【《电力系统频率调整机理分析》6800字】

电力系统频率调整机理分析目录TOC\o"1-3"\h\u17482电力系统频率调整机理分析 117061.1.1电力系统频率响应特性分析 176461.1.2双馈风机频率响应特性分析 3127301.1.3风电不同惯性响应行为对系统频率特性影响探究 5电力系统频率响应特性分析 电力系统主要调频备用资源可以划分为传统调频备用资源以及其他调频备用资源。传统调频备用资源主要包括火电机组、水电机组等响应时间较长的汽轮机组或水轮机组，其他调频备用资源包括核电机组、储能系统等。其中无论是水电还是火电最终都可聚合成同步发电机频率模型。电力系统频率模型是一个闭环控制系统，主要包括同步发电机与负荷、汽轮机及其调速器。所以，电力系统的频率调节特性综合了系统负荷频率特性及系统发电单元的静态频率特性。（1）电力系统负荷的一次频率调节作用当电力系统中发电功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的波动，此时，存储在系统负荷电磁场和旋转质块中的能量会发生变化，以阻止系统频率的变动，即当系统频率下降时，系统负荷功率会减少；当系统频率上升时，系统负荷功率会增加。这种调节特性被称为负荷的频率静态特性，可用负荷频率调节效应系数来表示(3-1)负荷频率调节效应系数常用标么值来表示，其典型值为1~2。若D=2则表示1%的系统频率改变会引起负荷功率2%的变化。（2）汽轮发电机的一次频率调节作用。汽轮发电机的一次调频作用是基于发电机组的调速控制。当电力系统频率发生变化时，系统中同步发电机的转速便发生变化，如转速的变化超出发电机组预设的死区区间，则该同步发电机的调速器就会启动，其将改变原动机的阀门位置，调节原动机的机械功率，以使原动机输入功率与负荷功率能够再次平衡。即当系统频率降低时，原动机蒸汽阀门或进水阀门开度就会增大，增加发电机摄入机械功率；当系统经历高频时，原动机蒸汽阀门或进水阀门开度将减小，减少原动机机械功率。同步机调速器的这一特性称为静态调差特性，通常表示为(3-2)式中：n0、n、nr——空载转速、满载转速、额定转速。静态调差系数的含义是，若δ=5%，当系统频率变化5%时，原动机阀门位置将变化100%。总之，电力系统一次调频综合特性是系统中所有发电机和负荷的一次调节特性的总和。具有一次调频功能的电力系统简化模型如下图3-1电力系统简化传递函数框图，其中PT为汽轮机的动力由图3-1可知，负反馈频率调节环节的存在对稳定系统频率起主要作用。然而，在瞬时功率平衡的约束下，量测量的采集、控制信号的传输、汽轮机阀门操动机构响应等方面引起的延迟会使系统中各同步机在同一时刻承担的电功率和机械功率并不严格一致，导致不可避免的频率偏移。系统的一次调频特性如下图3-2所示。（1）稳态（2）暂态图3-2系统一次频率调节特性，其中∆PLd源自负荷频率调节效应由此可见，频率事件中的不平衡功率主要由同步机惯性响应和下垂控制承担。参与一次调频的同步发电机具有以下特性：（1）一次调频响应由其原动机调速系统实现。由于同步机的一次调频响应仅作用于原动机的蒸汽阀位置，而不是火力发电机组的燃烧系统。当汽阀开度增加时，存储在锅炉中的热量会暂时改变功率。因此，同步机惯性响应受到汽阀动作特性的限制。同时，由于同步发电机组一次调频过程针对的是原动机汽阀部位，而未作用于同步发电机组的燃烧部分，当阀门开度增大时，锅炉系统中的蓄热能量仅暂时改变了原动机的输出功率，但由于燃烧的化学能量并没有改变，随着汽缸等环节中蓄热能量的减少，原动机机械功率又将回到原来的状态。因而，火力发电机组的一次调频是暂时的。对于不同类型的火力发电机组，由于蓄热情况的不同，一次调频时间在半分钟到两分钟不等，在本文中，忽略简化同步机蓄热衰减对其一次调频的影响，仅讨论同步机汽阀动作特性对系统整体调频性能的影响。