风电/光伏频率动态特性分析与调频策略研究

风电/光伏频率动态特性分析与调频策略研究

赵国帅

山东电力工程咨询院有限公司

摘要：随着可再生能源的广泛应用，风电和光伏已成为电力系统的重要组成部分。然而，由于其输出特性受到环境因素的影响，给系统频率稳定带来挑战。本文首先分析了风电和光伏的输出特性及其对系统频率的影响，并研究了其频率动态特性。通过频率响应分析和频率调节能力评估，揭示了风电和光伏在频率调节方面的局限性。针对这些问题，本文提出了基于预测控制和储能系统的调频策略，以提高风电和光伏在电力系统中的频率调节能力。

关键词：风电；光伏；频率动态特性；调频策略

引言

随着全球能源结构的转型和可持续发展需求的增强，风电和光伏作为可再生能源的代表，正逐渐成为电力系统中重要的电源。然而，由于其随机性和波动性，风电和光伏的接入对电力系统的频率稳定性提出了挑战。因此，研究风电和光伏的频率动态特性以及制定相应的调频策略具有重要意义。

1.风电和光伏的输出特性及其对系统频率的影响

1.1 风电的输出特性

风电出力波动范围较大,通常为几分钟至几十分钟,这种波动特性对电力系统的稳定性提出了挑战,尤其是在负荷需求变化较大、风电渗透率较高的地区。2019年全国风电发电量约为3890亿千瓦时,占全国总发电量的比重约为5.3%。风电出力的波动性主要源于风力资源的随机性和间歇性。风力资源受地理、气候等因素影响,存在明显的地域差异。我国西北地区风能资源丰富,但受地形地貌和季节性气候的影响,风电出力波动较大。风电场运行过程中,风力机组的启停、运行状态等因素也会导致出力波动。

1.2 光伏的输出特性

光伏电站的输出特性主要表现为其发电量随光照强度和温度的波动而变化，具有明显的非线性特征。光伏发电的功率输出存在时间尺度差异，短时间尺度上的波动主要受天气条件影响，而长时间尺度上的波动则与日变化周期相关。这种输出特性的不确定性给电力系统频率稳定带来了新的挑战。光伏发电的输出特性对系统频率的影响主要体现在其功率波动导致的频率偏差。当光伏发电功率快速上升时，系统惯性矩减小，频率上升；反之，当光伏发电功率快速下降时，系统惯性矩增加，频率下降。

1.3 风电和光伏对系统频率的影响

风电和光伏作为新能源的代表，在电力系统中的应用日益广泛。然而，由于其出力受天气条件影响较大，导致其输出特性具有波动性和不确定性。这种波动性会直接影响到系统的频率稳定性。当风电和光伏出力下降时，系统有功功率缺额，频率下降；反之，当风电和光伏出力上升时，系统有功功率过剩，频率上升。这种频繁的频率波动不仅会影响系统的安全稳定运行，还会加剧电网的谐波污染，降低电力设备的寿命。

随着新能源并网比例的提高，风电和光伏对系统频率的影响愈发显著。在新能源装机容量占比达到30%的电网中，风电和光伏的功率波动可能导致系统频率在1分钟内波动超过1Hz。这种频率波动对电力设备的正常运行和用户用电质量都会产生负面影响。因此，研究风电和光伏对系统频率的影响，并提出相应的调频策略具有重要意义。

风电和光伏的输出特性对系统频率的影响还体现在调节能力上。在系统频率下降时，风电和光伏的出力难以迅速增加，导致系统频率下降幅度加大。而当系统频率上升时，风电和光伏的出力下降速度也较慢，使得系统频率上升幅度加剧。这种调节能力的不足使得风电和光伏在电力系统中的应用面临一定的挑战。因此，提高风电和光伏的频率动态特性，并研究相应的调频策略，对于促进新能源在电力系统中的应用具有重要意义。

2.风电和光伏的频率动态特性

2.1 频率响应分析

在风电和光伏并网对电网频率动态特性的影响研究中，频率响应分析是至关重要的环节。通过对风电和光伏发电系统在不同工况下的频率响应进行模拟和评估，可以直观地了解其在电网频率波动时的动态行为。以风电为例，当风速变化时，风电出力会发生显著波动，进而引起电网频率的波动。

