考虑系统频率稳定需求的风电机组调频参数评估_孙涵.pdf

第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1考虑系统频率稳定需求的风电机组调频参数评估孙涵1，郭钰锋1，王瑛玮1，徐维懋2，王镝2，王英旭2，葛超2(1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;2 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁沈阳110001)摘要:随着风电渗透率提高，电力系统将面临一次调频能力不足的问题，为降低风电大规模并网对系统频率安全的影响，风电机组通过主动控制方式参与系统一次调频，随着风电渗透率的逐步提高，频率响应模式和调频参数的设置将更加复杂。研究基于风电机组的综合惯性控制，结合传统电力系统刚性集结模型，得出考虑风电机组参与一次调频的系统频率响应模型，并推导系统频率安全指标评价公式，通过仿真验证其有效性，从而在满足风电机组高渗透率系统频率稳定的前提下，确定不同风电渗透率下的风电机组调频参数最小临界值，为实际工程中的参数整定提供依据。关键词:风电机组;一次调频;频率稳定;调频参数中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0047 05收稿日期2022 10 15修订稿日期2022 11 02基金项目:国家电网有限公司总部管理科技项目(5108 202299259A 1 0 ZB)作者简介:孙涵(1997 )，男，硕士研究生，从事风电机组参与系统调频，风电机组疲劳载荷等领域的研究。Evaluation of Frequency egulation Parameters of Wind Turbine ConsideringSystem Frequency Stability DemandSUN Han1，GUO Yu feng1，WANG Ying wei1，XU Wei mao2，WANG Di2，WANG Ying xu2，GE Chao2(1 School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2 The Technical and Economic Center of Economic and Technological esearch Institute，Liaoning Electric Power Co，Ltd，Shenyang 110001，China)Abstract:As the penetration rate of wind power increases，the power system would face the problem ofinsufficient primary frequency regulation capability In order to reduce the impact of large scale gridconnection of wind power on the system frequency stability，the wind turbine adopts an auxiliary frequen-cy response link to participate in the primary frequency regulation of the system With the gradual in-crease of wind power penetration，the setting of frequency response mode and frequency modulation pa-rameters would become more complicated esearch on integrated inertial control based on the wind tur-bine and combined with the traditional power system rigid build up model The system frequency re-sponse model considering the participation of wind turbines in primary frequency regulation is obtainedMoreover，the system frequency safety index evaluation formula is deduced The effectiveness of the sim-ulation is verified to determine the value range of the frequency regulation parameters of wind turbines un-der different wind power penetration rates on the premise of satisfying the frequency stability of the high penetration system of wind turbinesKey words:wind turbines;primary frequency regulation;frequency stability;frequency regulationparameters740引言随着风力发电快速发展，电力系统中传统的同步发电机逐渐被取代，电力系统惯性不断下降、安全稳定运行面临极大挑战1 3。