风电机组通过主动控制方式参与系统一次调频，随着风电渗透率的逐步提高，频率响应模式和调频参数的设置将更加复杂。研究基于风电机组的综合惯性控制，结合传统电力系统刚性集结模型，得出考虑风电机组参与一次调频的系统频率响应模型，并推导系统频率安全指标评价公式，通过仿真验证其有效性，从而在满足风电机组高渗透率系统频率稳定的前提下，确定不同风电渗透率下的风电机组调频参数最小临界值，为实际工程中的参数整定提供依据。关键词:风电机组;一次调频;频率稳定;调频参数中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0047 05收稿日期2022 10 15修订稿日期2022 11 02基金项目:国家电网有限公司总部管理科技项目(5108 202299259A 1 0 ZB)作者简介:孙涵(1997 )，男，硕士研究生，从事风电机组参与系统调频，风电机组疲劳载荷等领域的研究。Evaluation of Frequency egulation Parameters of Wind Turbine ConsideringSystem Frequency Stability DemandSUN Han1，GUO Yu feng1，WANG Ying wei1，XU Wei mao2，WANG Di2，WANG Ying xu2，GE Chao2(1 School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2 The Technical and Economic Center of Economic and Technological esearch Institute，Liaoning Electric Power Co，Ltd，Shenyang 110001，China)Abstract:As the penetration rate of wind power increases，the power system would face the problem ofinsufficient primary frequency regulation capability In order to reduce the impact of large scale gridconnection of wind power on the system frequency stability，the wind turbine adopts an auxiliary frequen-cy response link to participate in the primary frequency regulation of the system With the gradual in-crease of wind power penetration，the setting of frequency response mode and frequency modulation pa-rameters would become more complicated esearch on integrated inertial control based on the wind tur-bine and combined with the traditional power system rigid build up model The system frequency re-sponse model considering the participation of wind turbines in primary frequency regulation is obtainedMoreover，the system frequency safety index evaluation formula is deduced The effectiveness of the sim-ulation is verified to determine the value range of the frequency regulation parameters of wind turbines un-der different wind power penetration rates on the premise of satisfying the frequency stability of the high penetration system of wind turbinesKey words:wind turbines;primary frequency regulation;frequency stability;frequency regulationparameters740引言随着风力发电快速发展，电力系统中传统的同步发电机逐渐被取代，电力系统惯性不断下降、安全稳定运行面临极大挑战1 3。在此背景下，最新发布的一些电网导则中已对风电机组参与系统一次调频做出明确要求4 5，随着风电渗透率的逐年增加，电力系统的稳定性面临更加严峻的考验，高渗透率下的风电机组频率响应模式和控制参数的整定决定着系统的控制稳定性，因此对其进行研究是非常必要的。为了降低风电大规模并网对系统频率稳定带来的影响，现有研究中风电机组参与一次调频的方式主要分为转子动能控制和功率减载控制两种方式6 9，转子动能主要包括虚拟惯性控制、下垂控制、综合惯性控制以及虚拟同步发电机技术，而减载控制主要包括变桨距角控制和超速控制10。其中采用超速备用和综合惯性结合的调频控制策略能够使风力机组具备长期调频能力11。