大規模海上風電接入對電網頻率跌落影響研究

郎紫惜, 武志剛

(華南理工大學 電力學院,廣東 廣州 510640)

0 引 言

為減少資源浪費、降低碳排放量,電力系統中的電源形式將逐步轉向風和光能等新能源參與發電,傳統化石能源形式在合適的時機可能有序退出。我國向全世界宣布了雄心勃勃的“雙碳”目標[1]。風電是技術最成熟、應用最廣泛以及最具推廣前景的新能源形式[2],世界各國都致力于風電的發展與建設[3]。我國風電同時采用集中式和分布式開發兩種策略,其中集中式開發主要為“三北”地區的陸上風電和沿海地區的海上風電[4]。風電雖然能降低碳排放量,但也會帶來負面影響[5]。世界多起大停電事故[6-7]的發生,均因高比例新能源給電網帶來的穩定問題所致。因此,分析大規模新能源接入對電網的影響具有重要的現實意義。

風電具有隨機性和間歇性等特點,常通過電力電子變流器并網,實現機組轉速與電網頻率的解耦,其有功功率無法響應頻率變化[8],減弱了電網的調頻能力。從電網側來看,風機本身不具有慣量,風機并網后,將導致電網整體慣性水平下降,進而導致相同擾動下頻率偏差增大。當電網中風電并網量較少時,對電力系統頻率穩定性造成的影響較小,但風電滲透率提升到一定程度時,將會明顯影響電網的頻率穩定[9]。為了保證高比例新能源電網的安全穩定運行,需要并網風電場具備一定的頻率支撐能力[10]。

通常頻率穩定研究主要針對通用電網模型,未關注到實際大電網的運行特性。本文對某沿海地區電網的頻率受擾特性進行仿真,分析高風電滲透率電網頻率穩定問題;引入風機調頻能力,利用BPA建立直驅風機接入電網模型,仿真分析風電滲透率、風電接入位置和故障位置對電網頻率穩定的影響;給出風電的發展必須伴隨風機調頻能力的提升、針對頻率的暫態穩定分析需要考慮空間差異性、應加強遠離海上風電接入地區的故障應對能力的建議。

1 電網仿真模型

1.1 海上風電接入對電網運行的影響及相應場景設計

為積極響應國家對清潔能源發展的要求,我國全力發展海上風電事業。由于風電的反調峰特性,夜間負荷減少,風電出力增加,同步電機機電特性主導新型電力系統運行特性的情況在一定程度上被削弱[11]。當風電裝機達到一定比例時,新能源和直流通道等電力電子化電源所占比例將很大,與澳洲大停電故障前情況相似,存在失穩隱患。

隨著新能源比例的逐步升高,電網各方面穩定都受到了影響[12],為了分析不同風電發展情況下電網頻率穩定情況,本文根據某沿海地區電網風電發展規劃設計了五種場景(T1～T5),如表1所示。T1為該電網夏大方式運行情況;T2為基于T1在沿海地區增加風機節點得到運行情況;T3、T4為基于T2用風電機組替換同步機組得到運行情況;T5為基于該電網冬大方式運行情況,在沿海地區進行風機替換得到。

表1 風電發展場景設計

1.2 調頻風機模型

直驅風機具有適用于低風速場景、運維成本低以及能耗少等優點[13]。結合相關要求,我國風機的應用領域將擴展至低風速區域,直驅風機更適合我國風電的發展要求,因此本文仿真模型選用直驅風機模型。

直驅風機通過換流器與電網完全隔離,發電機側換流器控制發電機的輸出功率,根據風速等環境因素對發電機電壓和頻率進行調整,避免受到電網的影響,電網側換流器通過對并網點電壓和頻率的控制實現風機并網。本文基于BPA建立的直驅風機利用下垂控制實現調頻,通過EY卡實現直驅風機的調頻能力,設置頻率偏差死區為0.001 p.u.,頻率偏差限幅為0.006 p.u.。

2 風機未參與調頻時電網頻率跌落分析

新能源發電和負荷同時增長的背景下,風電發展對電網頻率穩定影響可通過T1、T2仿真結果對比表現。從歷史趨勢來看,風電場的建設投產可能伴隨火電廠的關停,為體現這一因素,基于T2通過風機替換同步機的方式提高風電滲透率,得到T3、T4,可對比分析負荷不變、風機替換同步機對電網頻率造成的影響。由于直流閉鎖故障會對電網頻率穩定造成較大影響,甚至可能引起機組脫網,本文設置在1 s時發生直流雙回閉鎖擾動。選取該電網中100個節點分析其頻率曲線,所得仿真結果類似,本文以節點A為例展示,如圖1所示。

圖1 各場景頻率偏差對比

在基本保持火電機組出力不變時,通過新增風電場提高風電滲透率,T1、T2相同節點頻率跌落最低值分別為-0.127 Hz、-0.125 Hz?？芍陔娋W可調頻機組裝機容量不變時,提高風電出力對系統頻率影響不大,T2頻率跌落有略微改善是因為該場景下能夠調頻的火電機組出力更多。T3、T4頻率跌落最低值分別為-0.131 Hz、-0.145 Hz,表明由于火電機組的關停,系統整體慣量降低,電網調頻能力減弱。參考南澳和英國大停電的經驗,高比例新能源接入電網在發生系統故障時,容易引起大規模風電機組脫網。表2為各計算場景下的頻率變化率情況。在T3中,頻率變化率為-0.124 Hz/s,已接近海上風電保護閾值±0.125 Hz/s,發生嚴重風機脫網事故的風險急劇增加。