在此背景下，最新发布的一些电网导则中已对风电机组参与系统一次调频做出明确要求4 5，随着风电渗透率的逐年增加，电力系统的稳定性面临更加严峻的考验，高渗透率下的风电机组频率响应模式和控制参数的整定决定着系统的控制稳定性，因此对其进行研究是非常必要的。为了降低风电大规模并网对系统频率稳定带来的影响，现有研究中风电机组参与一次调频的方式主要分为转子动能控制和功率减载控制两种方式6 9，转子动能主要包括虚拟惯性控制、下垂控制、综合惯性控制以及虚拟同步发电机技术，而减载控制主要包括变桨距角控制和超速控制10。其中采用超速备用和综合惯性结合的调频控制策略能够使风力机组具备长期调频能力11。随着风电为代表的可再生能源高渗透电力系统逐渐形成，传统的系统频率响应模型(TSF)无法准确的体现新型电力系统的频响特性12，文献 13 提出了一种将多机SF 模型聚合为单机模型的分析方法，能较为准确地反映电力系统动态研究中的频率响应，文献 14在 TSF 的基础上，提出考虑可再生能源渗透率的频率分析模型，分析了新能源渗透率与不同频率控制方式对电力系统频率特性的影响，文献 15在TSF 的基础上加入考虑风电机组调频的频率动态约束，并推导扰动后频率最低值的表达式，文献 16 分析风电机组不同调频参数对系统调频的影响机理，在考虑系统频率二次跌落的前提下根据一次调频综合评价指标确定参数的取值范围。综上所述，当前研究仅定性分析风力发电渗透率对系统频率的影响，很少有研究考虑系统调频需求对系统频率稳定性进行量化来对双馈感应式风电机组(下文简称风电机组)调频参数进行合理整定。本文基于风电机组综合惯性控制策略，针对 TSF模型建立计及风电机组参与一次调频的系统频率响应模型，进一步对调频评价指标公式进行推导，根据系统频率稳定需求从而确定风电机组调频参数取值范围，为实际工程中风电机组调频参数整定提供参考，具有重要的工程意义。1含风电机组调频的电力系统频率响应模型与分析1 1含风电机组调频的电力系统频率响应模型风力发电机组的调频能力主要取决于调频机组容量和控制策略，为研究高比例风电系统频率响应动态特性，本文对风电机组采用综合惯性控制策略，并基于风电机组备用容量充足的前提，结合传统的电力系统频率简化模型，可得风电高渗透系统频率响应模型如图 1。图 1含风电机组调频的系统频率响应模型图 1 中，fref和 f 分别为系统频率参考值和偏差(pu);a 为涡轮发电机的涡轮系数(pu);Ts为涡轮机的等效时间常数(s);为下垂系数(pu);D 为系统的阻尼系数(pu);KW为风电机组的静态调差系数(pu);Heq为系统总惯性时间常数(s);TW为风电机组调速器的时间常数(s);K1、K2分为火电机组和风电机组占比(pu)。PG、PW、PL分别为火电机组一次调频、风电一次调频和系统负荷扰动的有功功率变化量(pu)，其中频率与功率均采用标幺值，Heq=HcK1+KW22K2，KW=1KW1，Hc为火电机组总惯性时间常数(s)，KW1，KW2分别为风电机组综合惯性控制中一次调频系数和虚拟惯量(pu)，也是本文主要研究风电机组参与系统一次调频需要整定的控制参数。研究表明，Ts与 TW的大小在其允许范围内对系统频率影响很小，由此 Ts与 TW都可由相同的值 T替代14，则图 1 中闭环控制系统的开环传递函数H(s)可表达为H(s)=(G2(s)+G3(s)G1(s)1+(G2(s)+G3(s)G1(s)=2Heqs+KWK1+K2KWK1aT()s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqTs+KWK1+K22HeqKWT(1)则可得其特征方程参数如下2n=KWK1+K22HeqKWT22n=s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqT(2)式中n 固有角频率/rad s1;阻尼比/pu。84若只考虑除新能源外为火力发电，则 a 0，从而可得2n=KWK1+K22HeqKWT022n=s2+(2Heq+DT)+K1aT2HeqT0(3)根据劳斯判据可知，在不考虑外界扰动的情况下，风电渗透率 K2不会影响系统频率的稳定性，因此本研究的重点主要是风电机组调频参数取值。1 2风电机组参与一次调频系统的频率稳定性分析图 1 所示系统中功率扰动下的频率误差传递函数为f=P(1+sT)2HeqT(s2+2ns+2n)(4)其中n=D+12HeqT=2Heq+T(D+2)22HeqT(D+1)(5)其中 1=K1KSS+K2KW，2=K1KsS+K2KW系统一次调频的评价指标有 3 个:最大频率偏差 fmax、频率变化率 oCoF、稳态频率偏差 fst。则根据上式可分别推导出功率扰动下一次调频指评价标计算表达式如下式，分析 KW1，KW2参数设置对系统频率响应的影响。(1)基于频域的频率性能分析:根据传递函数与终值定理，系统频率响应稳态偏差如式(6)fst=f(t)|t=lims0s1sf(s)=PD+1(6)由上式分析稳态频率偏差主要与风电机组下垂控制参数 KW1成正比且与 KW2无关。