风电并网的频率控制问题

第17卷第2期2012年4月哈尔滨理工大学学报JOURNALOFHARBINUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.17No.2Apr．2012风电并网的频率控制问题师楠1，2，朱显辉1，2(1．黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江哈尔滨150027;2．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要:在过去几十年内，风电是增长最快、应用最广泛的新兴可再生能源．人们希望风力发电机连接到电网上时，能够像传统发电机一样，提供可靠的电能，确保系统的稳定．由于风电的不可控性，随着风电在电网中所占比例的提高，产生了各方面的问题．其中，对于风电并网时电力系统的频率稳定问题，引起越来越多的关注．近年来，针对风电并网的频率控制问题的不同方面，提出不同的解决方法．文中总结了风电频率稳定控制的不同研究，并就未来研究的方向给出建议．关键词:风能;频率控制;频率稳定中图分类号:TM310文献标志码:A文章编号:1007－2683(2012)02－0084－05TheFrequencyControlIssuesaboutWindFarmGridIntegrationSHINan1，2，ZHUXian-hui1，2(1．TheEngineeringTrainingandBasicExperimentalCenter，HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology，Harbin150027，China;2．SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)Abstract:Windisthefastestgrowingandmostwidelyutilizedoftheemergingrenewableenergytechnologiesinelectricitysystemsinthepastseveraldecades．wehopewindgeneration，likeconventionalgenerations，providesreliableelectricitywithastablesystem．Duetouncontrollabilityofwindpower，withtheproportionofwindpowerinthegridincreasing，itcausesdifferentproblems．Amongthem，moreandmoreattentionispaidtotheproblemoffrequencystabilityofwindfarmgridintegration．Inrecentyears，differentaspectsintermsoffrequencystabilityofwindfarmgridintegrationanddifferentmethodshavebeenproposed．Manystudiesonfrequencystabilitycontrolsaresummarizedinthispaper，andthefutureorientationsoffrequencystabilityareputforward．Keywords:windpower;frequencycontrol;frequencystability收稿日期:2011－09－09基金项目:国家自然科学基金(51107015)作者简介:师楠(1982—)，女，博士研究生，讲师，E-mail:[e-mail]．0引言随着世界能源的日益枯竭，以及环境保护的要求，对新能源的开发变得日益紧迫．解决这些问题的方法之一是采用新的能源，如太阳能、风能等．由于太阳能的转化效率很低而且相对于风电来说成本过高．因此，风力发电被认为是最普遍和最有吸引力的能源之一，受到了人们的广泛关注．在中国和世界许多国家，许多大型的风场正在规划．预计在2020年世界范围内风能将占到12%［1］．根据以后的市场发展趋势，按照目前的政策环境和产业发展态势，保守估计中国的风电发展目标．预计在2020年中国的风电发电量将达到4000万千瓦［2］．随着风电比例的增长，确保风电并网后电力系统连续运行的频率稳定是风电研究中的重要课题之一．1电力系统的频率稳定特性电力系统的频率是电能质量的三个指标之一，电力系统的频率反映了系统发电的有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数，与广大用户的电力设备以及发供电设备本身的安全与效率有着密切的关系．当越来越多的风力发电机并入电网，必然要考虑到风力发电对电网频率的影响，当考虑到风电对电网的影响，需考虑不同方面的影响．一方面要从风能的波动性考虑对电网的影响方面，既要考虑风力发电的无法预测性和高度波动性，又要考虑由于发电功率的突然改变产生无法预测的频率波动．另一方面要考虑风机处理不同电网事件的能力，如发电单元的突然缺失或增加，负荷的突然增加或减少等方面来考虑电力系统的频率稳定．2针对风能的波动性风力发电系统是由风机通过叶片捕获风能，风机是风力发电系统中重要的能量转换部件．风力机的机械输出功率为Pm=12ρAv3Cp=12ρπR2v3Cp(1)式中:ρ为空气密度;A为风机叶片扫过的面积;R为风机的叶片半径;v为风速;Cp为风能利用系数．其中风能利用系数Cp与风速，叶片转速、叶片直径、桨叶节距角有关．根据贝茨理论，风能利用系数的最大值为0.593．可以看出，风能的输出与风速的三次方成正比．风速是风力发电机的原动力，风力发电在很大程度上依靠风速和风向．由于风能的输出波动很大，风电是不稳定，不能提供恒定的电力输出．