兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略

2008年11月电工技术学报Vol.23No.11第23卷第11期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYNov.2008兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略陈宁于继来（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001）摘要越来越多的风力发电将分布在配电系统中，它们无法像常规电源一样由输电网调度中心集中调度和控制，通常需要采用分散自治的调控方式。然而，风电机组完全不顾输电系统的运行需求充分自治，会在某些方式下导致系统运行状态恶化。因此，需要研究风电机组新型调控策略，使充分自治转变成能够兼顾系统某些特殊运行需求的有限自治，配合系统渡过难关。针对此问题，提出了能够兼顾系统调频需求的分布式风电机组分散自治调控策略，该策略根据风电机组运行信息和系统频率将风电机组调控区划分为并网控制区、正常调控区、异常调控区、紧急调控区和脱网控制区五类，并给出了异常调控、紧急调控和故障调控三种新的调控模式。算例表明：风电机组能够较好地根据系统调频需求，在最大可用输出功率范围内调整自身输出功率，一定程度上给予系统积极的支持。关键词：风力发电调频分布式分散自治中图分类号：TM76StrategyforDecentralizedAutonomousRegulationofDistributedWindPowerConsideringSystemFrequencyRegulationDemandChenNingYuJilai（HarbinInstituteofTechnologyHarbin150001China）AbstractMoreandmorewindgeneratorsdistributeinelectricpowersystem.Itisimpossibletoregulatethembydispatchcenteroftransmissionnetworklikeconventionalelectricalsources.Itneedstoberegulateddecentralizedlyandautonomously.However,autonomousregulationofwindgeneratorsseparatedfullyfromtransmissionnetworkwillleadsystemtobeworseinsomemodes.Soitneedstostudynewstrategiesforregulationofwindturbineandmaketheregulationtobelimitedlyautonomous,whichwillcooperatewithsystemoperationandhelppowersystemrecover.Thispaperproposedastrategyfordecentralizedautonomousregulationofdistributedwindpowerconsideringsystemfrequencyregulationdemand.Accordingtosystemfrequencyandoperationinformationofwindgenerators,regulationregionsofwindgeneratorsaredividedintointerconnectionregion,normalregion,abnormalregion,urgentregionandclearingregion.Further,threenewregulationmodes,whichareabnormalstep-regulation,urgentstep-regulationandfaultstep-regulation,areproposed.Examplesystemresultsshowthatwindgeneratorscanregulatetheiroutputsinordertosupportthesystemaccordingtothesystemfrequencyregulationdemand.Keywords：Windpower,frequencyregulation,distributed,decentralized,autonomous国家自然科学基金（50477008），高等学校博士学科点专项科研基金（20040213031）和黑龙江省自然科学基金（E0326）资助项目。收稿日期2007-07-11改稿日期2008-02-18124电工技术学报2008年11月1引言能源危机、环境问题和电力市场化等因素加速了分布式发电（DistributedGeneration,DG）的发展，其中，尤以风电发展最快。电力系统中风电比重的不断增加，势必会对电网产生多种影响，有必要深入研究风电机组控制对系统的不同影响以及如何兼顾系统某些运行需求的问题。文献[1]认为变速恒频双馈风力发电机组可以采用矢量控制、直接功率控制、多标量控制等方式弥补自身控制的某些不足。文献[2]指出DG可以提高现有发电设施利用率，并对配电系统起一定支持作用。文献[3-4]认为合理地规划和增加DG可以对电压起到一定的支撑作用并能够减小线路损耗。文献[5-6]分析了风电对系统频率的影响。文献[7]指出大规模双馈感应风电机组接入电网会出现线路传输功率越限、短路容量增加及系统稳定性变化等问题。文献[8]认为当DG输出功率过剩，对配电网注入过多功率会影响系统的可靠性，并指出：采用风能、太阳能等间歇性和随机性比较强的电源会对系统可靠性产生不利影响。文献[9]指出风电并网运行会影响系统频率，但风电机组自身缺乏对频率的调节能力，只能依靠输电网调度员或调节装置来维持系统频率。风电机组自身缺乏对频率的调节能力是由技术标准IEEE−1547[10]造成的，该标准还规定：在电网故障或非正常状态运行时，DG必须自动脱网运行。