风电接入孤网后的频率控制策略

刘 林， 许晓艳

(1. 国网能源研究院， 北京 102209; 2. 中国电力科学研究院， 北京 100192)

风电接入孤网后的频率控制策略

刘 林1， 许晓艳2

(1. 国网能源研究院， 北京 102209; 2. 中国电力科学研究院， 北京 100192)

由于风电场容量相对于孤网系统容量较大，且不具备传统发电机组的调频功能，风电出力的随机波动特性势必会引起孤网系统频率的显著波动，严重影响孤网中设备的安全稳定运行。在总结及阐述孤网概念及已有频率控制方式基础上，研究并建立抑制风电接入后频率大幅波动现象的孤网频率控制策略，包括三次和二次频率调节策略，其中，三次调频考虑风电场短期和超短期出力预测进行含风电的协调调度，二次调频根据系统频率以及风电场出力趋势对常规电源和风电出力进行秒级至分钟级的调整。最后，通过建立含风电的孤网动态仿真模型，仿真验证所提出控制策略的有效性。

风电； 孤网； 频率稳定； 控制策略

1 引言

随着全球气候变暖和化石性能源危机的爆发，风力发电作为无污染、可再生能源在全世界范围内得到了广泛的关注和发展。截至到2013年底，全球范围内约有24个国家的装机容量超过1GW。中国风电仍保持着持续发展的后劲，市场预期良好，至2013年底，全国共有16个省(区)风电累计并网容量超过1GW[1]。

风电的并网形式主要包括大规模集中接入输电网和分布式接入配电网两种方式，随着风电利用形式的多样化，越来越多的风电场将作为主要电源形式接入孤立电网运行。相比于接入传统大电网，风电场接入孤网后将会对系统运行产生重要的影响，其中之一便是频率稳定问题。由于风电场容量相对于孤网系统容量较大，且不具备传统发电机组的调频功能，风电出力的随机波动特性势必会引起孤网系统频率的显著波动，危及到系统内各类电气设备的安全运行。因此，研究风电接入后的孤网频率控制策略是解决风电场接入孤网运行的关键。

目前国内外对风电接入孤网后系统频率稳定问题研究还很少，文献[2]提出了符合风电孤网运行原则的功率调节器核心控制算法，但该算法仅适用于负载突然变化或风速突然变化的秒级时间尺度频率调整，未涉及到更长时间尺度二次和三次调频；文献[3,4]针对风电场并入孤网的安全稳定装置的配合问题，提出适应风电特性的孤网系统高频切机配置方法，但该方法仅是针对紧急情况下的频率控制，未涉及到正常运行时的频率稳定控制；文献[5]通过仿真分析提出，风电场规模较大时会影响地区电网的频率恢复，但未提出相应的频率稳定策略。文献[6] 针对高渗透率大规模风电接入的孤立电网，提出一种风电-储能系统孤立电网控制策略，该策略仅适用于含储能的孤网系统，不具有普适性。

本文在总结孤网定义及现有频率控制方式的基础上，研究并提出风电接入孤网后抑制高频现象的系统的三次和二次频率控制策略，三次调频策略可根据风电场出力预测结果将风电纳入系统的计划曲线制定中，二次调频策略在常规机组二次调节控制策略的基础上，根据频率运行范围确定风电场是否参与调节。最后，通过仿真方法验证所提策略的有效性。

2 孤网定义及频率控制方式

2.1 孤网定义

电力建设规程规定，电网中单机容量应小于电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。根据这一判据，最大单机容量小于电网总容量的8%的电网可以称为大电网，机网容量比大于8%的电网统称为小网。孤立运行的小网，称为孤网，孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。

2.2 孤网频率控制方式

电力系统中影响系统频率变化的关键因素主要有两个：①负荷与发电机出力之间的不平衡量；②系统内所有发电机总转动惯量。孤网容量较小，各单台机组和大型用电设备所占的功率比例较大，发电机组输出功率的变化量和负荷的扰动量相对值也较大，这将对孤网频率产生明显影响。而且，孤网中所有发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，自平衡能力差，同样的不平衡力矩会引起较大的发电机组转速变化，即同样的不平衡量在孤网运行时会导致频率出现较大幅度的波动[7,8]。

