基于DDRTS 的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)功率波動(dòng)特性及電能質(zhì)量研究

殷志敏， 翁 潔， 翁時(shí)樂， 方 杰， 劉平平

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000）

0 引言

風(fēng)電自身具有間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性， 大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)會(huì)影響到電網(wǎng)安全穩(wěn)定、 調(diào)峰調(diào)頻、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等方面[1-3]。 受制于風(fēng)電出力波動(dòng)性較大和預(yù)測(cè)誤差精度過低以及電源規(guī)劃與電網(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)等問題， 棄風(fēng)問題日益嚴(yán)重[4-8]。 儲(chǔ)能系統(tǒng)可以靈活地對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行“吞”、 “吐”轉(zhuǎn)換[9-12]，從而可以有效平抑風(fēng)電波動(dòng)和補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差精度[13-14]， 改善風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和頻率波動(dòng)， 并提高風(fēng)電并網(wǎng)后的電能質(zhì)量[15-16]。

基于新疆某風(fēng)電場出力實(shí)證數(shù)據(jù)， 對(duì)比分析了單臺(tái)風(fēng)機(jī)與整個(gè)風(fēng)電場輸出功率特性， 論證了風(fēng)功率間歇性大、 隨機(jī)波動(dòng)性大、 棄風(fēng)量大、 電能質(zhì)量差， 但整個(gè)風(fēng)電場輸出功率具有自平滑特性。 不同時(shí)間尺度下進(jìn)行了風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)特性量化分析。 在DDRTS 軟件中構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)模型， 并對(duì)不同時(shí)間尺度下不同極限風(fēng)功率波動(dòng)情況下電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行了仿真分析。 結(jié)果表明， 構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)能夠有效平抑風(fēng)電波動(dòng)，降低風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生的影響。

1 風(fēng)電輸出特性分析

1.1 單臺(tái)風(fēng)機(jī)與風(fēng)電場輸出功率對(duì)比分析

新疆某風(fēng)電場與其中某單臺(tái)1.5 MW 風(fēng)電機(jī)組在某一天中的出力對(duì)比如圖1 所示。 受風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組排列方式、 風(fēng)速及尾流效應(yīng)等因素的影響， 在同一時(shí)間段內(nèi)， 風(fēng)電場最大波動(dòng)率比單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的最大波動(dòng)率減小了0.12 p.u.， 即風(fēng)電場較單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)具有“平滑效應(yīng)”，降低了12%波動(dòng)量。 為便于后續(xù)分析， 本文將著重對(duì)風(fēng)電場出力特性進(jìn)行分析。

圖1 單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場輸出功率

1.2 基于實(shí)證數(shù)據(jù)的多時(shí)間尺度風(fēng)功率間歇性與隨機(jī)波動(dòng)性特征分析

以新疆電力調(diào)度中心能量管理系統(tǒng)獲取的新疆某風(fēng)電場2015 年1 月1 日至12 月31 日全年實(shí)際有功出力和預(yù)測(cè)出力數(shù)據(jù)為樣本， 對(duì)該風(fēng)電場出力間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性進(jìn)行量化分析驗(yàn)證。

1.2.1 風(fēng)電出力特性——間歇性論證

截取部分時(shí)段的風(fēng)功率曲線如圖2 所示。 在摘錄的數(shù)據(jù)中， 從第410 個(gè)采樣點(diǎn)開始， 風(fēng)電出力為0 p.u.， 持續(xù)至第450 個(gè)采樣點(diǎn)， 從451 個(gè)采樣點(diǎn)開始， 風(fēng)電出力逐漸增加； 同樣從第700個(gè)采樣點(diǎn)開始， 風(fēng)電出力為0 p.u.， 持續(xù)至第705個(gè)采樣點(diǎn)， 之后風(fēng)電出力逐漸增加。 這表明風(fēng)電出力具有間歇性， 可達(dá)到6.83 h 左右。

1.2.2 風(fēng)電出力特性——隨機(jī)波動(dòng)性論證

圖2 風(fēng)電場出力特性——間歇性

在國網(wǎng)制定的《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》Q/GDW 392-2009[17]中明確說明， 風(fēng)電場10 min最大功率變化一般不超過裝機(jī)容量33%， 1 min最大功率變化一般不超過裝機(jī)容量10%， 具體推薦值見表1。

