2017年第7期(总第142期) ENERGY AND ENERGY CONSERVATION ijl与 {毒 2017年7月 风电接入对低频振荡影响的研究方法综述 葛润东,王 磊,郑 阳,霍新长 (国网物资有限公司,北京100120) 摘要:针对风电接入对低频振荡的影响,从研究方法的角度对这一课题进行了综述。将目前研究方法归纳为两类: 基于确定性方法的研究和考虑风功率不确定性的失稳概率研究,并对两种方法的优缺点及其之间的关系进行了分析,为 后续风电接入对低频振荡影响的研究提供了一定的参考。 关键词: 风电接入;低频振荡;确定性方法;概率 中图分类号:TM74 文献标识码: A 文章编号: 2095—0802一(2017)07—0092—03 Research Methods Review of the Effects 0f Wind Power Integration on Low-frequency Oscillati09S GE Rundong,WANG Lei,ZHENG Yang,HUO Xinchang (State Grid Materials Co.,Ltd.,Beijing 100120,China) Abstract: rhis paper reviewed the effects of wind power integration on low-frequency oscillation.and summarized the subject fr— on the research methods.And current research methods were divided into two categories:research based on deterministic methods and the instability probability research regarding the wind power uncertainty,and the advantages and disadvantages of two meth— ods were analyzed in this paper,providing certain reference for studying the effects of wind power integration on low frequency oscillation in future. Key words:wind power integration;low frequency oscillation;deterministic methods;probability 0引言 保持稳定是电力系统可靠运行的关键。在大电网 互联和特高压远距离输电规模Et益增大的趋势下,区 域电网间的弱阻尼问题突出,低频振荡【 -21成为威胁电 力系统安全稳定运行的重要因素。 同时,随着环境问题的日益突出和化石能源的逐 渐枯竭,可再生能源成为解决当前环境与能源问题的 有效途径I 3l。其中,风力发电 技术最为成熟,且经济 效益最好,使得其在世界范围内特别是中国得到了迅 猛发展 。然而,与常规机组相比,风电机组在结构、 出力特性及控制上存在巨大的差异[7/,由此引起研究人 员普遍而强烈的关注[8-9]。 其中,风电接入对低频振荡的影响更是研究的重 中之重。目前,针对这一课题,已有相当多文献进行 了研究。对此,本文首先综述了风电接入对低频振荡 影响的研究方法并将其归纳为两类,并对两类研究方 法的优缺点进行分析,在此基础上总结了两种方法之 间的内在联系,为后续风电接入对低频振荡影响的研 究提供了一定的参考。 种为考虑风功率不确定性的低频振荡失稳概率研究。 1.1基于确定性方法的风电接入对低频振荡影响研究 基于确定性的方法往往采用时域仿真或特征值法, 通过对比振荡模式阻尼比的变化分析风机类型、风电 接入容量、位置、控制方式等因素对低频振荡阻尼特性 的影响。