电力系统的频率调整是按照负荷变化的周期和幅值大小区别对待的，一般将负荷变化分解成三种成分。第一种幅度很小，周期又很短，一般小于10s，具有随机性质，称为微小变动分量；第二种变动幅度较大，周期大约在10s至2～3min之间，属于冲击性的负荷变动；第三种是长周期分量，周期大约在2～3min至10～20min之间，它是由生产、生活和气象等引起的负荷变化，有其规律性，可以预测。

频率的三次调整是针对第三种负荷变动分量，它随时间调整机组出力执行发电计划，或每隔一段时间(如5min)按经济调度原则重新分配出力[9]。频率的二次调整是针对第二种负荷变动分量，这种调整需要通过自动或手动方式改变调频发电机的同步器(也称调频器)来实现。同步器位置的改变会平移调速系统的静特性，从而改变发电机出力，达到调频的目的。如果参加调频机组的容量足够大，就可以实现无差调节。

近年来，为了提高孤网运行频率稳定，学者们进行了大量的研究。研究结果表明，通过提高一次调频动作灵敏度[10-12]、设置合理的OPC定值[13,14]、高频切机、低频减载以及二次调频等手段[15-17]，可有效维持孤网运行的频率稳定。对于作为孤网状态常态运行的电网，如企业自备电厂、循环经济系统和微网等，除了以上的频率控制手段，还需要具有根据负荷预测制定机组计划的三次调频功能。

风电场接入孤网后，若不考虑风电出力的随机性，系统三次调频和二次调频都将存在一定的误差，从而在风电出力波动较大时，出现由于机组调节容量不足导致的频率显著波动现象。本文主要研究风电接入孤网后系统三次调频和二次调频控制策略的调整方案。

3 风电接入孤网后系统频率控制策略

3.1 三次调频策略

在风电场接入之前，为了维持孤网实时运行时的频率稳定，有必要进行三次调频，即根据负荷短期(日前)或超短期(5min或15min)预测曲线，按照经济调度原则分配各台发电机组出力，发电机组随时间调整出力执行发电计划。

风电接入孤网后，三次调频控制流程如图1所示。机组计划出力包括风电的计划出力和其他可调节出力常规机组的计划出力。由于风电运行成本近乎为零，在运行中应优先考虑风电发电，因此，计划制作流程首先根据负荷预测、不可调节出力机组预测功率、可调节出力常规机组参数以及线路限额，以风电接纳能力最大为目标，计算出孤网系统的风电接纳空间；比较风电功率预测值和风电接纳空间，若接纳空间大于预测值，则风电场的计划即为预测值，反之，风电场需要限制出力至接纳空间，至此，风电场计划制作完成。将风电场计划值以及一些出力不可调机组(如小水电)的预测出力看作“负”的负荷，叠加到负荷上，即可得到系统的等效负荷，再将等效负荷按照经济调度或调节比例等原则在可调节出力的常规机组之间分配，即可得到可调节出力常规机组的发电计划。

图1 风电接入孤网后三次调频流程图Fig.1 3rd frequency adjustment flowchart after integration of wind power into isolated network

3.2 二次调频策略

风电接入孤网后系统二次调频流程如图2所示。考虑到经济原因和技术因素，风电场不适合频繁进行秒级出力调节，可通过设置频率阈值，确定风电场参与二次调节的范围。在频率阈值范围以内，系统二次调频由其他具备AGC二次调频功能的常规机组承担，即根据系统频率偏移幅度，计算出系统所需的总调节功率，并按照一定的分配原则分配至参与调频的各台常规机组。频率超出上阈值，且风电场出力处于爬坡状态时，可采取分批切除风电机组的措施稳定频率；频率低于下阈值，且风电场出力处于下降状态时，可采取紧急切负荷措施稳定频率。

图2 风电接入孤网二次调频流程图Fig.2 2nd frequency adjustment flowchart after integration of wind power into isolated network

4 仿真验证

以某铝厂自备电厂为例仿真验证所提的频率控制策略。图3为某自备电厂系统接线图，铝厂负荷共分三期，分别为300MW、500MW和700MW，铝厂负荷日曲线按照恒定不变考虑。系统内共有8台火电机组，其中4台容量100MW，2台容量300MW，2台容量350MW，火电机组调节范围按照50%Pn～100%Pn考虑，上下爬坡速率按照2%Pn/min考虑。风电场装机容量300MW，含150台2MW直驱风电机组，接入三期负荷220kV母线上。

图3 某铝厂自备电厂系统接线图Fig.3 Connection diagram of aluminum factory’s self-powered power plant system