表1 風(fēng)電場最大功率變化率的推薦值

某風(fēng)電場連續(xù)4 天實(shí)際出力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示， 功率已轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值。 從圖3 可以看出，第55 個(gè)采樣點(diǎn)第一天的風(fēng)電出力為0 p.u.， 第二天為0.56 p.u.， 第三天為0.8 p.u.， 第四天為0.2 p.u.。 每一天的風(fēng)電出力幅值在0～1 之間波動(dòng)， 且毫無規(guī)律可言， 由上一時(shí)刻的風(fēng)電出力無法得知下一時(shí)刻風(fēng)電出力。 這表明風(fēng)電出力具有隨機(jī)波動(dòng)性， 連續(xù)四天同一時(shí)刻風(fēng)電出力量最小相差0， 最大相差達(dá)到80%， 各點(diǎn)波動(dòng)變化隨機(jī)， 無規(guī)律可循。

圖3 風(fēng)電場相鄰四天的出力情況

1.2.3 多時(shí)間尺度風(fēng)電輸出特性量化分析

以某風(fēng)電場2018 年1 月1 日至2018 年12月31 日的數(shù)據(jù)為樣本， 隨機(jī)截取部分采樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 該風(fēng)電場的裝機(jī)功率為148.5 MW。

該風(fēng)電場在1 min 內(nèi)波動(dòng)率情況如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 有很多采樣點(diǎn)已經(jīng)越限，最大波動(dòng)率達(dá)到了23.19%， 超過國網(wǎng)規(guī)定的2倍之多。 該風(fēng)電場在10 min 中內(nèi)波動(dòng)率情況如圖5 所示。 從圖5 可以看出， 隨著采樣點(diǎn)間隔時(shí)間的加大， 風(fēng)電場波動(dòng)率明顯加大， 最大波動(dòng)率高達(dá)79.19%， 已經(jīng)大大超出國網(wǎng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 風(fēng)電場10 min 出力波動(dòng)率

2 基于DDRTS 的區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建

2.1 區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建

區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、 電壓等級(jí)、 電源類型等各種因素緊密相關(guān)。 因此， 需要針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)， 分析風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓和頻率的影響。

以新疆某含風(fēng)電場（49.5 MW）的區(qū)域電網(wǎng)為例， 基于電壓和頻率約束， 通過比對(duì)國網(wǎng)規(guī)定的最大波動(dòng)值， 來研究不同時(shí)域下的功率波動(dòng)對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)的影響。 該風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 風(fēng)電場接入電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在DDRTS 中構(gòu)建的區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 在該地區(qū)電網(wǎng)中， bus1 為重要電源節(jié)點(diǎn)，bus13 為重要負(fù)荷母線， bus15 為風(fēng)電場的PCC（公共連接點(diǎn)）， bus24 為電網(wǎng)末端母線。 區(qū)域電網(wǎng)所能承受的功率波動(dòng)與該地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、 電源類型等各種因素相關(guān)。

圖7 DDRTS 構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

隨機(jī)狀態(tài)下噪聲風(fēng)速類型是造成有功功率波動(dòng)最為嚴(yán)重的情況。 因此， 以隨機(jī)狀態(tài)下的有功功率波動(dòng)為基準(zhǔn)， 選取風(fēng)電場PCC 作為研究對(duì)象， 同時(shí)監(jiān)控相關(guān)母線電壓波動(dòng)情況， 結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況與風(fēng)電場有功出力水平， 計(jì)算分析不同時(shí)域下區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.2 區(qū)域電網(wǎng)頻率電壓電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定運(yùn)行在某一規(guī)定范圍內(nèi)的能力。 《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（GB/T 15945-1995）中明確規(guī)定了電力系統(tǒng)正常頻率偏移量允許值為±0.2 Hz， 即4‰的頻率偏差。

電壓偏差是一種相對(duì)緩慢的穩(wěn)態(tài)電壓變化情況， 主要看重實(shí)際運(yùn)行電壓偏離額定電壓的量值，與偏差持續(xù)的時(shí)間長短無關(guān)， 見式（1）：