系统一般要求负荷功率扰动 10%的情况下频率变化不超过0 5 Hz13，因此要求 fst满足fst=PD+10 01(pu)0 1(pu)(7)(2)基于时域的动态性能分析系统时域仿真动态频率的最大频率变化率oCoF 和最大偏移值 fmax是功率扰动后最关注的指标，需要在系统频率偏差 f(t)的时域表达式上进行进一步计算，因此，将式(4)进行拉普拉斯反变换可得f(t)=P2Heq2n+P2Heqre nt(8)=sin(rt)1nTsin(rt+)(9)其中:r=n1 2，=arctan1 2()将 t=0 代入式(8)可得系统扰动后频率变化率最大值为dfdt|max=dfdt|t=0=P2Heq1 nT()(10)系统最大频率变化率(oCoFmax)取决于 KW2和KW1的取值。本研究主要取扰动后最大不高于0 5 Hz/s作为标准，则扰动后系统最大频率变化率指标应满足以下约束条件dfdt|max=dfdt|t=0=P2Heq1 nT()0 010 1(pu/s)(11)对 f(t)求导，可在 df(t)/dt=0 处得到系统频率最低点fmax=P2Heq2n+P2Heqre ntnadir(sin(rtnadir)1nTsin(rtnadir+)(12)tnadir=1n1 2tan1n1 2TnT()1(13)可见，系统频率最低点与最低点时间都是与KW1和 KW2有关的函数，以负荷功率变化 10%系统频率变化不超过 0 5 Hz 的要求进行研究13，则扰动后频率指标频率最大偏差应当满足f(tnadir)0 01(pu)0 1(pu)(14)可得 KW1与一次调频下的最大频率偏差和稳态频率偏差相关，KW2与频率变化率和最大频率偏差相关。它们之间的关系由表 1 中列出。表 1KW1和 KW2与一次调频指标之间的关系参数最大频率偏差fmax频率变化率df/dt稳态频率偏差fstKW1负相关负相关负相关KW2负相关负相关无关由此可通过上式结合所提出的频率要求指标，并按照新型电力系统对动态频率的要求求出不同风电渗透率下 KW1和 KW2最小值，以满足风电参与新型电力系统一次调频的需求。2算例分析本研究以风火联合一次调频系统为例，调差系数 =5%，调速器时间常数 TGT=0 2 s，再热时间常数 TH=8 s，汽轮机时间常数 TCH=0 3 s，电力系94统阻尼系数 D=1，风电机组中 KW1和 KW2为变化量，对不同渗透率下的不同风电机组调频参数的电力系统动态频率特性进行仿真。为验证 2 2 节所提及风电参与系统调频模型下一次调频的 3 个评价指标计算表达式的准确性，风电机组渗透率为 20%时风电机组调频参数 KW1、KW2与三个评价指标的模型计算结果与时域仿真结果如下图 2 至图 7 所示。图 2KW1、KW2与 fst三维关系图(时域仿真)图 3KW1、KW2与 oCoFmax三维关系图(时域仿真)图 4KW1、KW2与 fmax三维关系图(时域仿真)图 5KW1、KW2与 fst三维关系图(模型计算)将实际仿真结果与模型计算预测结果进行对比可知，该模型能够满足要求，频率变化率、频率最低值以及时间的计算表达式可用于实际情况预测，具有较好的精度。图 6KW1、KW2与 oCoFmax三维关系图(模型计算)图 7KW1、KW2与 fmax三维关系图(模型计算)不同风电渗透率时 KW1、KW2与 fmax的关系如图 8至图 10 所示，可见 KW1对 fmax的降低程度明显大于 KW2，并随着渗透率的提高，KW1与 KW2也并不是简单的相应增大才能满足系统频率安全的要求，相反因为风电机组有着更强更灵活的调频能力，具有调频能力的风电机组出力高情况下，甚至更小的KW1和 KW2便可满足风电机组的调频需求。图 8风电渗透率 33 63%时 KW1、KW2与 fmax三维关系图图 9风电渗透率 50 45%时 KW1、KW2与 fmax三维关系图由此可用所提计算表达式得到不同渗透率下KW1、KW2与三个评价指标的关系图，进而通过与第三节中所提到的对应于三个评价指标要求进行比较，得到使系统频率稳定的风电机组调频参数 KW1、KW2的安全范围，从而达到满足电力系统频率稳定的05风电机组一次调频需求。给出不同渗透率分别满足最大频率偏差 fmax、频率变化率 df/dt、稳态频率偏差 fst三个指标要求的 KW1、KW2临界仿真结果如下图 11 图 13。图 10风电渗透率 6306%时 KW1、KW2与 fmax三维关系图图 11不同风电渗透率时 fst指标下 KW1、KW2临界值图 12不同风电渗透率时 f rocof 指标下 KW1、KW2临界值图图 13不同风电渗透率时 fmax指标下 KW1、KW2临界值图在不同风电渗透率下，根据图 11 至图 13 风电机组调频控制参数取值要求，可得出满足系统一次调频需求的控制增益建议取的最小值如表 2 所示。表 2风电调频参数在不同风电渗透率下满足系统一次调频需求的控制增益建议取的最小值风电渗透率/%KW1取值KW2取值202131401520601214801093结论与建议本文基于综合惯性控制的风电机组控制方法，针对 TSF 建立了计及风电机组参与一次调频的系统频率响应模型，并在此基础上推导出系统扰动后最大频率偏差 fmax、频率变化率 df/dt、稳态频率偏差 fst三个频率安全指标的计算表达式，并通过仿真验证了其有效性，从而在满足系统频率稳定的前提下，确定了风电机组调频参数的最小临界值，主要结论如下:(1)增大下垂控制参数 KW1，将会降低系统最大频率偏差和频率稳定偏差，增大虚拟惯性控制参数KW2将会降低系统最大频率变化率和最大频率偏差。