风电调频补偿水锤效应的频率特性分析_朱博.pdf

第51 卷 第2 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.2 2023年1月16日 Power System Protection and Control Jan.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220534 风电调频补偿水锤效应的频率特性分析 朱 博1，束洪春1，吴水军2，黄柯昊1，孙士云1，邓 涵1(1.昆明理工大学，云南 昆明 650051；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，云南 昆明 650217)摘要：水轮机在云南电网中占比很大，为了解决水轮机的水锤效应带来的功率反调现象，提出了一种考虑风电调频特性补偿水锤效应的分析方法。首先，建立了含风、水、网、荷的简单系统数学模型。其次，使用直流潮流法得到水轮机及其调频策略、风机及其调频策略所对应的代数微分方程和系统网络方程。并在此基础上进行线性化处理，推导出负荷扰动时水轮机和风机并网节点频率响应的频域解析式。根据解析式分析调频控制参数等对系统频率的影响。最后，通过以双机系统及实际电网的仿真分析对风机补偿水轮机水锤效应的有效性和可行性进行了验证。关键词：异步联网；风电调频；水锤效应；调频指标 Analysis of frequency characteristics of water hammer effect compensated by wind power frequency modulation ZHU Bo1,SHU Hongchun1,WU Shuijun2,HUANG Kehao1,SUN Shiyun1,DENG Han1(1.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650051,China;2.Yunnan Electric Power Test&Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Kunming 650217,China)Abstract:Water turbines account for a large proportion of energy in the Yunnan power grid.To solve the problem of power inversion caused by the water hammer effect of the turbine,this paper presents an analysis method of compensating the effect by considering the frequency modulation characteristics of wind power.First,a simple systematic mathematical model including wind,water,network and load is established.Then the algebraic differential and systematic network equations corresponding to the hydraulic turbine and its frequency modulation strategy,the wind turbine and its frequency modulation strategy are obtained by the direct current power flow method.Then linearization is carried out.The frequency domain analytical expression of the frequency response of the turbine and wind turbine grid connected nodes under load disturbance is derived.The influence of frequency modulation control parameters on the system frequency is analyzed according to an analytical formula.Finally,the validity and feasibility of the wind turbine compensating the water hammer effect of hydraulic turbine are verified by a simulation analysis of the two-machine system and the actual power grid.This work is supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China(No.52037003).Key words:asynchronous networking;wind power FM;water hammer effect;frequency modulation index 0 引言 随着能源枯竭和环境污染的日益严重，以风电为代表的可再生能源在电力系统中的接入比例越来越高，风电相比于光伏发电、潮汐发电、垃圾焚烧发电等来说，技术优势突出、发展潜力大，因此风电 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(52037003)；云南省重大专项资助(202002AF080001)受到的关注度持续升高，但由于风电功率波动性强、随机性强，传统调频资源的响应速度及爬坡速度难以应对，高渗透率风电波动会对系统频率产生不利影响，使得电力系统一次调频负担加重。