（2）当系统遭受不平衡功率冲击，同步发电机一次调频具有缓冲作用，但由于其带有调频响应衰减和无法消除静态频差的特点，需配以二次调频才能更好地维护系统频率。双馈风机频率响应特性分析由2.2节可知，基于功率调控高度灵活的换流器接口，DFIG能变速恒频运行，在MPPT模式下，换流器的“隔离”作用使DFIG转子转速与系统频率解耦，无法对系统频率变化做出响应，其转子转动惯量被“隐藏”起来，对外表现为“无惯性”[3]。因此，DFIG无法随着系统频率变化而释放储存于转子的转动惯量来支撑系统频率。参照同步发电机，对DFIG的频率响应特性进行分析：首先，同步发电机储存的转动惯量ESG为(3-3)式中：Pm、Pe——同步机机械功率、电磁功率；ωm、ωe——同步机机械转速、电磁转速；J——同步机转动惯性系数。惯性时间常数HSG定义为(3-4)式中：SN_SG——同步发电机额定容量。由式（3-3），式（3-4）得：(3-5)设DFIG存储的转动惯量为ED，令(3-6)式中：SD_eq——风机对原系统的折合容量。则系统综合惯性时间常数Hsyn为(3-7)式中：SN_G——电网系统总容量。若并网DFIG运行于MPPT模式，风机转动惯量被“隐藏”，即(3-8)联合式（3-7），式（3-8）可知，在等容量“无惯性”DFIG取代常规同步发电机并入电网后，系统等效惯性Hsyn会被削弱。随着风电渗透率的不断攀升，并网变速风机的弱惯性特性对电力系统频率稳定影响会日益增大。因此，通常在DFIG转子侧换流器附加频率控制环节使其能响应系统频率变化。当系统频率跌落时，附加的频率控制环节使风机输出电磁功率抬升，释放出风机转子存储的转动惯量，支撑系统频率。假设风机转子响应频率变化释放的转动惯量全部转化为电能，则风机由此增发的输出功率P为(3-9)在额定情况下，惯性常数定义为(3-10)式中：ωs——风机额定转速；S——功率基准值。此时，由式（3-9）和（3-10）得(3-11)将式（3-11）用标幺值表示(3-12)再将其表示为转矩形式(3-13)式中：T——转矩标幺值。式（3-13）体现了风机转子转速变化与风机附加惯性响应转矩的传递关系，是无额外储能风机参与系统频率调整的基础，即通过RSC附加频率控制便可使DFIG具备惯性响应能力。风电不同惯性响应行为对系统频率特性影响探究从前述分析可知，系统综合频率调节特性由系统内全体负荷和发电单元的频率调节特性共同决定，本小节主要研究风电参与系统调频的不同功率调控行为与常规发电单元同步机间的交互，包括风电惯性响应行为与同步机汽阀动作行为之间的关系及其对电力系统整体调频特性的影响。图3-3用以探究不同风电惯性响应行为对系统调频影响的仿真系统为此搭建包含一个集成DFIG风电场的7机电力系统作算例分析，其拓扑如图3-3所示。系统共有480MW静态恒阻抗负荷。同步机设为配有励磁机和IEEE1型调速器的蒸汽轮机，IEEE1型调速器模型和参数可分别参见附录图I和表I。为模拟频率惯性响应能力较弱的电力系统，同步发电机的调频动作死区设为零，静态调差系数设为5%，不考虑自动发电控制。200MVA、150MVA和100MVA同步发电机的惯性常数分别为5s、4.3s和4s。N为1.5MW双馈风力发电机组的数量，其基本运行参数见附录表II。在本小节的风机惯性控制中，采用了4种典型的不同的调频控制策略，包括最大功率跟踪运行模式（记为“MPPT”）、固定比例微分系数惯性控制（FixedPDControl,FPDC）、基于转子转速的参考轨迹惯性控制（ReferencedRotorSpeedBasedControl,RRSC）、ProposedScheme用来对比不同惯性响应行为对系统频率调整性能的影响，后二具体控制策略描述可分别参见文献[41]、[43]。