文献[10]采用两机系统和四机两区系统进行仿 真,通过研究风电替代常规机组后特征值发生的变化 研究风电接人对低频振荡的影响。其结论指出,风电接 人后,减少了参与振荡的同步机数量,由此风电的接人 将改善系统的阻尼,其中又以固定风速类型风机的效 一1大规模风电接入对低频振荡影响的研究方法 针对大规模风电接入对低频振荡影响的研究,总 体来讲,分为两种方法。一种为基于确定性的方法, 收稿日期:2017—04—24 第一作者简介:葛润东,1987年生,男,河南济源人,2015年毕业 于华北电力大学电力系统及其自动化专业,工程师。 ・果最好;文献[1l一131给出了类似的结论。文献[11]采用 GE公司开发的双馈风机模型,以四机两区系统为例研 究了网络拓扑、负荷参数率及风电渗透率对低频振荡 的影响。这一研究表明,风机的锁相环节和桨矩角控 制对振荡模式的阻尼基本没有影响,而风电电压控制 增益的提高和其渗透率将改善振荡模式的阻尼。文献 [12]以三机九节点系统和贵州电网为例,详细分析了固 定转速风机、双馈感应风机及永磁同步直驱风机接入 后对振荡模式阻尼特性的影响。其结论表明,当系统 以降低常规机组出力的方式接纳风电时,定速风机将 使振荡模式的阻尼获得明显增强,而双馈感应风机和 永磁同步直驱风机虽然使得振荡模式的阻尼有所改善, 但这种改善作用并不明显,且这种情况下,在风电渗透 率逐渐增大的过程中,振荡模式阻尼特性的变化趋势 基本是一致的。文献[13]122三机系统来模拟英国电网, 研究风机类型为定速风机和双馈感应风机时,振荡模 式阻尼特性随风电渗透率变化的趋势,得出了相似的 92・ 2017 第7期 葛润东,等:Jx【电接人对低频振荡影响的研究疗法综述 结论、然而,并非所有研究都持这种态度。文献[14l以 六机i区系统为例,采用特征值法和多场景技术对这 课题进行了研究。该研究表明,当风电¨{力的渊整 与同区域常规机组¨{力的调整相抵消时,振荡模式的 阻尼并不会 现太大的变化;文献【l5】的研究则表明, 风电不参与系统的振荡模式,它的接入对振荡模式的 阻尼特性基本不会产生影响;文献I l6】采川新英格兰l0 机39节点系统为例进行分析,其结果表明部分位置上 的同步发电机被风电替代后将会降低振荡模式的阻尼 一进而危害系统稳定;文献I 17N ̄]通过时域仿真对挪威电 网进行分析,其结论指f{J双馈感应风电和永磁同步直 驱风电的接人会降低了振荡模式的阻尼;文献【l8】的研 究表明,在不同运行方式下风电接入对低频振荡的影 响不尽相同。在部分情况下,风电接入会引起振荡模 式阻尼的降低 同时,若采用风电取代同步机,部分 振荡模式将会消失。 总体来讲,以上这些研究主要是在某一具体电网 和典型T况的基础上,采用时域仿真或特征值计算的 方法,通过逐个对比振荡模式的变化得到结论。很明 显,这些文献的结论之间存在矛盾。对此,文献f191基 于小扰动稳定域边界从定性的角度对此进行了解释, 指d 5不同…I 况下风电的接入引起振荡模式阻尼的变化 有很大不同,部分T况下风电的接人将会改善系统阻 尼,部分T况下风电的接人基本不影响系统的阻尼, 然而部分T况下将会恶化系统阻尼,以上的这些研究 均只是反映了系统的部分情况,本质上并不存在矛盾。 此外,部分文献采川了新的方法对这一问题进行 了研究,为这一问题提供了新的研究思路。文献 I20—2lI采用同容量的常规机组替代双馈型的风电场, 依据特征根对替换常规机组转动惯量的灵敏度,分析 被替换风电场对振荡模式阻尼的影响。文献[22—23l提 广义元件频率一功率动态特性的概念,并证明了判别 广义元件对阻尼影响性质和大小的相关命题。依据其 所提fIj的定义和命题,该文献通过分析计算表明,双 馈型的风电存不同调节器参数下将表现出不同甚至性 质截然相反的阻尼特性。 1.2考虑风功率不确定性的低频振荡失稳概率研究 号虑风功率不确定性的低频振荡失稳概率研究则 往往基于风速的某种概率分布,研究风功率波动影响 下,系统可能…现的低频振荡失稳的概率。