(2)在不同风电渗透率下，基于模型推导的三个频率安全指标公式，可得出满足系统一次调频需求的控制增益建议取的最小值，如当风电渗透率为20%时，风电机组下垂控制参数 KW1和虚拟惯性控制参数 KW2需分别大于 21 和 31。并且不同风电渗透率下的参数取值范围也有所不同。参考文献 1汪岩佳，赵志刚，万杰，等 结合源 网 荷信息的风电爬坡事件综合识别方法J 节能技术，2021，39(3):201 204，211 2 李秀琴，石华栋，李志鹏 新能源场合下火电机组附加励磁控制参数优化设计 J 节能技术，2021，39(6):547 550 3刘慧林，范瑞明，马鑫晟，等 基于自适应差分进化算法的电力系统动态状态估计 J 电网与清洁能源，2022，38(12):8 14 4蔡绍荣，沈力，江栗，等 考虑水风光互补与机会约束的电力系统源网荷协调扩展规划研究 J 电网与清洁能源，2022，38(11):134 145 5 付振春，姜冬辉 冬季风电消纳的两种途径的节能分析 J 节能技术，2018，36(4):361 364 6赵嘉兴，高伟，上官明霞，等 风电参与电力系统调频综述 J 电力系统保护与控制，2017，45(21):157 169 7Ye H，Pei W，Qi Z P Analytical Modeling of Inertialand Droop esponses from a Wind Farm for Short term Fre-quency egulation in Power SystemsJ IEEE Transactions onPower Systems，2016，31(5):3414 3423 8 江晶晶，黄潇贻，陈婧 含风电场电力系统的静态电压稳定性预警系统 J 电网与清洁能源，2022，38(7):92 97，106 9张雯欣，吴琛，黄伟，等 考虑频率二次跌落的系统频率特征评估及风电调频参数整定J 电力系统自动化，2022，46(8):11 19(下转第 59 页)15Strojarstvu，2010，52(4):459 465 47 李志刚，袁韬，方志，等 超临界二氧化碳旋转机械动密封技术研究进展 J 热力透平，2019，48(3):166 174，191 48Conboy T Gas Bearings and Seals Development forSuper critical CO2Turbomachinery USA:Sandia NationalLaboratories Technical eport，201249Conboy T An Approach to Turbomachinery forSuper critical Brayton Space Power Cycles USA:SandiaNational Laboratories Technical eport，2012 50 Bidkar A，Sevincer E，Wang J F，et al Low leak-age Shaft end Seals for Utility scale Supercritical CO2Turbo-expandersJ ASME Journal of Engineering for Gas Turbinesand Power，2017，139(2):022503 51Bidkar A，Musgrove G，Day M，et al ConceptualDesigns of 50 MW and 450 MW Supercritical CO2Turbomachin-ery Trains for Power Generation from Coal Part 2:CompressorsC/OL/Southwest esearch Institute，USA The 5th Super-critical CO2Power Cycle Symposium San Antonio，TX:Southwestesearch Institute，USA，2016 52 邓清华，蒋宇，李军，等 超临界 CO2动力循环实验关键技术研究:动力部件 J 热力透平，2018，47(2):99 104 53Wright S A，adel F，Vernon M，et al Operationand Analysis of a Supercritical CO2Brayton Cycle Califor-nia，USA:Sandia National Laboratories，2010 54 Conboy T，Pasch J，Fleming D Control of a Supercriti-cal CO2ecompression Brayton Cycle Demonstration Loop C/Proceedings of ASME Turbo Expo San Antonio，Texas:A-merican Society of Mechanical Engineers，2013:111701 55 