式中： δU 為電壓偏差； Ure為電壓實(shí)測(cè)值； UN為額定電壓。

《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（GB/Z 19963-2005）中規(guī)定風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的高壓側(cè)母線電壓正、負(fù)偏差量的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%，一般應(yīng)該控制在額定電壓的-3%～7%。

3 基于DDRTS 多時(shí)間尺度風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

3.1 多時(shí)間尺度電能質(zhì)量分析

（1）1 min 時(shí)間尺度下電能質(zhì)量分析

在確定的功率波動(dòng)值的基礎(chǔ)上， 在DDRTS中以連續(xù)潮流方式仿真該功率波動(dòng)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)頻率和電壓的影響。 1 min 時(shí)間尺度下， 國網(wǎng)規(guī)定的最大波動(dòng)量maxΔPk=49.5×0.1=4.95 MW。 最大波動(dòng)量分別為5 MW 和8.6 MW 時(shí)的風(fēng)功率曲線如圖8 所示。 由于時(shí)間尺度相對(duì)較短， 忽略其他元件對(duì)電網(wǎng)的影響。

圖8 不同極限波動(dòng)量下的風(fēng)功率

圖9 為bus15 處不同風(fēng)功率極限波動(dòng)量下電網(wǎng)頻率偏差。 當(dāng)風(fēng)功率最大波動(dòng)量為5 MW 時(shí)，最大頻率偏差為0.15 Hz（波動(dòng)率為10%）； 當(dāng)最大波動(dòng)量達(dá)到8.6 MW（波動(dòng)率為17.2%）時(shí)， 頻率偏差已達(dá)到電網(wǎng)容許的最大頻率偏差0.2 Hz； 當(dāng)最大波動(dòng)量為11.2 MW（波動(dòng)率為22.4%）， 頻率最大偏差已達(dá)到0.25 Hz。 隨著波動(dòng)量繼續(xù)增大，頻率偏差也越來越大， 當(dāng)波動(dòng)量超過8.6 MW 時(shí)已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)對(duì)頻率的要求。 隨著功率波動(dòng)的增大， 頻率波動(dòng)量也隨之升高， 頻率出現(xiàn)短時(shí)越限狀況， 對(duì)區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行不利。

圖9 bus15 處不同極限波動(dòng)量下電網(wǎng)頻率偏差

圖10 為5 MW 和8.6 MW 時(shí)不同母線上的電壓偏差。 相較于頻率， 體現(xiàn)在電壓上的影響相對(duì)較小， 電壓波動(dòng)均滿足要求。 國網(wǎng)推薦的有功功率波動(dòng)值下的頻率、 電壓波動(dòng)情況均在頻率電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。 該地區(qū)bus15 母線處能容忍的風(fēng)電功率波動(dòng)極限值為8.6 MW， 約為裝機(jī)容量的17.2%， 大于1 min 時(shí)間尺度下國網(wǎng)規(guī)定的最大有功功率波動(dòng)值， 說明該節(jié)點(diǎn)母線處能容忍大于規(guī)定推薦值的功率變化。

圖10 相關(guān)母線電壓偏差

（2）10 min 時(shí)間尺度下電能質(zhì)量分析

10 min 波動(dòng)極限值計(jì)算與1 min 波動(dòng)極限值計(jì)算方法相同， 通過仿真計(jì)算出了10 min 尺度下bus15 母線處不同風(fēng)電功率波動(dòng)極限值下， 區(qū)域電網(wǎng)頻率偏差和電壓偏差百分比， 見表2。