典型日风电场预测出力和实际出力如图4所示，时间尺度为1h。图5给出了根据负荷和火电机组最低技术出力计算所得的风电的接纳空间，可以看出，风电的接纳空间远远高于风电的预测出力，风电的计划出力即为预测出力。

图4 风电场预测出力和实际出力Fig.4 Wind farm’s forecast output and actual output

将风电计划出力作为“负”的负荷和铝厂负荷叠加得到等效负荷，并按照机组可调出力比例分配给各火电机组，可得到三种容量火电机组的计划出力，如图6所示。

图6 火电机组计划出力Fig.6 Thermal power units’ planning output

按照图2所示二次调频控制流程图，设置系统频率安全运行范围为48.5～50.5Hz，风电调节频率阈值为50.5Hz，火电机组全部参与AGC二次调节。300MW风电场接入孤网系统后，如在三次调频中火电机组只根据铝厂负荷制定计划曲线，风电出力势必会引起频率大幅提升。图7为风电场接入后，且参与三次频率控制时的频率运行曲线，其中风电场和火电机组的出力计划按照图5和图6执行。可以看出，风电场仅参与系统三次频率控制、但系统不具备二次频率控制功能时，在本算例系统中，系统频率运行范围为48.5～51.5Hz，仍然超出了安全运行范围。图8为采取本文所提出的三次和二次调频控制策略后的系统频率运行曲线，可以看出，本文提出的控制策略可有效地将系统频率控制在频率安全运行范围内。

图7 仅有三次调频控制时的系统频率曲线Fig.7 System frequency under the 3rd frequency adjustment

图8 三次和二次调频控制时的系统频率曲线Fig.8 System frequency under the 3rd and 2nd frequency adjustment

5 结论

风电场接入孤网系统将会引起系统频率剧烈波动，危及系统中设备的安全运行。本文在已有孤网频率控制的基础上，研究并建立了风电接入孤网后系统的三次和二次调频控制策略，实现了根据风电预测结果进行三次调频控制，并将风电场纳入系统二次调频控制，在必要时刻通过限制风电场出力和切负荷措施稳定系统频率。通过将风电纳入系统调频控制，可有效应对风电接入孤网引起的频率剧烈波动现象，对含风电的孤网系统安全稳定运行具有实际的指导意义。

[1] 李俊峰，蔡丰波，乔李明，等 (Li Junfeng， Cai Fengbo， Qiao Liming, et al.). 2014年风电发展报告 (2014 China wind power review and output) [R]. 北京: 中国循环经济协会可再生能源专业委员会 (CREIA) (Beijing: CREIA)，2014.

[2] 李明 (Li Ming). 风电孤网中功率调节器的研究 (Study of power regulator in wind power isolated grid) [D]. 北京：北京交通大学 (Beijing: Beijing Jiaotong University)，2011.

[3] 周专，姚秀萍，常喜强，等 (Zhou Zhuan， Yao Xiuping， Chang Xiqiang, et al.). 大规模风电并网对孤网频率稳定性影响研究(Study of impact of bulk wind power integration on isolated grid frequency stability) [J]. 中国电力 (Electric Power)，2014，47(3):28-32.

[4] 陈树勇，朱琳，丁剑，等 (Chen Shuyong， Zhu Lin， Ding Jian, et al.). 风电场并网对孤网高频切机的影响研究(Impact of grid-connected wind farms on high frequency generator tripping in isolated power grid) [J]. 电网技术(Power System Technology)，2012，36(1): 58-64.

[5] 张俊安，田西秦，牛铭 (Zhang Jun’an， Tian Xiqin， Niu Ming).考虑风电场影响的地区电网孤网运行分析(Analysis of isolated operation of regional grid based on wind farm) [J]. 电网与清洁能源 (Advances of Power System & Hydroelectric Engineering)，2011，27(4): 44-47,56.

[6] 施琳，罗毅， 施念，等 (Shi Lin， Luo Yi，Shi Nian, et al.). 高渗透率风电-储能孤立电网控制策略 (A control strategy of isolated grid with high penetration of wind and energy storage systems) [J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2014，47(3): 78-85.