研究巾, 文献1241第一次将概率思想引入了低频振荡的研究,它 假设节点的不确定因素服从正态分布,存此基础上计‘ 算特征根实部的均值和方差,然后通过联合正态分布 计算得到全系统的稳定概率。此后.概率的思路在低 频振荡的研究巾得到了迅猛发展。近年来,随着风电 的大规模接入,部分学者开始研究计及风功率不确定 性的低频振荡失稳概率。 本质上,这些研究主要分为两种方法:a)蒙特卡 洛模拟法。蒙特卡洛法根据随机事件的概率捕述,通 过大量重复试验和统计得到待研究对象的统计特征。 文献I25—261 ̄I1在考虑风功率随机性的基础上,采用蒙 特卡洛法对系统低频振荡的稳定进行分析并统计得到 稳定的概率值。这一方法的优点为原理简单、适用性 强,缺点为计算量极其庞大,因此耗时较长,缺乏在 线应用的基础,而常应州于其它方法正确性的校验;b) 解析的方法。即根据随机变量的概率分布,采刚近似 公式或近似线性化的方法求取待研究对象的统计特征, 主要包含了FFTM(快速傅里叶变化法)、点估计法及半 不变量法等。其中,义以点估汁法和半不变量法最为 常用。文献l27】采用两点估计法进行了这一分析;文献 【28l在比较2m点估计法、2m+1点估计法和4m点估计法 的应用效果后,指出在电力系统的计算巾,2m+1点估 计法在精度和计算量上相对较优。相对于蒙特卡洛模 拟法,点估计法的计算量大大降低,然而点估计法应 用的基础为需满足泰勒级数展开 的条件。对此尚无风 电在此应丹j上严格的数学推导和论证,其适用性值得 商榷。此外,部分文献采 了半不变量法进行了相关 研究,即通过求取随机变量的各阶半不变量,结合 Gram—Charlier级数或者Cornish—Fisher级数得到随机变量 的概率分布进而求得系统的失稳概率。文献[29l基于 Gram—Charlier级数和特征根灵敏度,研究了考虑风速的 波动下具有相关性的多风电场作川下,电力系统低频 振荡的稳定概率。 此外,亦有新的方法提出,文献[30l指f¨以上研究 得到的稳定概率反应的是长时问尺度下系统的稳定概 率,并不能反映下一个时间段内系统的失稳概率 ‘ 对这一问题,该文献基于马尔科夫链和小扰动稳定域 边界研究了多时间尺度下系统的稳定概率,为风电接 入对低频振荡的影响开辟了新的研究方向。 2两种方法间的关系 总体来讲,确定性的方法对大规模风电 网到底 引起了系统低频振荡怎样的变化做¨1了深入分析,对 加深这一问题的理解有着至关重要的基础性作用,然 而该方法无法穷尽系统的各种情况,且往往假设系统 处于极限运行状态,其评估结论往往偏于保守;概率 的方法则考虑了系统不同的运行状态,相对全面地刻 画了系统低频振荡的稳定特性。然而概率方法的本质 是根据随机变量的概率特征选取多个确定性的场景并 针对每个场景进行确定性计算,其本质的基础仍是确 定性的计算。两者之问的关系如图1所示。 图1 确定性方法与概率方法间的关系 3结语 随着电网和特高压远距离输电规模的逐渐增加, 低频振荡成为影响电网安全的重要因素。同时,大规 模风电的建设使得风电接人对低频振荡的影响成为普 ・93・ 2017年第7期 钰;夏与芋{I圭 2012,6(2):79—91. 2017年7月 遍关注的课题。从研究方法的角度,对风电接人对低 频振荡的影响进行了综述,将其归纳为两类并分析了 两者的优缺点及其之间的联系,为后续的研究提供了 一terfaced Wind Turbines[J].IET Renewable Power Generation, [16]王忱,石立宝,姚良忠,等.大规模双馈型风电场的小扰动 定的参考和借鉴。 参考文献: [1]国家电力调度通信中心.电网典型事故分析(1999-2007)[M]. 北京:中国电力出版社,2008:70—78. 稳定分析[J_]_中国电机工程学报,2010,30(4):63-70. 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