風電對電力系統有功/頻率的影響及仿真分析

摘 要：文章分析了風能的特點和電力系統有功/頻率調節的特點，建立了含風電的電力系統有功/頻率模型，在此基礎上仿真分析了風電的波動性和間歇性對電力系統有功/頻率的影響。

關鍵詞：風能；電力系統；影響

引言

本文分析了風能的特點和電力系統有功/頻率調節的特點，建立了含風電的電力系統有功/頻率模型，在此基礎上仿真分析了風電的波動性和間歇性對電力系統有功/頻率的影響。

1 風能的特點

風速是時刻變化的，因此風力發電機所吸收的風能也是時刻變化的。風力機轉化風能的最大理論效率不到60%，而且轉化的風能大小仍然取決于風速的大小。

2 電力系統有功/頻率調節

電力系統頻率波動的直接原因是發電機輸入功率和負荷之間的不平衡。當發電機的電磁功率和原動機的功率不相等時，發電機的轉速就會發生變化，從而引起電力系統頻率的變化。原動機功率PT主要取決于本臺發電機的原動機和調速器的特性，是可以在一定范圍內控制的；而發電機電磁功率Pe取決于電力系統的負荷特性、以及其它電源的運行工況，是不可隨意控制的。

而風電由于其輸出功率的間歇性和隨機性，將會嚴重影響系統的功率平衡，當風電的比重在系統中占到一定比例時，風電引起的功率不平衡將會嚴重影響系統的頻率狀況，有可能使其超出允許的范圍。

3 風電的波動性對電力系統有功/頻率的影響仿真

3.1 風電機組有功輸出模型

由于風能與風速的立方成正比，因此風力發電機組的輸出功率是一個與風速有關的隨機變量，當風速高于切出風速或者低于切入風速時，風力發電機組的輸出功率為0，在忽略影響風力發電機組輸出功率的非線性因素后，風力發電機組的發電功率與風速間的關系曲線如圖1所示。

圖1 風電機組輸出功率與風速的特性曲線

風速不超過額定風速時，風力發電機的輸出功率隨著風速的變化而變化；當風速達到額定風速時，變槳距控制發揮作用，使風力發電機的輸出功率維持在額定功率附近。

3.2 含風電的電力系統有功/頻率模型

含風電的電力系統有功/頻率模型如圖2所示，由于風電出力的不可預測，在模型中我們把風電作為負的負荷處理。

圖2 含風電的電力系統有功/頻率模型

3.3 仿真分析

為了研究風電的波動性對電力系統有功/頻率的影響，在MATLAB/SIMULINK中進行了仿真，系統容量為3000MW，風電額定容量400MW采用定頻率控制（FFC）方式，為研究方便，假設系統負荷不變。由于系統負荷以及風電場功率變化不大，系統有功功率基本保持平衡，因此系統的頻率變化很小。

某一時段內風電場風速變化，風電場的功率隨之發生變化，引起系統功率不平衡，從而引起系統頻率變化。圖3為這種情況下的系統頻率狀況，從圖中可以看出，風電場風力變化確實在一定程度上引起了系統頻率的波動。

圖3風電的波動引起的系統頻率變化

由于風能的間歇性，風電場會在風速達不到要求時切出系統，風電場的切出使系統頻率快速下降，但由于系統AGC的作用，風電場切出帶來的系統功率差額逐漸得到彌補，系統頻率逐漸恢復。

若風電切出時系統AGC容量不足，則系統的頻率變化量如圖4所示，從圖中可以看出AGC容量不足使系統無法彌補風電切出時的功率差額，導致頻率下降到較低水平，不利于電力系統運行。

圖4 風電切出而AGC容量不足時系統頻率變化量

由此可見，對于風電接入比例較大的地區，系統的調頻功能對抑制風電接入引起的頻率波動起著重要的作用，因此對于這些地區，必須有足夠的AGC容量來防止風電波動甚至切出而帶來的頻率波動。

4 結束語

本文為研究風電功率的波動性對系統有功、頻率的影響，分析了電力系統頻率變化的原因，最后在MATLAB/SIMULINK中建立了風速模型、含風電的電力系統有功/頻率模型，在此基礎上仿真分析了風電出力的波動性對系統有功/頻率的影響。仿真結果表明，風電在系統中占的比例較大時，其出力的波動性將會影響電力系統有功平衡，從而引起頻率的波動，當系統可調的有功功率不足時，將會使頻率長時間超出允許范圍，不利于電力系統安全穩定運行。

參考文獻

[1]趙群，王永泉，李輝.風力發電現狀與發展趨勢[J].機電工程，2006，23（12）：16-18.

[2]唐煉.世界能源供需現狀與發展趨勢[J].國際石油經濟，2005，13（1）：30-33.

[3]李亞西，武鑫，趙斌.世界風力發電現狀及發展趨勢[J].太陽能，2004，15（1）：6-7.

[4]劉欣正.全球化背景下的能源安全形勢及戰略選擇[EB/OL].http：//news.cnfol.com.

[5]劉朋光，崔健生.我國風力發電的現狀和前景[J].林業科技報，2008，40（3）：98-99.

作者簡介：喬登斌，男，山東省濟南市，研究方向：電氣工程與自動化。