本小节将在风速分别为12m/s和9m/s、风电渗透水平分别为18.75%和37.50%的场景下，对上述风电调频控制策略的惯性响应行为带来的系统调频效果进行比较研究，还研究了各控制策略抗频率过冲（由于惯性响应相对不平衡功率过大）和在连续频率冲击事件下的调频性能。在算例1-4中，以SG5在65.0s时被切除作为频率冲击事件。在算例5中以在65.0s系统突增40MW静态恒阻抗负荷作为较小的频率扰动事件，与85.0s的另一次30MW负荷突增一同作为算例6中的连续频率冲击事件。风电渗透率的提升反映在新增双馈风机场取代SG3，即双馈风机总数由100增至162。风速对含风电系统调频影响研究图3-4算例1仿真结果算例1：风速为12m/s，风电渗透水平为18.75%：图3-4显示，在确保风机输出功率行为可控的同时，基于转子转速—功率跟踪轨迹控制（RRSC,Proposedscheme）的惯性响应速率比FPDC惯性响应更快，即解耦了类如FPDC基于系统频率状态反馈惯性控制的快速惯性响应速率与为此设置大惯性控制增益带来的功率过调的问题，而FPDC能使系统调频过程较为平滑。此外，与FPDC相比，RRSC和Proposedscheme均能在风机在释放大量转动惯量抑制系统频率跌落后，恢复风机转子转速，使尔后风机捕获风能效率更高，存储更充分的转动惯量以应对后续潜在的频率冲击事件。进一步地，比较RRSC和Proposedscheme，后者试着在时间维度上调节风机输出功率将其塑造成形如“反S”的状态，以达到更平滑支撑系统频率的目的。值得注意的是，Proposedscheme采用基于QFC的转速—功率参考跟踪轨迹对风机进行转速恢复，即调控双馈风机输出功率在其转子转速恢复阶段开始时先平稳缓慢地下降，然后再随着风机转子转速的提升而平滑上调风机输出功率。与RRSC相比，Proposedscheme为风力发电机组节省下了更大的转子转速运行裕量（见图3-4（c）），仅导致RoCoF略微增加。图3-5算例2仿真结果算例2：风速为9m/s，风电渗透水平为18.75%：相较于算例1，在本场景下系统可利用的风能能源更少，各风电控制策略下的频率最低点均有所恶化。图3-5显示Proposedscheme在较低的风速下相较FPDC让风机释放了更充分的转动惯量，并且进一步验证了即使相较RRSC释放了更多的KE，但Proposedscheme基于QFC“先抑后扬”的功率调节方式有效地帮助系统缩短了调频周期，并显著减轻了对系统的二次频率冲击，从而提高了风电整体发电效率和抵抗连续频率扰动事件的能力。从另一个角度来看，在追求相同转速恢复速度水平时，基于QFC“先抑后扬”的功率参考轨迹设计能让风机在启动其转子转速恢复时采用较小功率减载驱动功率，有利于减轻由风机转速恢复给系统带来的二次频率冲击。图3-6算例3仿真结果风电渗透率对含风电系统调频影响研究图3-7算例4仿真结果图3-8频率偏差（Hz）图3-9频率变化率（Hz/s）进一步地，从图3-7和图3-8可以看出，随着风电渗透水平的提高和风速的减小，系统的频率调节能力总体上有所恶化。虽然RSBICs的调频性能还算相对稳定，但如算例3和4中所述，调频时风力发电机组和同步发电机之间的相互作用内在机理有待阐明。经分析，得到关于此问题的初步结论如下：首先，同步发电机惯性本质上是在由于同步发电机与系统以电磁方式耦合，然后在系统瞬时功率平衡的约束下，系统遭受不平衡功率冲击时，同步发电机存储的能量/功率将被强制抽取用于平衡净负荷。如图3-2和图3-4至图3-7（d-f）所示，在系统频率跌落开端，由于存在控制延迟和机械操动部分调节速率限制，从同步发电机汲取的功率包括调速器下垂控制及其汽动阀门动作赶上所需功率前的转子转动惯量。