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基于敏感频段识别的高风电渗透率电力系统频率特性研究

2024-12-01 49 上传者：管理员

摘要：针对风电功率波动性显著的问题，展开了基于敏感频段识别的高风电渗透率电力系统频率特性的研究。分析了单机电力系统在有功功率扰动下的频率响应特性，构建了包含风电的多机电力系统PSASP暂态仿真模型，介绍了多机电力系统敏感频段的识别方法。通过仿真分析，探讨了敏感频段下风功率波动对多机电力系统频率特性的影响。研究结果表明，多机电力系统中确实存在敏感频段，并且随着风电渗透率的不断提升，系统的调频能力和抵御风功率波动的能力会逐渐减弱。该研究成果为更全面地评估风电系统的敏感频段特性提供了依据，同时也为提升风电功率预测精度提供了技术参考。

关键词：
多机电力系统
敏感频段
电力系统
频率特性
风电功率波动
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电力系统具备固有的频率特性，这一特性与其构成元件及本身的拓扑结构紧密相关。当系统遭遇扰动导致频率变动时，若扰动频率接近系统的固有频率范围，则此频段内的有功功率变化将引发系统频率的最大波动。如果设定有功功率扰动引起的系统频率变化须限制在一定范围内，那么超出此界限的特定频段有功功率扰动，便被称为电力系统的敏感频段[1-3]。这些敏感频段内的扰动不仅更容易导致系统频率的大幅波动，还可能对整个电力系统的安全性和稳定性构成潜在威胁。

随着风电在电力系统中占比的不断增加，风电的弱调频能力和强波动性对系统频率稳定性的挑战日益严峻。风电机组输出功率的显著波动性，使得系统中风功率的波动有可能导致系统频率越限，从而威胁电网的安全稳定运行[4]。鉴于此，为有效应对风力发电功率的强波动性，保障电力系统的安全稳定运行，深入探究高风电渗透率下电力系统的频率特性显得尤为重要。本文采用敏感频段识别的方法，对这一问题展开研究，以期提出相应的解决方案或优化策略。

1、单机电力系统敏感频段

1.1 单机电力系统仿真模型

本文聚焦于小规模电力系统的研究，特别针对非再热式汽轮机进行深入探讨。在非再热式汽轮机的分析中，主要考虑水蒸气的容积效应，并采用一阶惯性环节来对其进行建模，其表达式如式(1)所示[5]。

式中：ΔY为阀门开关的变化，ΔPm为机械功率的变化量，TCH为汽轮机时间常数。

基于传递函数表达式，并且考虑调速器模型的传递函数以及负荷阻尼的效应，在恒功率负荷条件下，构建了非再热式汽轮机所对应的单机系统频率响应模型。该模型如图1所示，其中，TG为调速器的调速系数，TCH为汽轮机时间常数，R为发电机调差系数，M为发电机惯性时间常数，D为阻尼系数。

图1单机系统频率响应模型图

由此可以推断，当系统中发生有功功率扰动时，系统频率偏差Δf与扰动量ΔPL之间的动态关系可以通过传递函数G(s)来描述，具体如式(2)所示。

在单机电力系统的敏感频段识别过程中，首先建立该系统的频率响应模型，并据此推导出系统的传递函数；随后利用该传递函数进行计算，得出幅频特性曲线；再通过分析幅频特性曲线，识别出那些导致系统频率偏差显著增大的功率波动频率范围，从而确定单机电力系统的敏感频段。

1.2 敏感频段识别

本文在构建单机系统频率响应模型时，各元件参数的取值设定如下：调速器的调速系数TG为0.2,汽轮机时间常数TCH为0.33,发电机调差系数R为0.05,发电机惯性时间常数M为16,阻尼系数D为0.5。基于上述参数设定，计算出式(1)传递函数G(s)的幅频特性，并将其绘制成图2所示的幅频特性曲线。

图2单机系统传递函数G(s)的幅频特性曲线图

由图2可观察到，在单机系统中，不同频率的功率扰动对系统频率的偏差影响各异。具体而言，当功率波动的频率处于0.3~0.8 Hz范围内时，对系统频率的影响较为显著；而频率接近0.5 Hz的功率波动，则导致系统频率偏差达到最大值，由此可以表明单机系统对0.5 Hz附近的功率波动频率具有高度的敏感性。由此可以确认，此单机系统存在敏感频段。如果以系统频率偏差不超过0.1 Hz作为判断标准，那么该单机系统的敏感频段即为0.3~0.8 Hz。

