最大风能追踪控制下风电并网对频率稳定性的影响

本节通过仿真的方式研究了风电替换同步发电机组装机容量以及只增加风电机组不替换同步机组装机容量两种场景下，大规模采用最大风能追踪控制的风电场并网后对电力系统惯量以及频率调节能力的影响。

1.仿真环境及主要参数

本书基于电磁仿真软件PSCAD／EMTDC建立了三种仿真系统，如图6－2所示，用于观察不同风电替换比例和工况下电力系统在负荷突减、负荷突增以及三相对地短路这三种功率扰动下频率的变化。

仿真中电源包括数台参数相同的容量为1.5　MV·A的DFIG机组以及一台由汽轮机驱动的同步发电机，它们都通过变压器接入220 kV的电压母线给负荷供电。正常负荷包括异步电动机负荷、阻感负荷以及无功补偿电容，功率扰动包括阻感负荷的切入、切出以及短路故障。为降低仿真的复杂度，假设所有风电机组的风力机扫掠面风速相同并且并网点为同一个电气节点，将多台运行状态相同的风电机组并联的形式利用叠加原理简化为单台机组倍乘机组台数的方式模拟风电场的特性。本书参考华锐风电科技有限公司的风电产品SL1500／82的参数用于风电机组的仿真建模，风电机组的主要仿真参数如表6－1所示。仿真中假设空气密度ρ＝1.22 kg／m3，风电机组的最大风能跟踪区风速范围为3～9.3　m／s，恒转速区的风速范围为9.3～10.5　m／s，恒功率区风速范围为10.5～25 m／s。

图6-2　三种功率扰动的仿真结构图

表6-1　仿真中风电机组的主要参数

续表

同步发电机组由同步发电机、汽轮机、热工调速器等部分组成。热工调速器通过输出标幺化的控制阀和拦截阀开度控制汽轮机输出的机械转矩，从而控制同步发电机转速。仿真中同步发电机组的主要参数如表6－2所示，主要输电线路参数如表6－3所示。

表6-2　仿真中同步发电机组的主要参数

表6-3　仿真中主要输电线路参数

2.风电替换火电场景下风电对频率稳定的影响

为了全面研究风电替换火电的场景中风电并网对系统惯性以及一次调频能力的影响，本书通过仿真得到了在最大风能跟踪、恒转速、恒功率三个区域内代表风速7 m／s、10 m／s、12 m／s下不同风电容量占比下负荷突增、负荷突减以及发生三相短路故障时系统的频率响应曲线。风电替换火电场景下，系统在不同风电占比下电源的组成如表6－4所示，仿真中三种功率扰动下负荷的变化如图6－2所示，仿真中双馈风电机组采用基于风速－功率曲线的直接最大风能追踪控制策略。

表6-4　系统在不同风电占比下电源的组成

负荷突增时不同风电占比以及风速下系统频率的响应对比如图6－3所示。在5 s时占系统总负荷7%的冲击负荷45 WM＋12 Mvar切入系统，导致频率发生跌落，从图6－3中可以看出，虽然系统中发电机的总装机容量相同，但随着风电容量占比的提高，无论在哪种风速下，频率最大偏移值还是一次调频后最终的静态频率偏差都随之增大，说明风电替换火电后会降低系统频率跌落时的惯性能力和一次调频效果。

负荷突减时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线如图6－4所示。在5 s时占系统总负荷7.8%的冲击负荷50 WM＋15 Mvar切出系统，频率发生跃升。从图6－4可知，虽然频率的最大偏移值与风电容量占比无直接线性关系，但随着风电占比的提高在全风速下频率的最终静态偏差也都随之增大，说明风电替换火电后会降低系统发生功率超发导致频率跃升时的惯性能力和一次调频效果。

图6-3　负荷突增时不同工况下频率的响应对比

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果

短路故障发生时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线如图6－5所示。在5 s时系统发生三相对地短路，每相对地阻抗为1 Ω＋10 mH。从图6－5中可以明显看出，因短路导致频率变化的幅度和故障后频率恢复到稳态的时间随着风电占比的提高明显增大，说明风电替换同步机组的容量后会明显减弱短路时系统的频率稳定性及恢复能力。但同时也可以看出，在风电占比相同的工况下，风速的增加会减小频率的变化幅值和频率恢复时间，说明风电机组的高出力有利于短路时频率的稳定性和恢复。(www.xing528.com)

图6-4　负荷突减时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果

3.增加风电场景下风电对频率稳定的影响

为了研究系统中同步发电机组装机容量不变时增加风电机组对电力系统频率稳定性的影响，本小节仿真了如图6－2所示的电力系统在三个风速区域的代表风速以及不同风电容量占比下负荷突增、负荷突减以及发生三相短路故障时的频率变化情况，风速包括最大风能追踪区的代表风速7 m／s、恒转速区的代表风速10 m／s、恒功率区的代表风速12 m／s。增加风电场景中不同风电占比下的电源组成如表6－5所示，同样仿真中双馈风电机组采用基于风速－功率曲线的直接最大风能追踪控制策略。

图6-5　发生三相短路故障时不同风电占地以及风速下系统频率的响应曲线

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果

表6-5　仿真中不同风电占比工况的电源组成

续表

负荷突增时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线如图6－6所示。占系统总负荷7%的冲击负荷45 WM＋12 Mvar在5 s时切入系统，从图6－6可以看出，虽然风电占空比的提高，会略微增加系统一次调频后的最终频率静态偏差，但在各占比和风速下风电并网后的频率响应几乎与无风电时相同，频率跌落的最低点都是49.73 Hz左右，最终频率静态偏差都是49.75 Hz左右。

图6-6　负荷突增时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果

负荷突减时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线如图6－7所示，占系统总负荷7.8%的冲击负荷50 WM＋15 Mvar在5 s时切出系统，频率发生跃升。从图6－7可以看出，虽然在不同风电占比及风速下，扰动后各仿真系统一次调频后达到新稳态时的频率值基本相同，都是50.07 Hz左右，但随着风电容量的增加，在扰动初期频率变化过程中的阻尼效果也越强，即在增加风电的场景下，风电并网后可以抑制负荷突减造成的频率波动，但对稳态频率值的控制无明显效果。

图6-7　负荷突减时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果

三相短路故障发生时不同风电占比以及风速下系统频率的响应曲线如图6－8所示。系统在5 s时发生了三相对地短路故障，每相对地阻抗为1 Ω＋10 mH。从图6－8可以看出，随着风电占比的提高，因为短路故障导致的频率跌落最大幅值有所减小，风速越高对系统惯性支持的效果越明显，说明不减少同步机组容量的前提下电力系统增加风电机组有助于提高短路故障发生时频率的稳定性，且风速越高机组出力越大，越有助于提高短路时频率的稳定性。

图6-8　发生三相短路故障时不同工况下频率变化对比曲线

（a）最大风能跟踪区的频率仿真结果；（b）恒转速区的频率仿真结果；（c）恒功率区的频率仿真结果