大规模海上风电接入对电网频率跌落影响研究

郎紫惜, 武志刚

(华南理工大学 电力学院,广东 广州 510640)

0 引 言

为减少资源浪费、降低碳排放量,电力系统中的电源形式将逐步转向风和光能等新能源参与发电,传统化石能源形式在合适的时机可能有序退出。我国向全世界宣布了雄心勃勃的“双碳”目标[1]。风电是技术最成熟、应用最广泛以及最具推广前景的新能源形式[2],世界各国都致力于风电的发展与建设[3]。我国风电同时采用集中式和分布式开发两种策略,其中集中式开发主要为“三北”地区的陆上风电和沿海地区的海上风电[4]。风电虽然能降低碳排放量,但也会带来负面影响[5]。世界多起大停电事故[6-7]的发生,均因高比例新能源给电网带来的稳定问题所致。因此,分析大规模新能源接入对电网的影响具有重要的现实意义。

风电具有随机性和间歇性等特点,常通过电力电子变流器并网,实现机组转速与电网频率的解耦,其有功功率无法响应频率变化[8],减弱了电网的调频能力。从电网侧来看,风机本身不具有惯量,风机并网后,将导致电网整体惯性水平下降,进而导致相同扰动下频率偏差增大。当电网中风电并网量较少时,对电力系统频率稳定性造成的影响较小,但风电渗透率提升到一定程度时,将会明显影响电网的频率稳定[9]。为了保证高比例新能源电网的安全稳定运行,需要并网风电场具备一定的频率支撑能力[10]。

通常频率稳定研究主要针对通用电网模型,未关注到实际大电网的运行特性。本文对某沿海地区电网的频率受扰特性进行仿真,分析高风电渗透率电网频率稳定问题;引入风机调频能力,利用BPA建立直驱风机接入电网模型,仿真分析风电渗透率、风电接入位置和故障位置对电网频率稳定的影响;给出风电的发展必须伴随风机调频能力的提升、针对频率的暂态稳定分析需要考虑空间差异性、应加强远离海上风电接入地区的故障应对能力的建议。

1 电网仿真模型

1.1 海上风电接入对电网运行的影响及相应场景设计

为积极响应国家对清洁能源发展的要求,我国全力发展海上风电事业。由于风电的反调峰特性,夜间负荷减少,风电出力增加,同步电机机电特性主导新型电力系统运行特性的情况在一定程度上被削弱[11]。当风电装机达到一定比例时,新能源和直流通道等电力电子化电源所占比例将很大,与澳洲大停电故障前情况相似,存在失稳隐患。

随着新能源比例的逐步升高,电网各方面稳定都受到了影响[12],为了分析不同风电发展情况下电网频率稳定情况,本文根据某沿海地区电网风电发展规划设计了五种场景(T1～T5),如表1所示。T1为该电网夏大方式运行情况;T2为基于T1在沿海地区增加风机节点得到运行情况;T3、T4为基于T2用风电机组替换同步机组得到运行情况;T5为基于该电网冬大方式运行情况,在沿海地区进行风机替换得到。

表1 风电发展场景设计

1.2 调频风机模型

直驱风机具有适用于低风速场景、运维成本低以及能耗少等优点[13]。结合相关要求,我国风机的应用领域将扩展至低风速区域,直驱风机更适合我国风电的发展要求,因此本文仿真模型选用直驱风机模型。

直驱风机通过换流器与电网完全隔离,发电机侧换流器控制发电机的输出功率,根据风速等环境因素对发电机电压和频率进行调整,避免受到电网的影响,电网侧换流器通过对并网点电压和频率的控制实现风机并网。本文基于BPA建立的直驱风机利用下垂控制实现调频,通过EY卡实现直驱风机的调频能力,设置频率偏差死区为0.001 p.u.,频率偏差限幅为0.006 p.u.。

2 风机未参与调频时电网频率跌落分析

新能源发电和负荷同时增长的背景下,风电发展对电网频率稳定影响可通过T1、T2仿真结果对比表现。从历史趋势来看,风电场的建设投产可能伴随火电厂的关停,为体现这一因素,基于T2通过风机替换同步机的方式提高风电渗透率,得到T3、T4,可对比分析负荷不变、风机替换同步机对电网频率造成的影响。由于直流闭锁故障会对电网频率稳定造成较大影响,甚至可能引起机组脱网,本文设置在1 s时发生直流双回闭锁扰动。选取该电网中100个节点分析其频率曲线,所得仿真结果类似,本文以节点A为例展示,如图1所示。

图1 各场景频率偏差对比

在基本保持火电机组出力不变时,通过新增风电场提高风电渗透率,T1、T2相同节点频率跌落最低值分别为-0.127 Hz、-0.125 Hz。可知在电网可调频机组装机容量不变时,提高风电出力对系统频率影响不大,T2频率跌落有略微改善是因为该场景下能够调频的火电机组出力更多。T3、T4频率跌落最低值分别为-0.131 Hz、-0.145 Hz,表明由于火电机组的关停,系统整体惯量降低,电网调频能力减弱。参考南澳和英国大停电的经验,高比例新能源接入电网在发生系统故障时,容易引起大规模风电机组脱网。表2为各计算场景下的频率变化率情况。在T3中,频率变化率为-0.124 Hz/s,已接近海上风电保护阈值±0.125 Hz/s,发生严重风机脱网事故的风险急剧增加。