[7] 张静 (Zhang Jing)．DEH系统孤网运行控制系统技术解决方案(Solution for DEH system in isolated network running) [J]．热力透平 (Thermal Turbine)，2009，38(1)：65-67．

[8] 刘梦欣，王杰，陈陈 (Liu Mengxin，Wang Jie，Chen Chen)．电力系统频率控制理论与发展(Theory and development of power system frequency control) [J]．电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2007，22(11)：135-139，145．

[9] 《电力系统调频与自动发电控制》编委会(Editorial Board of Power System Frequency Regulation and Automatic Generation Control). 电力系统调频与自动发电控制(Power system frequency regulation and automatic generation control) [M]. 北京: 中国电力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，2006.

[10] 于达仁，毛志伟，徐基豫 (Yu Daren， Mao Zhiwei， Xu Jiyu)．汽轮发电机组的一次调频动态特性 (Dynamic characteristics of primary frequency modulation in turbine generation unit) [J]．中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE)，1996，16(4)：221-225．

[11] 于达仁，郭钰峰，徐基豫 (Yu Daren，Guo Yufeng，Xu Jiyu)．发电机组并网运行一次调频的稳定性(The primary frequency regulation stability of parallel turbine-generations) [J]．中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE)，2000，20(9)：59-63．

[12] 黄河，徐光虎，余畅 (Huang He，Xu Guanghu，Yu Chang)．2008年南方电网冰灾期间孤网运行经验(Operation experience of isolated network in CSG during ice disaster (2008)) [J]．南方电网技术 (Southern Power Systems Technology)，2008，2(5)：6-9．

[13] 孙华东，王雪冬，马世英，等 (Sun Huadong，Wang Xuedong，Ma Shiying，et al.)．贵州主网及地区电网孤网运行的安全稳定控制 (Measures to improve system security and stability for isolated operation of Guizhou main power grid and its regional power networks) [J]．电网技术 (Power System Technology)，2008，32(17)： 29-32．

[14] 邓婧，李兴源，魏巍 (Deng Jing， Li Xingyuan， Wei Wei)．汽轮机超速保护控制系统的性能优化及其对电网频率的影响分析 (Optimization of over speed protection controller for steam turbine and its influence on frequency of power grid) [J]．电网技术 (Power System Technology)，2010，34(12)：50-56．

[15 ] 周川梅，孙斌 (Zhou Chuanmei，Sun Bin)．贵州主网及地区电网孤网运行安全稳定措施研究 (Study on security and stability measures of the isolated grid operation of the Guizhou power grid and area power grids) [J]．电力系统保护与控制 (Power System Protection and Control)，2008，36(19)：29-32，57．

[16] 张振，李兴源，黄宗君 (Zhang Zhen， Li Xingyuan， Huang Zongjun)．贵州电网孤网运行的高频切机仿真分析 (Simulation and analysis of over frequency generator ripping for Guizhou isolated power system) [J]．现代电力(Modern Electric Power)，2008，25(4)：31-34．

[17] 郭钰锋，徐志强，于达仁，等 (Guo Yufeng，Xu Zhiqiang， Yu Daren，et al.)．考虑调频死区的二次调频控制回路设计 (The design of secondary frequency regulation loop considering regulation dead band) [J]．中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE)，2004，24(10)：77-81.

Study of frequency control strategy after integration of wind power into isolated network

LIU Lin1， XU Xiao-yan2

(1. State Grid Energy Research Institute， Beijing 102209， China; 2. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China)

As wind farm’s capacity is large, and it has no frequency adjustment capability as conventional generators, its output variation will lead to frequency fluctuation dramatically. Based on the conception of isolated network and its existed frequency control mode, this paper studies and establishes the frequency control strategy to inhibit high frequency phenomenon after wind power is integrated, including 3rd and 2nd frequency adjustment strategy. Finally, 3rd frequency adjustment considers wind farm’s short-term and super short-term prediction, and coordination scheduling is carried out. Based on system frequency and wind farm output, 2nd frequency adjustment gives second level adjustment of conventional generator and wind farm. At last, by establishing the model of an isolated network containing a wind farm, the control strategy proposed is simulated and its validity is verified.

wind power; isolated network; frequency stability; control strategy

2015-06-09

国家电网公司科技项目

刘 林 (1982-), 男, 河北籍, 高级工程师, 博士, 研究方向为智能电网、 新能源和电力系统优化; 许晓艳(1984-), 女, 安徽籍, 高级工程师, 硕士, 研究方向为新能源发电并网及优化调度运行控制。

TM732； TM614

A

1003-3076(2016)06-0049-05