这种缺乏对系统频率调节作用的控制方式和没有兼顾系统特殊运行需求的自动脱网方式有可能给系统带来较大的负面影响。文献[11-12]由德国电力系统实际运行情况指出，在系统三相短路后，按现有控制方式将会损失大量风力发电容量，从而使系统运行状态恶化。文献[13]由2006年11月4日欧洲大停电事故指出，故障过程中风力发电无序地解列、并网及增加输出功率，对电网运行起到了“火上浇油”的作用。实际上，上述“无序”并不是由风电机组分散自治控制的“无组织性”造成的，而是由IEEE−1547标准对风电机组运行的“不合理要求”造成的。该标准更多地关注风电机组自身，而对特殊运行方式下的系统需求缺乏足够考虑。随着风力发电的快速发展，将会有更多的风电机组分布在配电网中。它们无法像直接接入输电网的电源一样由输电网调度中心集中调度和控制，也难以要求面多量广的分布式风电机组经由配电管理中心或某一集中控制中心通过与输电网调度中心的间接协调实行统一控制。因此，分布式风电机组应该更多地采用分散自治控制方式。但前文已指出，大量风电机组采用现行运行标准，缺乏对输电系统调频需求的考虑，这种完全不顾输电系统运行需求的充分自治控制方式容易恶化系统频率，对系统运行起“火上浇油”的作用。刚刚过去的欧洲“11.4”大停电事故的惨痛教训警示人们：必须对风电机组现行标准加以修改和完善，使分散自治控制方式能够兼顾系统某些特殊运行需求，让风力发电更好地发挥积极作用。基于上述分析，本文从分布式风电机组分散自治控制如何兼顾系统调频需求的角度出发，提出了新的风电机组调控模式，使分布式风电机组能够配合输电系统的调频，加速系统频率的改良或阻滞系统频率恶化，利于系统频率恢复。2风电机组常规自治控制方式对系统调频的不利影响目前，变速恒频作为风电机组的主流控制技术得到广泛应用。该技术通过相应的功率转换装置实现输出电能的频率恒定。图1为典型的变速恒频风力发电系统原理图[14]。图中，fs为电网频率，f1为定子输出频率，fw为风电机组转子旋转频率，f2为励磁控制电流频率，后三者满足关系f1=pfw+f2（1）式中p——发电机的极对数。图1风力发电系统原理Fig.1Principlediagramofwindturbine由式（1）可见，当fw变化时，可以通过控制f2，使f1=fs，即保证定子输出频率与电网频率一致。忽略机组损耗，可得相关功率之间的关系如下：P2=sP1（2）m11PPs=−（3）式中Pm——风轮机输入的机械功率；P2——转子输入功率；P1——定子输出功率；第23卷第11期陈宁等兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略125s——为转差率，s=1−f1/fs。由上述可知，在忽略损耗的情况下，风电机注入电网的有功功率始终为风力机的机械功率Pm=ρπr2Cpv3/2（4）式中ρ——空气密度，kg/m3；r——风力机扫风半径，m；v——风速，m/s；Cp——风机效率系数。在风力机参数确定的情况下，风力机的机械功率由风速决定，即风电机组对电网注入的有功功率取决于风速条件。这种完全自治的控制方式在风电机组容量所占比重较小、系统调频容量比较充裕时不会对系统造成显著不利的影响，但当风电机组容量所占比重较大、系统调频容量比较匮乏时，会在以下两种情况下对系统产生不利影响：（1）系统频率偏低、风速减小时，风电机组对系统注入的有功功率减少，导致系统频率进一步降低，系统运行状态趋于恶化。（2）系统频率偏高、风速增加时，在风电机组设备自身允许的最大输出功率范围内，风电机组对系统注入的有功功率增加，导致系统频率进一步升高，系统运行状态趋于恶化。第一种情况，风电机组对系统运行“无能为力”；第二种情况，风电机组的完全自治控制对系统运行有“火上浇油”之过。因此，必须限制风电机组的这种自治控制行为，在政策允许的情况下，采取适当的新型调控策略使其能够在力所能及的范围内兼顾系统的调频需求。3新型调控策略的总体思路新型调控策略要求在保持风电机组分散自治调控的基础上能够兼顾系统调频需求，兼顾的过程要与现有风电运行导则或标准法规中发挥积极作用的内容点相衔接，要考虑到机组就地所能测得信号的局限性。因此，我们在设计新型调控策略时应该注意如下几点：（1）《中华人民共和国可再生能源法》规定电网企业“应当全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量”。风力发电具有运行成本低、环境效益好等优点，在电力系统运行状态比较正常、风速较稳定的情况下，应尽可能多地利用风力发电容量。（2）欧洲相关电网运行导则要求，风电机组实际输出功率应在当时风速条件可用输出功率水平基础上下调一定量，以使其能够在系统频率出现偏差时，尽可能地配合系统运行，满足系统运行的特殊需要，对系统起一定的支持作用[15]。（3）接于配电馈线上的风电机组所能利用的测量信息有限，通常只能从馈线终端单元（FeederTerminalUnit,FTU）获取馈线注入功率、馈线所带负荷和系统频率等信息。3.1新型调控策略的基本思想对于包含风力发电的配电系统，当系统频率出现偏差时，风电机组应该调整自身的控制方式，尽可能地兼顾系统调频需求，这样可以缓解系统的压力，为系统频率恢复创造条件。本文提出的风电机组调控框架如图2所示。图2风电机组调控框架Fig.2Regulationstructureofwindturbines根据前文要求，将风电机组调控区进行分类，并给出三种不同的新型调控模式以供不同情况选用。在具体控制时，以馈线为单元，一方面，在FTU中嵌入相应的智能风电调控处理模块（如调控区选择模块、调控模式选择模块、调控指令触发模块等），并将此FTU简称为智能FTU，由智能FTU判断和选择风电机组的调控区和调控模式并向风电机组发送调控触发指令；另一方面，在风电机组中嵌入相应的处理模块，当由于某些原因造成风电机组没有收到智能FTU下发的调控触发指令时，风电机组自身根据系统实时频率信息进行相关数据处理并采取自治调控，以此实现新型调控策略。风电机组应充分利用其所在馈线能够提供的有限数据资源。当