2、含风电多机电力系统PSASP暂态仿真模型

2.1 风力发电机组模型理论

风机模型按风力发电机转子转速可分为恒速风机和变速风机[6]。当恒速风机的出力发生变化时，转子的转速基本保持不变，其风速与功率的转换关系如式(3)所示。

式中：P为恒速风机的机械功率，Pr为恒速风机的额定功率，v为恒速风机的风速，vr为额定风速，vin为切入风速，vout为切出风速。

变速风机在运行过程中，电机转子的转速并非恒定，这使得其运行状态更为灵活，且风能转换效率较高。其风速与功率的转换关系如式(4)所示。

式中：Pmech为变速风机的机械功率，ρ为空气密度，Ar为叶片扫过的面积，vw为风速，Cp为风能利用系数。

2.2 含风电机组的多机电力系统PSASP模型

在PSASP暂态仿真软件中搭建如图3所示的含风电机组的多机电力系统模型。此模型采用了PSASP软件中的双馈直驱通用风电机组模型，该模型融合了双馈式风电机组和直驱式风电机组的特点，作为两者的通用表示[7]。该模型不仅具备了更高的灵活性，还能够更准确地反映出风电机组在电力系统中的实际运行状况。

图3含风电机组的3机9节点电力系统模型图

在该模型图中，风电机组标为W1,其节点类型被设置为PV。在电力系统运行之前，为W1设置了具体参数：有功功率为105 MW,电压幅值为10.25 kV,额定风速为11.8 m/s,切入风速为3 m/s,以及切出风速为35 m/s。

3、敏感频段下风功率波动对多机电力系统频率特性影响

单机电力系统频率响应模型主要适用于规模较小的系统，它利用传递函数来识别系统的敏感频段。然而，实际电力系统往往规模庞大，包含多台发电机组，并展现出非线性特性。鉴于这种复杂性，为每台发电机组单独构建频率响应模型以求解系统敏感频段，在实际操作中并不可行。这意味着单机电力系统的敏感频段识别方法在多机电力系统中并不适用。此外，多机电力系统中功率波动更为复杂多变。由此可见，在识别这类复杂系统的敏感频段时，必须综合考虑功率波动的幅值和频率双重因素，以确保分析的准确性和实用性。

3.1 多机电力系统的敏感频段

为了验证多机电力系统的敏感频段现象，在图3所示的3机9节点电力系统中，对Bus7节点施加了形式为ΔP=Asin 2πft的正弦功率扰动。在保持有功扰动幅值A为80 MW不变的前提下，改变扰动功率的频率，并在不同频率下观察系统的频率特性。具体操作如下：以0.1 Hz为步长，将扰动频率从初始的0.05 Hz逐步增加至0.5 Hz。仿真过程持续40 s,最终根据仿真结果统计得到系统在不同频率扰动下的最大频率偏差，如表1所示。

表1多机电力系统在相同幅值不同频率扰动下的最大频率偏差

系统对不同频率的功率波动所展现出的频率响应如图4所示。系统对功率扰动的敏感程度随频率变化而不同，特别地，系统对0.05~0.5 Hz这一低频段范围内的扰动更为敏感。具体而言，当功率扰动的频率为0.15 Hz时，系统频率偏差达到最大值，这充分表明多机电力系统中确实存在敏感频段。

图4不同频率扰动的系统频率响应图

3.2 识别方法

多机复杂电力系统的频率特性复杂，且受多种因素影响，为精准识别系统的敏感频段，主要采用扫频法和阶跃扰动识别法。针对系统中的某一特定节点，可以结合这两种方法来获取该节点在发生扰动后系统所呈现的最大频差矩阵，进而准确确定系统的敏感频段。

3.2.1 扫频法

扫频法的识别过程是在正弦功率扰动保持幅值不变的情况下，将多次改变扰动的频率应用于系统中，从而得到系统的最大频率偏差。若系统的频率偏差超过了预设的限值，则该频率范围即被视为系统的敏感频段。具体识别流程如图5所示。