在此期间，由系统动态方程可知，频率将发生偏移。因此，风机惯性响应如何以及何时介入系统频率调整过程影响着常规同步发电机承担的净负荷，带来不同的同步机汽阀动作和频率调节特性。当系统频率跌落时，常规同步发电机组和风力发电机组应及时联合应对频率调整任务。考虑到同步机转子运行动态特性，风力发电机组若在频率事件发生时迅速抬升自身输出导致频率偏差不明显，这可能会“欺骗”同步发电机组导致其汽阀调频动作启动延迟。参见图3-6（d-f），在频率冲击事件开端，RRSC以及Proposedscheme急剧的惯性响应抑制了同步发电机汽动阀门的动作。此时，风电机组转子速度开始偏离MPPT运行点，风力机摄入的机械功率降低。随后，考虑到风机存储转子转动惯量有限以及风机输入输出功率相收敛对风机稳定运行的必要性，为避免风机转子过度减速和由此导致的风机脱网，风机输出功率必须迅速下调。结果就是，紧接着同步发电机被迫承受原先系统中的不平衡功率与风机因运行点偏移而减载的功率的叠加，致使自身被系统瞬时功率平衡约束下汲取的电磁输出功率与原动机受汽动阀门操动限制的输入机械功率之间缺额收敛状态变差（参见图3-4至图3-7（d-f）），从而导致系统频率调整特性不理想。在这一点上，RRSC和Proposedscheme之间的不同之处在于，后者试着通过沿着形如“反S”的功率参考轨迹运行使风机增发功率支撑系统频率到后续自身维稳衰减功率过程之间的过渡过程更温和，不仅降低了过度调节频率会引起的功率波动的风险（参见图3-4至图3-7（a）），还提高了风机转子转速的稳定运行裕度（参见图3-4（c），图3-6（c））。相比之下，FPDC较慢的惯性响应反而为同步发电机汽动阀门在频率跌落伊始全速打开创造了空间。对于非减载运行风机的系统调频过程，在频率跌落开端的暂态过程结束后，常规同步发电机将承担全部的额外不平衡负荷。综上可知，若同步机汽动阀门在频率跌落开始时能全速调节至其后续稳态附近，然后再对其阀门开度进行细致调节，系统频率响应特性将得到显著优化，例如图3-6中关于FPDC控制下的场景。抑制频率过调和应对连续频率冲击研究算例5：风速为12m/s，风电渗透水平为37.5%：如3.1.1小节所述，由于同步发电机一次频率调节具有衰减、滞后和静态偏差特性，因此即使系统遭到较小不平衡功率冲击，风电调频触发阈值也可能被越过。除将频率冲击事件替换为40MW静态恒阻抗负荷，算例5仿真设置与算例3相同。图3-10算例5仿真结果由图3-10（a）可知，对于RRSC来说，由于双馈风机的输出与系统频率解耦，其并且没有阻止风机转动惯量的过度释放，导致系统频率急剧波动，发生显著的频率过调。相比之下，由于Proposedscheme采用了频率过调抑制手段，风机功率抬升得以被基于过冲频差f的功率修正系数抑制。由于Proposedscheme的基本风机功率参考轨迹基于转子转速设计，而其防过调频率修正系数是基于过调频差f，所以Proposedscheme在抑制二次频率冲击和减轻RoCoF方面仍能保持较为理想的性能。至于基于系统频率状态控制的FPDC，在负反馈环节的调节下，除非误采用巨大惯性增益，否则不会出现过调现象。值得注意的是，随着风电渗透水平的提高，频率过调问题将愈发突出，为基于转子转速—功率设计的风电频率支撑策略配备频率过调抑制方法的重要性日益显著。图3-11算例6仿真结果算例6：风速为12m/s，风电渗透水平为37.5%：风电参与系统调频的能力主要取决于其存储的转动惯量，受包括风速，风电渗透率，以及带来风机转子速度变化的风机主动控制的影响。因此，本小节研究系统在不同风电调频控制下应对连续频率冲击事件的性能。图3-11显示，由于RRSC无二次触发惯性响应和抑制转动惯量过度释放的机制，系统经历一次频率冲击后遭受到由二次频率事