表2 各場景頻率變化率 單位:Hz/s

在T4下模擬雙回閉鎖故障發生0.1 s后系統不同類型機組脫網,頻率偏差結果如圖2所示。

圖2 直流閉鎖和機組脫網故障下頻率偏差情況

結果顯示,大量機組脫網將進一步加劇頻率的跌落,風電和火電各脫網1 500 MW所造成的頻率跌落更嚴重,和英國大停電前情況類似。由于火電和風電連續脫機將導致電網系統出現較大的功率缺陷,大幅的頻率下降可能會觸發低頻減載裝置,進而導致停電事故的發生。

仿真選取的100個節點在相同故障下所表現出的頻率變化整體趨勢相同,但仍存在差異。相同故障下,不同節點由于和故障點電氣距離不同等原因,頻率所呈現的變化也存在明顯差異,在大電網中分析頻率暫態問題需要關注空間分布因素。

3 風機參與調頻對電網頻率跌落影響

高比例新能源接入必將給電網頻率穩定帶來新的挑戰,如果讓接入的風機具有調頻能力,將大大改善高風電滲透率電網的頻率穩定性,因此對風機參與調頻的需求是必要且迫切的。

3.1 場景設計

以某沿海地區電網冬大運行方式為基礎研究風電滲透率、故障位置和海上風電接入位置對頻率變化的影響,具體試驗設計如下。

(1) 研究風電占比對電網調頻能力的影響:將該電網中部分沿海城市的火電機組替換為可調頻的直驅風機,1 s時在非風電接入區域設置突增負荷2 800 MW擾動,分析不同風電占比下電網暫態頻率變化情況。

(2) 研究海上風電接入位置對電網調頻能力的影響:基于該地區地理位置等因素,分別在四個沿海城市(C1～C4)將3 000 MW同步機替換為風機,在1 s時設置試驗1)相同擾動,分析電網暫態頻率變化情況。

(3) 研究故障位置對電網調頻能力的影響:頻率變化具有空間分布特性,故障位置差異也會對產生不同的影響。1 s時在該電網九個區域(S1～S9)設置突增負荷2 000 MW擾動,分析電網暫態頻率變化情況。

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 風電替換節點比例對調頻能力的影響

通過等容量替換得到的不同風機占比時節點A頻率仿真結果如圖3(a)、圖3(b)所示,替換比例為5%、30%時,風機是否參與調頻情況下節點頻率仿真結果如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 風機替換不同比例時頻率仿真結果

隨著風電接入比例的增加,節點A的頻率跌落增大,電網的調頻能力減弱。風機參與調頻時,頻率跌落減小,調頻能力增強,且當風電滲透率越大時,調頻風機對電網調頻能力的改善越明顯。因此針對風電滲透率將增大的電網,合理安排風機的調頻能力,對電網頻率穩定是有效且必要的。

3.2.2 海上風電接入位置對調頻能力的影響

分別在沿海城市C1～C4替換火電機組3 000 MW時,擾動下節點A的頻率仿真結果如圖4所示。在不同沿海城市替換調頻風機對電網調頻能力影響存在差異,這也說明電網頻率穩定與電網結構存在一定關系,在研究海上風電并網方式時也應考慮電網拓撲結構的影響?？山Y合電網拓撲特性,利用復雜網絡理論,根據電力網絡節點度和節點相關性等參數,找到使電網調頻能力得到較大提升的風機并網點,從而對風機并網位置的選擇提出更好的建議。

圖4 不同風電接入位置下頻率仿真結果

3.2.3 故障位置對調頻能力的影響

1 s時在各區域(D1～D9)設置突增負荷2 000 MW擾動,其中D5、D6、D9為海上風電接入區域,節點A頻率仿真結果如圖5(a)、圖5(b)所示(以其中四個區域為例展示)。在不同故障位置下,節點A頻率跌落值之差最大和最小時,頻率仿真結果如圖5(c)、圖5(d)所示。

圖5 故障位置不同時頻率仿真結果

根據仿真結果,在不同地區設置同類型故障時,電網頻率偏差存在較明顯的差異,這也印證了前文頻率在暫態發展過程中具有空間差異性的論斷。當擾動位置越接近海上風電接入點時,風機的調頻能力所起的作用越強。應根據不同區域的風電接入情況,在保證風電不斷發展的同時,注重其他區域的故障預防,提升電網的應對故障能力。

4 結束語

本文基于BPA搭建了不同風電滲透率場景下某沿海地區電網的仿真模型。對風機不參與調頻與參與調頻時的頻率跌落特性進行分析,得出以下結論。

(1) 當風機不具備調頻能力時,高比例新能源的接入將顯著弱化電網的頻率穩定水平,且頻率在大電網中的暫態發展過程存在空間差異性。

(2) 直驅風機參與調頻時,電網的頻率穩定性得到改善,且其對電網調頻能力的改善隨著風電滲透率的增大而更加明顯;在不同城市替換相同容量風機時,對電網頻率水平造成的影響存在差異;擾動發生在調頻風機接入點附近時,風機所起的調頻作用更為顯著。

基于本文研究結果,應用調頻風機將有效解決高風電滲透率電網的頻率穩定問題,根據電網頻率特性具有空間差異性,對調頻風機進行參數設置和合理使用,可以增強電網的頻率調節能力,提升電網的頻率穩定性。