图5扫频法识别系统敏感频段流程图

3.2.2 阶跃扰动识别法

阶跃扰动识别法是通过向系统中注入阶跃有功功率扰动，观察并记录系统由此产生的频率响应曲线；随后对这条频率响应曲线进行傅里叶变换，以获取其幅频特性；通过分析幅频特性，评估不同频率的扰动对系统频率特性的影响程度，进而大致确定系统的敏感频段范围。具体识别流程如图6所示。

图6阶跃响应扰动法识别系统敏感频段流程图

在复杂电力系统的敏感频段识别中，采用扫频法与阶跃扰动识别法相结合的方式，以获取更为准确的敏感频段信息。当电力系统处于运行状态时，施加ΔP=Asin2πft的正弦功率扰动，其中A为功率扰动幅值，f为功率扰动频率。固定功率扰动的幅值A,改变功率扰动频率f,可得固定扰动幅值下系统对不同频率扰动的响应情况；固定功率扰动频率f,改变功率扰动幅值A,可得固定扰动频率下系统对不同扰动幅值的响应情况。通过对不同的扰动幅值和频率设置，可得发生扰动后系统频率的最大偏差。

3.3 算例分析

为了分析风电场输出的有功功率的波动特性，选取风电场在特定时间段内的功率波动数据。图7展示了这段时间内风电场的有功出力情况。

图7风电场有功功率-时间曲线图

对图7进行傅里叶变换，获得不同功率波动的频段，部分结果如表2所示。

经测试识别，该风电场在风功率频率波动范围为0.005~0.415 Hz的情况下，其风电功率的最大幅值仅为11.74 MW,这一数值远低于电力系统保护和控制装置触发所需的有功功率波动幅值。因此，在保持该系统风电容量不变的情况下，可以判断风电场输出功率的波动频率不会对系统频率产生显著影响。

表2风功率波动傅里叶变换表

若该风电场的容量持续增加，且假设风功率波动的幅值与该地区风电装机容量的增加呈等比例变化，同时确保风功率波动不会导致系统频率越限，则风电场的最大容量可通过式(5)进行计算得出。

式中：Smax为风电场最大容量，SN为风电场容量，Ai为系统可承受敏感频段功率波动范围，Pm为在敏感频段范围内风电场功率波动幅值。

假设系统中风电机组大量替代传统常规同步发电机组，导致风电渗透率持续上升，那么系统的调频能力以及对抗风功率波动的能力可能会逐渐减弱。

4、结论

本文在风电功率波动性显著增强的情况下，研究了风电单机电力系统的敏感频段，并分析了这些敏感频段内风功率波动对多机电力系统频率特性的影响。仿真结果表明，多机电力系统对不同频率功率扰动存在不同程度的敏感性，即存在特定的敏感频段。进一步的算例分析表明，在风电容量保持不变的情况下，风电场输出功率的波动频率对系统频率的影响并不显著，但随着风电渗透率的不断提升，系统的调频能力和抗风功率波动能力会逐渐减弱。此项研究成果为更全面地评估风电系统的敏感频段特性提供了依据，同时也为提升风电功率预测精度提供了技术参考。

参考文献:

[1]司永达.双馈风机并网对系统频率影响及控制研究[D].成都:电子科技大学,2020.

[2]黄志军.风电新能源的现状与发展策略[J].电子技术,2023,52(1):292-293.

[3]刘子洲.风电接入对电力系统频率动态特性影响机理的研究[D].徐州:中国矿业大学,2019.

[4]栾贻贺.适用于频率控制的风电场建模与调频策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.

[5]李生虎,李卓鹏,张浩,等.基于风电并网电力系统拓展轨迹灵敏度的DFIG控制参数优化[J].太阳能学报,2021,42(6):369-376.

[6]刘宝林,王超,陈光灿,等.含高渗透光伏不平衡配电系统的概率电压灵敏度分析方法[J].电气自动化,2022,44(5):22-24.

[7]李钊.基于虚拟同步机控制的储能建模及频率稳定性研究[D].郑州:郑州轻工业大学,2022.

基金资助:2023年湖南省教育厅科学研究项目(23C0954);

文章来源:耿运涛.基于敏感频段识别的高风电渗透率电力系统频率特性研究[J].仪表技术,2024,(06):62-65+69.