随着风电为代表的可再生能源高渗透电力系统逐渐形成，传统的系统频率响应模型(TSF)无法准确的体现新型电力系统的频响特性12，文献 13 提出了一种将多机SF 模型聚合为单机模型的分析方法，能较为准确地反映电力系统动态研究中的频率响应，文献 14在 TSF 的基础上，提出考虑可再生能源渗透率的频率分析模型，分析了新能源渗透率与不同频率控制方式对电力系统频率特性的影响，文献 15在TSF 的基础上加入考虑风电机组调频的频率动态约束，并推导扰动后频率最低值的表达式，文献 16 分析风电机组不同调频参数对系统调频的影响机理，在考虑系统频率二次跌落的前提下根据一次调频综合评价指标确定参数的取值范围。综上所述，当前研究仅定性分析风力发电渗透率对系统频率的影响，很少有研究考虑系统调频需求对系统频率稳定性进行量化来对双馈感应式风电机组(下文简称风电机组)调频参数进行合理整定。本文基于风电机组综合惯性控制策略，针对 TSF模型建立计及风电机组参与一次调频的系统频率响应模型，进一步对调频评价指标公式进行推导，根据系统频率稳定需求从而确定风电机组调频参数取值范围，为实际工程中风电机组调频参数整定提供参考，具有重要的工程意义。1含风电机组调频的电力系统频率响应模型与分析1 1含风电机组调频的电力系统频率响应模型风力发电机组的调频能力主要取决于调频机组容量和控制策略，为研究高比例风电系统频率响应动态特性，本文对风电机组采用综合惯性控制策略，并基于风电机组备用容量充足的前提，结合传统的电力系统频率简化模型，可得风电高渗透系统频率响应模型如图 1。图 1含风电机组调频的系统频率响应模型图 1 中，fref和 f 分别为系统频率参考值和偏差(pu);a 为涡轮发电机的涡轮系数(pu);Ts为涡轮机的等效时间常数(s);为下垂系数(pu);D 为系统的阻尼系数(pu);KW为风电机组的静态调差系数(pu);Heq为系统总惯性时间常数(s);TW为风电机组调速器的时间常数(s);K1、K2分为火电机组和风电机组占比(pu)。PG、PW、PL分别为火电机组一次调频、风电一次调频和系统负荷扰动的有功功率变化量(pu)，其中频率与功率均采用标幺值，Heq=HcK1+KW22K2，KW=1KW1，Hc为火电机组总惯性时间常数(s)，KW1，KW2分别为风电机组综合惯性控制中一次调频系数和虚拟惯量(pu)，也是本文主要研究风电机组参与系统一次调频需要整定的控制参数。研究表明，Ts与 TW的大小在其允许范围内对系统频率影响很小，由此 Ts与 TW都可由相同的值 T替代14，则图 1 中闭环控制系统的开环传递函数H(s)可表达为H(s)=(G2(s)+G3(s)G1(s)1+(G2(s)+G3(s)G1(s)=2Heqs+KWK1+K2KWK1aT()s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqTs+KWK1+K22HeqKWT(1)则可得其特征方程参数如下2n=KWK1+K22HeqKWT22n=s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqT(2)式中n 固有角频率/rad s1;阻尼比/pu。84若只考虑除新能源外为火力发电，则 a 0，从而可得2n=KWK1+K22HeqKWT022n=s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqT0(3)根据劳斯判据可知，在不考虑外界扰动的情况下，风电渗透率 K2不会影响系统频率的稳定性，因此本研究的重点主要是风电机组调频参数取值。1 2风电机组参与一次调频系统的频率稳定性分析图 1 所示系统中功率扰动下的频率误差传递函数为f=P(1+sT)2HeqT(s2+2ns+2n)(4)其中n=D+12HeqT=2Heq+T(D+2)22HeqT(D+1)(5)其中 1=K1KSS+K2KW，2=K1KsS+K2KW系统一次调频的评价指标有 3 个:最大频率偏差 fmax、频率变化率 oCoF、稳态频率偏差 fst。则根据上式可分别推导出功率扰动下一次调频指评价标计算表达式如下式，分析 KW1，KW2参数设置对系统频率响应的影响。(1)基于频域的频率性能分析:根据传递函数与终值定理，系统频率响应稳态偏差如式(6)fst=f(t)|t=lims0s1sf(s)=PD+1(6)由上式分析稳态频率偏差主要与风电机组下垂控制参数 KW1成正比且与 KW2无关。系统一般要求负荷功率扰动 10%的情况下频率变化不超过0 5 Hz13，因此要求 fst满足fst=PD+10 01(pu)0 1(pu)(7)(2)基于时域的动态性能分析系统时域仿真动态频率的最大频率变化率oCoF 和最大偏移值 fmax是功率扰动后最关注的指标，需要在系统频率偏差 f(t)的时域表达式上进行进一步计算，因此，将式(4)进行拉普拉斯反变换可得f(t)=P2Heq2n+P2Heqre nt(8)=sin(rt)1nTsin(rt+)(9)其中:r=n1 2，=arctan1 2()将 t=0 代入式(8)可得系统扰动后频率变化率最大值为dfdt|max=dfdt|t=0=P2Heq1 nT()(10)系统最大频率变化率(oCoFmax)取决于 KW2和KW1的取值。本研究主要取扰动后最大不高于0 5 Hz/s作为标准，则扰动后系统最大频率变化率指标应满足以下约束条件dfdt|max=dfdt|t=0=P2Heq1 nT()0 010 1(pu/s)(11)对 f(t)求导，可在 df(t)/dt=0 处得到系统频率最低点fmax=P2Heq2n+P2Heqre