表2 10 min 時(shí)間尺度下不同波動(dòng)極限值下的電壓和頻率偏差

從表中可以看出， 當(dāng)風(fēng)功率波動(dòng)極限值為16.5 MW（國網(wǎng)在10 min 時(shí)間尺度下的推薦限值為33%裝機(jī)容量）時(shí)， 頻率偏差為0.16 Hz； 當(dāng)風(fēng)功率波動(dòng)極限值為21.6 MW 時(shí)， 頻率偏差已經(jīng)達(dá)到電網(wǎng)容許的最大頻率偏差0.2 Hz。 隨著風(fēng)功率極限值的繼續(xù)增大， 頻率偏差也不斷加大。 當(dāng)風(fēng)功率波動(dòng)極限值大于21.6 MW 時(shí)， 已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)對(duì)頻率的要求。 相較于頻率， 體現(xiàn)在電壓上的影響相對(duì)較小， 電壓波動(dòng)均能滿足要求。 該地區(qū)bus15 母線處能容忍的風(fēng)電功率10 min 的波動(dòng)極限值為21.6 MW， 約為裝機(jī)容量的43.2%， 大于國網(wǎng)規(guī)定中有功功率變化推薦限值， 說明該節(jié)點(diǎn)母線處能容忍大于規(guī)定推薦值的功率變化。

3.2 含風(fēng)儲(chǔ)區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

從圖9 和圖10 可知， 當(dāng)接入最大波動(dòng)量為5 MW 風(fēng)功率時(shí)， 最大頻率偏差為0.15 Hz（波動(dòng)率為10%）， 電壓波動(dòng)很小。 從圖11 和圖12 中可以發(fā)現(xiàn)： 接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后， 由于儲(chǔ)能的充放電有效平抑了風(fēng)功率的波動(dòng)， PCC 的頻率和電壓波動(dòng)較未接入儲(chǔ)能前均有所降低， 風(fēng)儲(chǔ)功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行影響較小。

圖11 接入儲(chǔ)能前后PCC 頻率變化

圖12 接入儲(chǔ)能前后PCC 電壓波動(dòng)情況

將風(fēng)儲(chǔ)接入電網(wǎng)同一母線上后， 對(duì)風(fēng)儲(chǔ)送出線路進(jìn)行短路計(jì)算仿真， 研究其暫態(tài)穩(wěn)定特性。仿真故障最嚴(yán)重的瞬時(shí)三相短路故障， 故障點(diǎn)為風(fēng)儲(chǔ)送出線路， 持續(xù)時(shí)間為0.05 s。 風(fēng)光儲(chǔ)PCC處功率及電壓變化情況分別如圖13 和圖14 所示。

圖13 接入儲(chǔ)能前后PCC 頻率變化

根據(jù)圖13 和圖14 的仿真結(jié)果， 在風(fēng)功率波動(dòng)情況下， 當(dāng)送出線路發(fā)生三相短路瞬時(shí)性故障時(shí)， 如含有儲(chǔ)能出力， 則PCC 頻率、 電壓波動(dòng)較小， 系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖14 接入儲(chǔ)能前后PCC 電壓波動(dòng)情況

根據(jù)以上仿真結(jié)果， 接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后的風(fēng)儲(chǔ)輸出功率， 對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響較小， 降低了風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的不利影響， 且安全穩(wěn)定校驗(yàn)合格， 能夠在區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)中安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

基于新疆實(shí)證數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果， 對(duì)比分析了單臺(tái)風(fēng)機(jī)與整個(gè)風(fēng)電場輸出功率特性， 論證了風(fēng)功率間歇性， 最長可達(dá)6.83 h 無風(fēng)功率； 風(fēng)功率隨機(jī)波動(dòng)性大， 10 min 時(shí)間尺度下， 最大波動(dòng)率可達(dá)80%； 風(fēng)電并網(wǎng)后電能質(zhì)量較差， 在波動(dòng)率為22.4%時(shí)， 頻率偏差最大可達(dá)0.25 Hz； 但整個(gè)風(fēng)電場輸出功率具有自平滑特性， 波動(dòng)量降低了12%。 在不同時(shí)間尺度下對(duì)風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)特性做了量化分析， 部分時(shí)間段的波動(dòng)幅值已遠(yuǎn)超國網(wǎng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。 在DDRTS 軟件中構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)模型， 并對(duì)不同時(shí)間尺度下、 不同極限風(fēng)功率波動(dòng)量情況下的電能質(zhì)量進(jìn)行了仿真分析。 結(jié)果表明， 構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)能夠有效平抑風(fēng)電出力波動(dòng)， 降低風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生的影響。