新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析

1、新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析摘要：隨著發(fā)電能源結構的清潔低碳化，預計2035年，我國新能源裝機容量將 超過火電，成為第一大電源。新能源在發(fā)電結構中比重的迅速上升，不僅給電力 系統(tǒng)的頻率特性帶來重大影響，也在電力電子和電力系統(tǒng)領域引發(fā)不同關注點。關鍵詞：新能源；高滲透率；頻率特性；穩(wěn)態(tài)頻率誤差；動態(tài)頻率響應系數(shù)；頻率控制引言現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)結構復雜化、組成成分豐富化、調節(jié)手段多樣化使得電力系統(tǒng)頻 率特性日益復雜，主要體現(xiàn)在：（1）隨著電網(wǎng)覆蓋的地域更加廣闊，大型互聯(lián)同步電網(wǎng)地 理分布和網(wǎng)絡聯(lián)結的不均勻性、機組及其控制器的參數(shù)差異性、各地區(qū)負荷水平不均勻性等 因素導致電力系統(tǒng)頻率特性具有

2、明顯的時空分布特性；（2）西電東輸?shù)陌l(fā)展促進了遠距離、 大容量輸電的發(fā)展，單元輸電線路的大潮流化會降低線路事故時系統(tǒng)發(fā)受兩端的頻率穩(wěn)定性；（3）以新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)、柔性高壓直流輸電、新式負荷和微電網(wǎng)為代表的“源-網(wǎng)-荷” 全環(huán)節(jié)的規(guī)?；捎秒娏﹄娮幼儞Q裝置與系統(tǒng)相聯(lián)導致系統(tǒng)慣性水平下降、備用容量減小， 降低了系統(tǒng)的頻率支撐能力。同時，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定提出 了更高的要求，主要表現(xiàn)在：（1）新能源發(fā)電具有隨機性、波動性和不可準確預測性等特 點，頻率穩(wěn)定是系統(tǒng)消納這些可再生能源發(fā)電的重要前提；（2）大型機組對系統(tǒng)頻率偏移 的要求更加苛刻，頻率過高或過低都有可能引起保護

3、裝置的動作，更容易發(fā)生頻率偏移的連 鎖事故；（3）工業(yè)的發(fā)展以及制造工藝的精細化使得一些高新技術負荷對系統(tǒng)頻率要求更 加嚴格，容許的頻率偏差更小。1計及新能源滲透率的電力系統(tǒng)簡化頻率模型電力系統(tǒng)頻率模型是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括同步發(fā)電機與負荷、渦輪機及其調速 器。本文目標是研究電力系統(tǒng)總體頻率特性，因此不考慮頻率的分散性與功角穩(wěn)定問題，并 忽略具體的調速器控制、渦輪機模型、限幅等非線性環(huán)節(jié)與二次調頻。2電力系統(tǒng)運行中頻率質量和經(jīng)濟問題頻率是電力系統(tǒng)運行的重要指標和指示數(shù)據(jù)，也是表征電能質量的重要參數(shù)，我國電力 系統(tǒng)頻率額定值為50Hz。頻率過大或過小都會影響產(chǎn)品的質量甚至整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定

4、性， 從而導致嚴重的經(jīng)濟虧損。當頻率偏離額定值時，將影響電力用戶產(chǎn)品的數(shù)量和質量，嚴重 時會造成廢品，導致用電設備無法正常工作。頻率降低時，會造成汽輪機葉片振動增大，降 低其壽命，有時會造成共振，使葉片斷裂；同時還會造成由異步電動機驅動的電廠廠用電的 機械出力減少，發(fā)電機出力減少，系統(tǒng)頻率下降更多，以至于產(chǎn)生頻率崩潰現(xiàn)象。有核電站 的電力系統(tǒng)，頻率偏移過大會使反應堆冷卻介質泵自動斷開，導致反應堆停止運行。頻率過 高時，會影響大容量汽輪機葉片和大軸的壽命，因此頻率過高也應引起注意。另一方面，電 力系統(tǒng)頻率減小時，異步電動機勵磁電流變大，變壓器的勵磁電流也變大，系統(tǒng)消耗無功增 加，電力系統(tǒng)電壓降低

5、，當頻率下降到4546Hz范圍內時，發(fā)電機、勵磁機轉速也顯著變慢， 引起各發(fā)電機組的電力電動勢降低，整個電力系統(tǒng)的電壓水平大大減小，甚至出現(xiàn)電壓崩潰 的情況。發(fā)生頻率或電壓崩潰，能引發(fā)整個系統(tǒng)快速瓦解，造成區(qū)域性大面積停電。3發(fā)電機組參與頻率響應的特性監(jiān)測3.1慣量監(jiān)測隨著多種非同步成分通過電力電子設備集成到大容量交流電網(wǎng)中，現(xiàn)代電力系統(tǒng)慣量的 組成成分復雜且多變。因此有效且準確監(jiān)測系統(tǒng)慣性對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定以及經(jīng)濟運行有著重要 意義。傳統(tǒng)方法通過動態(tài)參數(shù)估計的方式估計出每個發(fā)電機的慣量常數(shù)，再通過式（1）對系 統(tǒng)總慣量進行計算。而廣域量測技術的發(fā)展與相量測量單元（phasormeasuremen