同时由于风机输出功率的波动，随着风机数量在电网的增加，整个风能的波动随着风机数量增加而成非线性代数增长［3］，如下式(2)所示:ΔPwf=∑Ni=1ΔP2wt，槡i(2)式中:ΔPwf为整个风场功率的波动;N为风机数;ΔPwt为单个风机的功率波动;i为风机编号．随着电网中风机安装的容量增加，针对风能的波动性和不可控性，已做了一些研究．一方面提出引入储能设备，减少了由于风能的波动而引起的电网频率变化．文［4－5］中提出通过引进电池能量储能系统，稳定发电机的发出功率．虽然电池相对于其他能量储存系统体积小，但是，引入大量的储能设备必然使得花费增加，同时，当电池性能恶化时，所起的效果也会变差．对于小的独立的电力系统提出柴油发电机和风能的混合发电［6－7］．由风机和柴油发电机组成的混合系统是可靠的，因为柴油发电机作为缓冲，考虑了风速的变化，并一直保持平均功率等于参考值．但是只用于小的电网．另一方面，对固定转速的风力发电机提出采用桨距角控制［8－9］，但是由于风能的不规则性以及机械本身的限制影响了输出功率的水平．文［10］针对风能的波动性提出通过桨距角控制和电池充放电相结合，来稳定发出的风能．文中指出发电功率在低频时波动，通过桨节距角控制，在高频波动时通过电池充放电，从而减少了电池的容量，节约成本．但是文中把各种模型进行线性化，控制过程过于理想化．对于频率控制在负荷方面，提出采用离散可控负荷，通过对负荷输出功率控制以维持供需的平衡．文［11］文章对一个小的离散的电力系统提出，采用离散可控负荷(电加热水)维持供需的平衡，从而抑制频率的波动．但是可控负荷在市场占得份额有限，此种方法具有局限性．3提高处理不同电网事件的能力针对不同的电网事件，如发电机组的突然缺失、短路、负荷突然增加等．当越来越多的风电并入电网，希望风力发电机能够参与一次调频的能力．电力系统频率指示电力系统功率平衡．在电力系统中发电量的瞬间下降引起有功功率瞬间不平衡，导致频率下降．频率下降的变化率是由系统惯性决定的［12］:－ΔP=M×dfdt(3)式中:df/dt为频率变化(Hz/s);ΔP为功率变化，M为惯性常数表明发电机的调节特性．但是频率不能恢复到以前的值，直到有功功率的下降量被另外的源所代替．为此，文［13］提出风能在正常运行时，并不是提供最大的可利用能量，而是保留一定的功率余量来参与频率控制．此种方法的风机能量没有完全利用，造成了能源的浪费．从式(3)可以看出，惯性常数与功率/频率特性相关，因58第2期师楠等:风电并网的频率控制问题为具有大的惯性常数的发电机通常具有大的旋转备用，其与功率/频率特性直接相关．系统惯性决定了系统频率对电力平衡的敏感度．当负载或发电功率变化时，系统惯性越低，系统的频率变化率越高．同时，不同的风机其惯性系数也不同．文［14］对鼠笼感应电机、双馈风力发电机以及多极同步发电机的惯性反应进行比较，得出鼠笼感应电机、双馈风力发电机和多极同步发电机具有不同的惯性反应系数．文中指出由于鼠笼感应电机的转差率通常为1～2%，感应电机的定子和电网直接连接，使得电网频率和发电机电磁转矩、有功功率之间存在很强的耦合．因此当电网的频率发生偏差时，电机的转速将随之改变，这就是所谓的发电机“惯性”反应．当频率下降，电机减速的速率由其惯性常数和所有连接其轴上的旋转物质(如风机叶片)决定．惯性行为取决于风机的叶片设计和当前的桨矩角控制．通常传统的发电机的惯性常数为2～9S，而采用感应电机的风机的通常惯性常数为2～6S，因此能够对频率的变化产生快速的反应．但是恒速风力发电机的显著特点是对风能的利用率不高，为了获得最大的转换效率，需要与风力发电机相连的发电机具有变速运行的能力．多极永磁同步发电机和双馈风力发电机是其中的代表．多极同步发电机(如图1所示)，电机的定子通过一个AC/DC/AC转换器连接到电网上，导致当电力系统的频率发生改变时，定子不受电网频率变化的影响．当电网频率变化时，没有惯性反应．图1多极同步发电机的变速风电机组双馈风力发电机(如图2所示)，其定子与电网直接相连，而转子通过一个AC/DC/AC转换器连接在电网上，电网频率变化对电机转子转速的影响取决于电力转换器的结构和控制方式．双馈发电机通常采用矢量控制，通过控制交流励磁电流的矢量来控制发电机输出电流的矢量，进而改变其有功分量和无功分量以达到控制有功和无功输出，对无功和有功进行单独的解耦控制．双馈发电机的矢量控制模型图，如图3所示，从图中可以看出，当采用矢量控制时定子电压是一个测量变量，当电力系统的频率下降时，矢量控制使得双馈发电机的电磁转矩维持在参考值Tref，此时，由于风速不变，发电机的机械转矩保持不变，进而发电机的加速转矩保持不变．当系统的频率下降时，发电机的转速保持不变，观测不到惯性反应．图3中Vstator为定子转速，ω*为电机额定转速，Cp为风能利用系数，ω为发电机的转速，Tref为电机的参考转矩．由于双馈风力发电机采用矢量控制使得电力系统和机械系统解耦，阻止了发电机响应系统的频率变化，当大量的双馈发电机并入电网时将减少系统的惯性系数．电力系统的惯性系数较低的情况下，当发电或负荷突然改变时，电力系统的频率将波动很快，因此，在这种情况下，需提供辅助的频率补偿设备以确保系统频率在规定的范围之内．文［15］证明了基于双馈发电机的风机系统通过增加一个辅助的控制环节，当系统频率变化时能够释放能量．文［16］中，J．Morren等人提出对于变速风力发电机，可以利用其叶片或电机惯性的旋转能量参与一次调频．但是释放和储存的能量只能作为一次调频的一部分，事实上由于风能的不连续性，短时间内这种能量很难长期保存．文［17］提出，在不用测量风速和不需额外的能量储存设备的基础上利用变速风力发电机中的永磁同步发电机参与一次调频，通过模糊控制理论无论在任何运行点都能够获得一次能量保留．但是，在这种情况下风机是退化运行的，因为当保留的风能不被利用，风能就会被损耗．文［18］提出在燃料电池和风机的辅助作用，在这种情况下，风力发电机保证68哈尔滨理工大学学报第17卷在第一时间内进行频率控制(燃料电池的时间反应比风机更重要)．但是在这个例子中，只有燃料电池被用于参与一次调频