风电并网系统频率响应分析及控制策略研究

摘要

频率稳定是电力系统稳定的重要组成部分，频率作为交流电力系统运行的一项重要指标，反映了有功发电与负荷的平衡情况。对于传统互联电网系统，有功备用充足，系统抗扰动能力强，系统一般能够保证频率稳定。但是，随着电力系统复杂度的提高，特别是风电等新型能源的不断并网，大大增加了系统的非线性程度和不确定性，很可能发生频率失稳事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行。
　　风能作为新型可再生能源，越来越受到世界各国的重视，风力发电技术也随之得到迅猛发展，风力发电已成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种清洁的再生能源，在世界范围内得到格外的青睐及迅速的发展。但是，风力发电具有极大的随机性和波动性，随着风电并网容量的不断增加，风电场注入电网功率的随机波动对电网频率的影响也愈加显著。目前，对于风电并网问题的研究大多集中在风电功率预测、并网电压稳定性等方面，而针对风电并网频率稳定问题的研究还相对比较薄弱。因此，为了保证风电并网系统的频率安全，本文深入分析风电场并网系统的频率稳定问题，提出了风电并网系统频率稳定分析方法，并对适用于风电并网系统的频率稳定控制策略进行了研究。
　　风能的随机性和波动性是风电场并网控制的难点，随着风电场并网容量的增加，当发生大量风电机组脱网事故时，势必会影响到系统的频率稳定性，掌握风电场并网后系统频率的变化趋势对于系统频率稳定控制具有重要作用。本文针对稳定运行的风电并网系统，首先提出了一种基于人工神经网络算法的风电并网系统频率偏移评估方法。利用改进的弹性反向算法，有效避免了训练过程中陷入局部极小值问题，大大提高了收敛速度。该方法能够正确地反映不同风电场结构对应的频率变化规律，对于系统频率波动情况进行评估，为系统运行者提供制定频率控制策略的依据和数据支持。
　　考虑到风电并网系统的动态运行特性，为了简化计算量，忽略无功-电压动态变化，本文建立了基于直流潮流的频率响应模型，分析并网系统有功-频率动态情况。利用直流潮流计算结果，构建自适应模糊逻辑推理系统，使模糊逻辑系统推理结果不断地逼近并网风电场的频率响应，使其能够根据输入变量，实时计算并网风电场频率响应。仿真结果表明，模糊逻辑推理系统能够正确反映并网系统不同运行状态下的风电场实时频率响应，能够较好地评估并网系统的频率稳定性。
　　随着风电并网容量的不断增加，风电场参与系统的频率控制是未来发展的必然趋势。并网风电场的频率控制与传统发电机组有所不同，风电场出力受风速影响具有一定的随机性和波动性，传统同步电机所采用的定值控制策略并不适用于风电机组的频率控制。本文根据风力发电机组出力模型，提出了基于风速变化的风电场等值下垂控制系数概率模型。利用半不变量的可加性，运算得出随机变量的数字特征，通过 Gram-Charlie级数展开的方法计算其概率密度函数。通过对并网 IEEE-14节点系统进行仿真计算，结果表明采用下垂控制系数概率模型能够反映其随机变化特性，风电场调频能力受风电场随机出力的影响，验证了概率模型的正确性，为风电场参与系统频率控制提供了一定的理论依据。
　　当风电并网系统具有较高的风电渗透率时，风电场等效惯性时间常数对于并网系统的频率响应特性的影响将不容忽视。本文针对风电场并网系统实时变化的频率响应特性，进一步提出了风电场-储能系统联合频率控制策略。储能系统既能较好地平抑风电场有功功率的波动，又能为风电场参与系统的一次调频提供充足的有功备用。算例结果分析表明，风电场-储能系统频率控制策略能够快速响应风电场出力的随机变化特性，有效平抑并网风电场功率波动，根据实时变化的频率响应特性，为风电场参与系统频率控制提供有功支持，有效地改善了风电场参与系统频率调整的可靠性。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的内容

2 基于改进的弹性神经网络并网系统频率偏移评估方法

2.1 引言

2.2 并网频率偏移评估方法的确定及其网络结构

2.3 基于神经网络算法的频率偏移评估模型构建

2.4 算例分析

2.5 小结

3 基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应分析

3.1 引言

3.2 基于直流潮流的风电并网系统模型简化

3.3 基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应推理系统

3.4 算例分析

3.5 小结

4 并网风电场等值下垂控制系数概率模型

4.1 引言

4.2 风力发电机组的频率控制

4.3 基于风速变化的下垂控制系数概率模型

4.4 算例分析

4.5 小结

5 基于风电场-储能系统的频率联合控制策略

5.1 引言

5.2 风电场储能系统

5.3 基于风电场-储能系统的频率联合控制策略

5.4 算例分析

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 未来的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目：

C. IEEE标准试验系统