6、tunits， PMUs）在電力系統(tǒng)的廣泛安裝為實現(xiàn)高精度在線估計系統(tǒng)慣量提供了支撐，更加準確、有效 的慣量估計方法逐漸被提出。系統(tǒng)等效慣量的組成由單一的同步機旋轉慣量拓展到旋轉慣量、 虛擬慣量虛擬慣性控制）、儲能慣量和負荷側慣量等多種形式的慣量。等效慣量反映了系統(tǒng) 有功功率缺額與頻率變化率之間的關系，其具有非線性和時變性的特點。3.2頻率調節(jié)手段對系統(tǒng)動態(tài)行為影響監(jiān)測估計現(xiàn)代電力系統(tǒng)的總慣量并監(jiān)測機組的調頻性能有助于掌握電力系統(tǒng)的頻率支撐能力， 并規(guī)范機組的行為。但對系統(tǒng)而言最為直觀的體現(xiàn)是擾動下頻率動態(tài)行為，通過對系統(tǒng)頻率 最大動態(tài)RoCoF、最大動態(tài)頻率偏差、到達最大頻率偏差的時間以及穩(wěn)

7、態(tài)頻率偏差等指標進 行評估來反應頻率調節(jié)手段的性能及其相關性。分析和研究表明，不同的頻率調節(jié)手段對不 同指標的影響程度不一樣，通過對相關參數(shù)進行調節(jié)可以對頻率動態(tài)行為進行控制。量化頻率調節(jié)相關參數(shù)如慣量常數(shù)、調速器死區(qū)、調差系數(shù)等與頻率動態(tài)特性之間的關 系，探究不同調節(jié)手段對頻率行為影響的機理是未來值得關注和研究的方向。4新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性發(fā)展趨勢隨著新能源滲透率的增大，電力系統(tǒng)的頻率特性將更主要地取決于新能源發(fā)電所能提供 的調頻容量和調頻能力。所以新能源滲透率能夠提高的關鍵在于新能源發(fā)電的儲能技術與頻 率控制技術。在未來，假定所有的新能源發(fā)電都已采用參考頻率閉環(huán)方式參與調頻，并且

8、能提供足夠 的調頻容量。對這樣的系統(tǒng)施加參考頻率階躍和功率擾動階躍，分析其動態(tài)頻率響應。當火 電發(fā)電系數(shù)K降低至10%時，系統(tǒng)S3對于1Hz參考頻率和10%功率的階躍響應的頻率誤差 可控制在合理范圍內。特性將出現(xiàn)新的發(fā)展趨勢：系統(tǒng)頻率變化的超調量并不大，但是上升時間很短。這就意 味著，在高滲透率情況下，系統(tǒng)頻率將會變得像電壓那樣易于閃變。如果電網(wǎng)或用戶對于頻 率變化率（RoCoF）有一定的要求，那么系統(tǒng)中就需要必要的虛擬慣量與相應的控制策略， 以降低頻率的閃變。結語針對新能源高滲透的情況，本文研究了電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)性能指標和動態(tài)響應系數(shù)， 并回答了系統(tǒng)頻率方面的問題：（1）研究新能源發(fā)電、不

9、同類型負荷的慣量在線估計方法。在慣量監(jiān)測方面，現(xiàn)有研 究主要關注于同步發(fā)電機以及系統(tǒng)總慣量的估計，而研究電力系統(tǒng)其他組成部分對系統(tǒng)總慣 量的影響在電力系統(tǒng)規(guī)劃、經(jīng)濟調度等環(huán)節(jié)具有重要作用；（2）新能源發(fā)電如何參與系統(tǒng)調頻。新能源發(fā)電應當參與調頻且提供足夠的調頻容量， 才能遏制系統(tǒng)頻率特性的下降。新能源采取參考頻率閉環(huán)控制，是參與系統(tǒng)調頻的較優(yōu)方式。電力系統(tǒng)的頻率特性將隨著新能源的滲透率發(fā)生重大變化。高滲透率情況下，新能源參 與系統(tǒng)調頻對于遏制系統(tǒng)頻率特性的下降具有至關重要的作用。參考文獻:陳國平，李明節(jié)，許濤，等.我國電網(wǎng)支撐可再生能源發(fā)展的實踐與挑戰(zhàn)J.電網(wǎng)技 術，2017, 41 (10)： 3095-3103.丁立，喬穎，魯宗相，等.高比例風電對電力系統(tǒng)調頻指標影響的定量分析J.電力 系統(tǒng)自動化，2014，38 (14)： 1-8.魯宗相，湯海雁，喬穎，等.電力電子接口對電力系統(tǒng)頻率控制的影響綜述J .中 國電力，2018，51(1)：51-58.唐西勝，苗福豐，齊智平，等.風力發(fā)電的調頻技術研究綜述J.中國電機工程學報，