故风电场参与一次调频对风电并网后的运行有重要意义1-3。为了减少新能源装机容量逐年增长对系统调频的危害，以及防止高周切机现象，需要新能源积极参与调频过程，以解决异步联网后网内故障点发生时刻开始 06 s 内调频容量不足的实际问题。-66-电力系统保护与控制 异步联网后作为送端系统的云南电网，其频率问题主要体现在当电力系统突然失去负荷或向非同步系统送电的直流输电通道突然发生闭锁时，系统的频率升高。此时传统同步发电机的一次调频功能将发挥作用，抑制系统频率的上升。若传统发电机的一次调频能力不足，系统频率的升高可能触发电网第三道防线动作，引起高周切机。水电机组存在的水锤效应4-5将导致水轮机参与调频的初期引起功率反调现象，造成电网频率升高问题。如何有效地挖掘高渗透率风电机组的一次调频能力，以补偿水锤效应带来的功率反调现象是亟需解决的实际问题。目前双馈风机已成为风电产业中应用最为广泛的主流机型。然而，双馈风机具有风能波动性、随机性和间歇性的特点，使电力系统的稳定性受到不可忽视的影响。文献6根据双馈风机的原理进行分析，以虚拟惯性控制提供短暂的频率支撑，下垂控制改善系统的稳态频率偏差。限功率运行下进行减载控制，留有部分功率备用，高风速下以桨距角控制风机出力，并整定了系统的调差系数，改善了系统的下垂控制特性，最后制定了适应变风速下的变系数控制方法。文献7提出基于惯量控制和下垂控制的变速型风机频率协调控制策略，并分析了在不同扰动条件下，不同惯性参数与下垂参数对孤立电力系统频率的影响。文献8针对双馈变速风电机组采用双脉宽调制变流器实现电磁转矩与机械转矩的解耦控制，可以实现对频率的响应控制，但该方法响应速度较慢。文献9从风电并网所带来的电能质量、经济性、负荷支撑、快速响应性等考虑，提出了高风电渗透率下风电机组参与系统频率调整的多时间尺度协调优化策略，该项策略表明双馈风机能有效地为系统提供惯性支撑且具备灵活、可控的静态频率响应特性。文献10针对异步联网运行后西南电网控制需求，构建了西南电网频率稳定防控体系，提出了直流频率控制器与一次调频、AGC 的协调配合策略以及多直流协调紧急功率调制措施。文献11提出了双馈风机的变速线性化模型，更好地结合现有的系统频率响应模型来研究电力系统频率的变化。文献12-13研究电网限负荷条件下风电机组参与系统一次频率调整，根据不同风况通过超速减载控制与桨距角相配合的控制方法，即改善双馈风电机组的调频特性也能有效减少弃风。目前针对风电和水电在调频方面互补配合的主要都是对风电水电联合运行研究机组组合经济性，文献14针对各发电机组的调频特性采用了不同的控制策略，使系统面对频率波动时调频范围更广、适用性更强。文献15为了最大化电力系统经济效益，计及抽水蓄能电站的启停费用和偏离计划出力的惩罚费用，建立了系统的优化调度模型。模型还考虑了抽水蓄能电站蓄水量、发电机组启停等约束条件从而使系统更能切合实际情况。文献16考虑了由风力发电机组和柴油发电机组组成的电网，提出了一种新的减少频率和功率偏差的排列方式。文献17基于风电水电能源的特性，构建了风电-水电联合发电模型，结果表明联合发电模型可以减弱风电波动性和水电的季节性对电力系统的影响。文献18对 3 个系统(加拿大魁北克系统、美国太平洋西北部地区 BPA 系统以及北欧 NNP 系统)的风电场和水电厂联合发电的运行状况进行分析与评估，结果显示风电-水电联合系统改善了电力系统的技术优势和经济优势。文献19-20针对云南地区的风能、水能以及气候、地理位置，提出利用风能、水能的互补性能较好地改善电力特性，提高送出线路的利用率，同时使得风电的消纳问题也得到了解决。文献21针对风电和水电的出力和调频特性以及水轮机的水锤效应，综合分析调频控制方法和系统旋转备用对系统频率动态和稳态特性的影响，提出一种感应水轮机导水叶变化并结合风电虚拟惯性控制、下垂控制的新的一次调频控制方法。为了衡量新能源参与一次调频起到的作用，需要恰当的评价指标。文献22-23借鉴水火电参与电网调频的考核指标，对风电场参与电网调频的功率指标参数做了归纳，并用指标对仿真结果做了评价，指标主要有一次调频死区、响应滞后时间、响应时间、调节时间和调频控制偏差等。文献24-25对风电场参与电网调频的频率指标参数做了详细研究，把一次调频分为了频率下降阶段，频率恢复阶段和频率稳定阶段。同时提出了 5 个衡量系统频率响应的指标：最低点频率、稳态频率、最低点频率响应、稳态频率响应、频率初始下降率。国内外学者在风电弥补水锤效应方面开展了大量的研究工作，其中一部分文献结合了异步联网系统送端电网的特有现状，采用风机参与一次调频来补偿水轮机组水锤效应，在一定程度上抑制了因为水锤效应引起的功率反调而导致的电网频率波动，这些文献主要从仿真分析的角度做了大量工作，而风电调频补偿水锤效应的频率特性解析推导以及较为全面的影响因素分析仍有待深入，本文将主要针对该部分内容展开研究工作。1 双馈风机并网点频率特性解析推导 首先建立含风、水两种电源和负荷的系统数学模型，借鉴文献26中提出的方法，使用直流潮流朱 博，等 风电调频补偿水锤效应的频率特性分析 -67-法形成一个含风机、水轮机和负荷电磁功率的网络潮流增量方程，在此基础上考虑水轮机典型的调速器传递函数和风机采用下垂调频控制策略，在频域下分别解析得到负荷变化时风机和水轮机并网节点频率响应的表达式。1.1 水轮机数学模型 忽略励磁及调节系统的影响，同步水轮发电机的经典二阶模型为 HHH0HHMGHddddiiiiiiiitMPPDt=-(1)式中：1,2,iN=，N 为发电机节点总数；Hi、Hi分别为第 i 台水轮发电机的转子角增量和转子角速度增量；iM、iD分别为第i台水轮发电机的转动惯量和阻尼系数；HMiP、HGiP分别为第i台水轮发电机的机械功率和电磁功率增量。水轮机调速器和原动机部分采用的模型如图 1所示。图 1 水轮机调速器和原动机模型 Fig.1 Model of water turbine governor and prime mover 图 1 中：R为调差系数；dT为软反馈时间常数；GT为调速器响应时间；