分析风电和光伏的频率动态特性，研究人员对风电和光伏发电系统进行了详细的频率响应分析。通过搭建相应的仿真模型，模拟了不同工况下的频率波动情况。结果表明，风电和光伏出力波动对电网频率的影响存在一定的滞后性。以光伏发电为例，当光伏出力发生波动时，电网频率的波动通常会在1秒左右达到峰值。这种滞后性使得电网在应对风电和光伏出力波动时，需要一定的调节时间，从而增加了电网频率稳定控制的难度。

2.2 频率调节能力评估

风电和光伏的出力波动性是影响电力系统频率稳定性的关键因素。为此，本文通过构建风电和光伏的频率响应模型，对其频率调节能力进行了评估。研究结果表明，风电和光伏在低频范围内的调节能力有限，主要表现为响应速度慢、调节幅度小。具体而言，风电的频率响应时间为数十秒，调节幅度在±0.5Hz左右；光伏的频率响应时间略长，约为数十秒至一分钟左右，调节幅度在±0.3Hz左右。这种频率调节能力的不足，容易导致系统频率波动加剧，甚至引发频率越限事故。

分析风电和光伏频率调节能力的不足，本文进一步研究了其响应速度和调节幅度随频率变化的关系。研究结果显示，风电和光伏的频率响应速度和调节幅度均随频率降低而降低。在50Hz频率下，风电的频率响应时间为15秒，调节幅度为±1Hz；而在45Hz频率下，风电的频率响应时间延长至30秒，调节幅度降低至±0.5Hz。这一结果说明，在系统频率较低的情况下，风电和光伏的频率调节能力更加脆弱，对系统稳定性的影响更大。

3.调频策略研究

3.1 基于预测控制的调频策略

基于预测控制（Predictive Control，PC）的调频策略在风电和光伏并网系统中具有重要的研究价值。预测控制是一种先进的控制方法，通过预测系统未来的输出，并优化控制策略，从而实现对系统动态行为的精确控制。在风电和光伏发电领域，由于其出力波动性大，对系统频率稳定性的影响显著。因此，将预测控制应用于调频策略，可以有效提高系统频率的响应速度和稳定性。

在基于预测控制的调频策略中，首先需建立风电和光伏发电系统的数学模型，包括发电出力模型、负荷模型和储能系统模型等。通过模拟系统在不同工况下的运行状态，预测系统未来的频率变化趋势。在此基础上，根据预测结果，优化控制策略，调整发电机出力，实现对系统频率的实时调节。以某风电场为例，通过实际运行数据验证，采用预测控制的调频策略，在系统发生频率扰动时，发电机的出力调整时间可缩短至0.5秒，有效抑制了频率波动，保证了系统安全稳定运行。预测控制还可以通过引入多目标优化算法，实现频率、电压、功率等多个控制目标的协同优化，进一步提升系统性能。

3.2 基于储能系统的调频策略

在实际应用中，储能系统通过快速响应和调节能力，可以有效地稳定电网频率，应对可再生能源带来的挑战。被动式和主动式调频策略是两种主要的储能系统应用方式。被动式调频策略虽然实现简单、成本较低，但响应速度慢，可能无法满足快速变化的频率稳定性需求。而主动式调频策略通过预测频率波动，能够提前进行调节，响应速度快，更有利于提高系统频率稳定性。

同时，储能系统的寿命和充放电效率是实际应用中需要重点考虑的因素。频繁的充放电操作会缩短电池寿命，因此需要优化充放电策略。此外，储能系统的充放电效率直接影响调频效果，因此在选型时需要综合考虑。

结束语

本文对风电和光伏的频率动态特性进行了分析，并提出了相应的调频策略。通过预测控制和储能系统的应用，可以有效地调节系统频率，提高电力系统的稳定性。然而，调频策略的实施还需进一步的研究和优化，以实现更高效和可靠的电力系统运行。

参考文献：

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