表2 各场景频率变化率 单位:Hz/s

在T4下模拟双回闭锁故障发生0.1 s后系统不同类型机组脱网,频率偏差结果如图2所示。

图2 直流闭锁和机组脱网故障下频率偏差情况

结果显示,大量机组脱网将进一步加剧频率的跌落,风电和火电各脱网1 500 MW所造成的频率跌落更严重,和英国大停电前情况类似。由于火电和风电连续脱机将导致电网系统出现较大的功率缺陷,大幅的频率下降可能会触发低频减载装置,进而导致停电事故的发生。

仿真选取的100个节点在相同故障下所表现出的频率变化整体趋势相同,但仍存在差异。相同故障下,不同节点由于和故障点电气距离不同等原因,频率所呈现的变化也存在明显差异,在大电网中分析频率暂态问题需要关注空间分布因素。

3 风机参与调频对电网频率跌落影响

高比例新能源接入必将给电网频率稳定带来新的挑战,如果让接入的风机具有调频能力,将大大改善高风电渗透率电网的频率稳定性,因此对风机参与调频的需求是必要且迫切的。

3.1 场景设计

以某沿海地区电网冬大运行方式为基础研究风电渗透率、故障位置和海上风电接入位置对频率变化的影响,具体试验设计如下。

(1) 研究风电占比对电网调频能力的影响:将该电网中部分沿海城市的火电机组替换为可调频的直驱风机,1 s时在非风电接入区域设置突增负荷2 800 MW扰动,分析不同风电占比下电网暂态频率变化情况。

(2) 研究海上风电接入位置对电网调频能力的影响:基于该地区地理位置等因素,分别在四个沿海城市(C1～C4)将3 000 MW同步机替换为风机,在1 s时设置试验1)相同扰动,分析电网暂态频率变化情况。

(3) 研究故障位置对电网调频能力的影响:频率变化具有空间分布特性,故障位置差异也会对产生不同的影响。1 s时在该电网九个区域(S1～S9)设置突增负荷2 000 MW扰动,分析电网暂态频率变化情况。

3.2 仿真结果与分析

3.2.1 风电替换节点比例对调频能力的影响

通过等容量替换得到的不同风机占比时节点A频率仿真结果如图3(a)、图3(b)所示,替换比例为5%、30%时,风机是否参与调频情况下节点频率仿真结果如图3(c)、图3(d)所示。

图3 风机替换不同比例时频率仿真结果

随着风电接入比例的增加,节点A的频率跌落增大,电网的调频能力减弱。风机参与调频时,频率跌落减小,调频能力增强,且当风电渗透率越大时,调频风机对电网调频能力的改善越明显。因此针对风电渗透率将增大的电网,合理安排风机的调频能力,对电网频率稳定是有效且必要的。

3.2.2 海上风电接入位置对调频能力的影响

分别在沿海城市C1～C4替换火电机组3 000 MW时,扰动下节点A的频率仿真结果如图4所示。在不同沿海城市替换调频风机对电网调频能力影响存在差异,这也说明电网频率稳定与电网结构存在一定关系,在研究海上风电并网方式时也应考虑电网拓扑结构的影响。可结合电网拓扑特性,利用复杂网络理论,根据电力网络节点度和节点相关性等参数,找到使电网调频能力得到较大提升的风机并网点,从而对风机并网位置的选择提出更好的建议。

图4 不同风电接入位置下频率仿真结果

3.2.3 故障位置对调频能力的影响

1 s时在各区域(D1～D9)设置突增负荷2 000 MW扰动,其中D5、D6、D9为海上风电接入区域,节点A频率仿真结果如图5(a)、图5(b)所示(以其中四个区域为例展示)。在不同故障位置下,节点A频率跌落值之差最大和最小时,频率仿真结果如图5(c)、图5(d)所示。

图5 故障位置不同时频率仿真结果

根据仿真结果,在不同地区设置同类型故障时,电网频率偏差存在较明显的差异,这也印证了前文频率在暂态发展过程中具有空间差异性的论断。当扰动位置越接近海上风电接入点时,风机的调频能力所起的作用越强。应根据不同区域的风电接入情况,在保证风电不断发展的同时,注重其他区域的故障预防,提升电网的应对故障能力。

4 结束语

本文基于BPA搭建了不同风电渗透率场景下某沿海地区电网的仿真模型。对风机不参与调频与参与调频时的频率跌落特性进行分析,得出以下结论。

(1) 当风机不具备调频能力时,高比例新能源的接入将显著弱化电网的频率稳定水平,且频率在大电网中的暂态发展过程存在空间差异性。

(2) 直驱风机参与调频时,电网的频率稳定性得到改善,且其对电网调频能力的改善随着风电渗透率的增大而更加明显;在不同城市替换相同容量风机时,对电网频率水平造成的影响存在差异;扰动发生在调频风机接入点附近时,风机所起的调频作用更为显著。

基于本文研究结果,应用调频风机将有效解决高风电渗透率电网的频率稳定问题,根据电网频率特性具有空间差异性,对调频风机进行参数设置和合理使用,可以增强电网的频率调节能力,提升电网的频率稳定性。