浅析分布式电源集聚效应对接入电网频率影响

浅析分布式电源集聚效应对接入电网频率影响

蒋大伟刘烨姜伟

（国网齐齐哈尔供电公司黑龙江省齐齐哈尔市161000）

摘要：受具有间歇性和难以准确预测风能和太阳能特性的分布式电源影响，分布式电源或升压站输出功率具有波动性和不可准确预测性。在穿透功率较大的电网中，由于改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，分布式发电接入后电压和频率稳定性会受到影响。随着分布式发电联网规模的不断扩大，功率波动集聚效应对电网影响愈加严重，对电网侧而言，如何把握接入点功率波动特性，预留经济性有功和无功调节裕度，最大限度地把握功率波动可能给电网运行带来的运行负担和安全风险，是解决分布式电源接入问题的重要研究课题。

关键词：分布式电源；潮流分布；频率稳定性；功率波动；集聚效应

1.引言

分布式电源已风力发电和太阳能发电为主，目前光伏发电单个规模较小，分布式发电以风电为主，大规模风电接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，由于风能的随机特性引起的风功率波动，也给电网的运行带来一些负面影响。例如，由于风电输出功率的波动及其难以准确预测性，使得系统往往需要安排更多的旋转备用容量来应对风电功率波动，从而增加系统运行成本。当电力系统中的风电装机容量达到一定规模时，风电场输出功率的波动还可能会导致系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，当电网其他发电机组不能够快速响应风电功率波动时，则有可能造成系统频率变化，严重时可能导致系统频率越限。

因此，对于某一特定区域电力系统，如何评估风电接入对电网频率的影响，对保证大规模风电接入具有重要的理论意义和工程实用价值。

2.电力系统有功平衡

所谓电力系统有功平衡是指电力系统有功出力与用户有功负荷及损耗之间的平衡。

要保证电力系统的安全稳定运行，保证电能质量，就必须使电网的发电有功功率和用电有功功率必须时刻保持平衡，才能稳定系统频率。然而电网有功负荷随时都在变化，为保持系统有功功率平衡，调度就必须安排发电厂随系统有功负荷变化随时调整发电机有功出力，否则，就不能维持系统频率在允许范围之内。

3.电力系统频率影响

频率是电力系统的重要运行参数，电力系统的元件设备都是按标称频率设计的，当频率偏移额定值时，会对电力系统的运行产生较大影响。电力系统运行中的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制，以维持系统频率在允许的变化范围内。

为保证电网频率合格，调度部门必须安排好全网的调峰和调频。一般来讲，统一电网和联合电网的调整方法是不同的。统一电网时按频率来调整发电；联合电网中的最高一级调度部门主要是按频率调整发电，而下级调度部门不仅要考虑频率，同时还要考虑对外联络线的功率偏差来调整发电。

4.电力系统频率调节

系统的频率过程与系统的单位调节功率直接相关，而系统的单位调节功率由系统中发电机组单位调节功率和负荷的频率调节效应决定。在进行系统频率分析时，有必要对发电机组和负荷的频率调节效应进行分析。

调频的方式分为一次调频、二次调频和三次调频。

一次调频是指由发电机组调速系统的频率特性对系统频率变化的响应，是一种有差的调节过程。二次调频是指当电网负荷或发电机出力发生较大变化时，一次调频不能恢复频率至规定范围时采用的一种频率的无差调节过程，通过人工或自动调节装置改变调速器变速机构位置，使汽门或导水叶的开度变化，达到调整发电机有功功率的目的，力图恢复频率至额定值。三次调频是指为使负荷分配得经济合理，达到运行成本最小的目标，按最优化准则将区域所需要的有功功率分配于各受控机组的调频方式。

5.分布式电源集聚效应对电力系统调频的影响

风电场的风速变化，将引起风电功率的波动，当电力系统中的风电装机容量达到一定规模时，风电场输出功率的波动可能会导致系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，如果电网其他发电机组不能够快速响应风电功率波动时，则有可能造成系统频率变化，严重时可能导致系统频率越限。因此掌握风能变化的自然规律，进而掌握风电场输出功率变化的规律，有利于分析风电接入系统后对系统有功平衡的影响，是解决大规模风电并网带来的频率问题最直接、最有效的方法。

风电接入后必然替代了部分常规发电机组，对于普通异步恒速风电机组，其频率响应特性与常规发电机组类似，对频率稳定性的影响较小，但随着变速恒频风电技术的日益成熟，双馈感应风电机组和永磁直驱风电机组已成为当今主流机型，对于这些变速风电机组而言，其控制系统使机组转速与电网频率完全解耦，导致电网频率发生改变时机组无法对电网频率响应提供有功贡献，机组固有的惯量对电网而言表现为“隐性惯量”，导致电网整体惯量的降低，当电网中发生高功率缺额时，电网频率降低的变化率较高，频率跌落幅度较大，不利用电网的频率稳定。此外，从提高风力发电收益以及能源开发战略角度考虑，通常采用最大风能捕获的控制原则，风电功率受易变且不可控的自然风力驱动，使得风电机组的输出功率随风速频繁波动，这将进一步加剧电网调频负担，不利用电网频率稳定。

为了促进风电的发展，目前最现实的手段还是利用常规机组的调频能力来抑制风电接入后引起的频率变化。在系统的调峰能力能够满足调峰需求的情况下，来研究风电功率在较短时间内突变对系统调频的影响。当风电并网容量在总装机容量中超过一定比例后，风电场作为发电单位应当承担一定的调频任务，来减小风电接入系统引起频率问题的发展方向。

6.总结

分布式电源接入，由于同一接入点接入分布式电源装机容量的增加，集聚效应增强，功率波动时空特性显著。随着规模的增大，功率最大波动量和最大变化率增大。

在研究分布式电源功率波动对电网频率影响时，把功率看成是视为负的负荷，分析接入电网后对系统有功平衡影响，在此基础上分析电网频率原理及特性，以及分布式电源集聚效应对电网调频影响的分析。

分布式电源功率波动对电网功率供需平衡的影响将随着风电穿透功率增加而愈加严重，已经逐步成为限制电网接纳能力的主要瓶颈，分析分布式电源功率给电网有功调整及调频造成的不利影响，并采取有效措施加以抑制，保证开发新能源发电不影响电网运行的安全性，是迫切需要解决的重要问题。

参考文献：

[1]分布式电源接入系统典型设计接入系统分册.国家电网公司．北京：中国电力出版社.2014.

[2]风电场接入电力系统技术规定.GB/T19963-2011.

[3]光伏发电站接入电力系统技术规定.GB/T19964-2012.

[4]迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究：[博士学位论文].北京：中国电力科学研究院，2006.108～113

[5]刘维烈．电力系统调频与自动发电控制．北京：中国电力出版社．2006

[6]张斌．自动发电控制及一次调频控制系统．北京：中国电力出版社．2005

[7]陈衍．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社．1995