Bruckner J Windage Power Loss in Gas Foil Bear-ings and the otor stator Clearance of High Speed GeneratorsOperating in High Pressure EnvironmentsC/ASME TurboExpo 2009:Power for Land，Sea，and Air 2009 56 车国铚，杨启超，魏志国，等 超临界二氧化碳透平机械用气体轴承的研究进展及关键技术 J 中国电机工程学报，2022，42(15):5616 5630 57 谢永慧，王雨琦，张荻，等 超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械研究进展J 中国电机工程学报，2018，38(24):7276 7286 58 Wang Y，Li J，Zhang D，et al Numerical Investigationon Aerodynamic Performance of SCO2and Air adial Inflow Tur-bines with Different Solidity StructuresJ Applied Sciences，2020，10(6):2087 59Feher E G The Supercritical Thermodynamic PowerCycle J Energy Conversion，1968，8(2):85 90 60 王绩德，冯岩，韩东江 超临界二氧化碳动力循环在钠冷快堆中的应用综述 J 核科学与工程，2019，39(2):119 127 61 Sabharwall P，Clark D E，Glazoff M V，et al Diffusion welded Microchannel Heat Exchanger for Industrial Processes J Journal of Thermal Science Engineering Applications，2013，5(1):1 11 62 廖吉香，刘兴业，郑群，等 超临界 CO2发电循环特性分析 J 热能动力工程，2016，31(5):40 46 63 Saeed M，Awais A A，Berrouk A S CFD Aided Designand Analysis of a Precooler with Zigzag Channels for Supercriti-cal CO2Power cycleJ Energy Conversion and Management，2021(236):114029 64 吴新汶，邵应娟，钟文琪 600 MW 煤基超临界二氧化碳循环 PCHE 预冷器设计及传热特性研究J/OL 中国电机工程学报，2022 65Chang H L，Han Z，Li X H，et al ExperimentalStudy on Heat Transfer Performance of SCO2Near Pseudo criti-cal Point in Airfoil fin PCHE from Viewpoint of Average Ther-mal resistance atioJ International Journal of Heat andMass Transfer，2022(196):123257 66 董爱华 印刷电路板式换热器的设计分析J 节能技术，2019，37(2):170 173 67 史香锟，杨均勇，钱建华，等 超临界 CO2布雷顿循环中冷却器的夹点分析J 热能动力工程，2020，35(1):11 15 68 赵文升，王雅倩，付文峰，等 超临界二氧化碳布雷顿循环夹点问题研究J 工程热物理学报，2020，41(8):1870 1876(上接第 51 页)10 王琦，郭钰锋，万杰，等 适用于高风电渗透率电力系统的火电机组一次调频策略J 中国电机工程学报，2018，38(4):974 984，1274 11 王同森，张峰，丁磊 考虑最优运行点的超速风电机组调频控制策略 J 电力自动化设备，2021，41(6):22 28 12 丁磊，尹善耀，王同晓，等 结合超速备用和模拟惯性的双馈风机频率控制策略J 电网技术，2015，39(9):2385 2391 13 Li H，Wang J，Du Z，et al Frequency Control Frame-work of Power System with High Wind Penetration ConsideringDemand esponse and Energy Storage J The Journal of Engi-neering，2017(2017):1153 1158 14 张剑云，李明节 新能源高渗透的电力系统频率特性分析 J 中国电机工程学报，2020，40(11):3498 3507 15 蔡国伟，钟超，吴刚，等 考虑风电机组超速减载与惯量控制的电力系统机组组合策略J 电力系统自动化，2021，45(16):134 142 16 乔颖，郭晓茜，鲁宗相，等 考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法J 电网技术，2020，44(3):80781595