大規模風電并網對系統頻率的影響分析

任振宇1，張師，周立新

(1.內蒙古電力集團有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000 ；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

1 引言

近年來，中國的嚴重霧霾所導致的環境污染引發了社會的普遍高度重視[1]。高效利用可再生能源發電，減少煤炭能源發電，是緩解環境問題的有效措施。預計在2030年我國可再生能源的用電率達到30%以上[2]。目前，風力發電作為技術最成熟的可再生能源發電形式，每年的新增裝機容量正在迅猛增長。

隨著風電并網容量的增加，風電功率的波動給電力系統頻率穩定控制也帶來了更多的挑戰，因此，大規模風電并網對系統的頻率影響是一項值得深入研究的課題[3-5]。

目前，風電并網對系統頻率的影響研究已經取得一些成果，文獻[6]基于實測數據研究了風電功率波動規律與風電功率波動對電網頻率的影響；文獻[7]研究了風電功率波動對電網頻率動態過程的影響及風電機組參與調頻的可行性；文獻[8]基于功率濾波算法研究了風電功率波動對系統頻率動態特性的影響。

基于以上研究，本文首先對風電機組建模，再分析風電功率波動對電力系統各臺同步發電機頻率動態行為的影響，最后，采用Matlab工具箱PSAT仿真驗證本文結論有效性。

2 風電機組模型

本文將采用PSAT仿真分析，因此在風電機組建模部分采用PSAT中的雙饋風力發電機(Double Fed Induction Generator，DFIG)的模型。DFIG的原動機模型如下：

(1)

式中：θp是槳距角，DFIG的原動機槳距角是可調的，通過調節槳距角可以實現轉子轉速調節和最有風功率捕獲。

DFIG的發電機為繞線式異步電機，因此適合采用5階模型分析，可以表示如下：

uds=-rSids+((xS+xm)iqs+xmiqr)

(2)

uqs=-rSiqs-((xS+xm)ids+xmidr)

(3)

udr=-rRidr+(1-ωm)((xR+xm)iqr+xmiqs)

(4)

uqr=-rRiqr-(1-ωm)((xR+xm)idr+xmids)

(5)

P=udsids+uqsiqs+udcidc+uqciqc

(6)

Q=uqsids-udsiqs+uqcidc-udciqc

(7)

(8)

(9)

式中：xS為定子電抗；xR是轉子電抗；

xm是激磁電抗；ωS是定子側頻率；ωr是轉子側頻率；ωc是電網頻率。

DFIG輸出的功率為要考慮定子側功率和轉子側的功率。

DFIG的控制模型主要包括轉子控制、電壓控制、槳距角控制三個部分。

3 風電功率波動對系統頻率的影響

系統中各臺同步發電機的轉子運動方程可以表示為：

(10)

式中：ωi為第i臺同步發電機的轉速；Tji為第i臺同步發電機的慣性時間常數；PMi為第i臺同步發電機的機械功率；PEi為第i臺同步發電機的電磁功率。

當風電功率波動時，會影響各臺同步發電機的電磁功率，從而造成各臺發電機的轉速發生變化，從而影響各臺發電機的機端的頻率。

設風電機組機端電壓為Uwind，傳統同步發電機的機端電壓Usyn，風電機組和同步發電機間的等值電抗為Xwind-syn，電壓相角差為δwind-syn；同步發電機與風電機組之間的傳輸功率可以表示為：

(11)

當風電功率發生波動時，會使風電機組的機端電壓相角δwind發生波動，從而改變δwind-syn，根據公式(11)，會改變風電機組與同步發電機間的傳輸功率，從而改變同步發電機的電磁功率PEi。傳輸功率的波動大小與Xwind-syn成反比，當風電機組和同步發電機的機端電壓一定時，Xwind-syn越大，同步發電機的電磁功率波動越小，轉速變化越小，從而頻率波動越小。

從以上分析可以看出，當風電功率發生波動，會使同步發電機的電磁功率也隨之發生波動，當同步發電機距離風電機組越遠，所受影響越小。此外，當同步發電機慣性較小時，頻率也會受到較大影響。

4 算例分析

采用WSCC3機9節點系統算例，分析風電并網對系統頻率的影響，PSAT的仿真算例如圖1所示，網絡額定電壓230kV，額定頻率60Hz，各臺同步發電機采用經典二階模型。

圖1 DFIG接入WSCC3機9節點系統

圖1中DFIG接入位置為bus9，在bus1、bus2、bus3分別接入了頻率監測模塊，設置DFIG為100臺1MW的機組通過35kV箱變接入升壓變壓器，升至230kV電壓等級接入電網。

風速模型采用合成風力模型，本文只采用其中的初始風速和隨機風速兩部分，風速設置如圖2所示。

設置仿真時間20s，采用變步長積分，風速如圖3所示，圖4為bus1、bus2、bus3母線頻率。

從圖4可以看出，bus3的頻率波動較大，這是由于bus9距離bus3最近，因此bus3的頻率受擾較嚴重。此外，bus3所連的同步發電機慣性時間常數最低。為驗證各臺發電機慣性對頻率波動的影響，將DFIG接入bus4，風速模型仍然采用合成風力模型，隨機風速如圖5所示。

圖2 PSAT中的風速模塊

圖3 風速波動

圖4 bus1、bus2和bus3母線頻率

圖5 風速波動

該風速擾動下，各母線的頻率波動如圖6所示。

圖6 bus1、bus2和bus3母線頻率

從圖6可以看出，bus1、bus2和bus3母線的頻率波動情況相差不多，盡管風電接入的位置距離bus1較近，但由于bus1所接的同步的發電機的慣性較大，因此bus1頻率波動與其他節點頻率波動情況相差不多。

5 結論

本文分析了大規模風電并網對系統頻率的影響，通過分析可以得出以下結論：

由于系統各位置的發電機慣性不同，功率波動也不同，因此使得電力系統的頻率也不同。

風電接入位置對系統頻率動態過程有較大影響，在風速波動時，距離風電越近的節點，頻率受擾越嚴重。

發電機慣性對頻率也有較大影響，慣性越大，對風功率波動的抗擾能力越強，頻率波動越小。