随着增大风力/光伏发电的普及由于发电机损耗大而产生的频率响应——文献综述外文翻译资料

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随着增大风力/光伏发电的普及由于发电机损耗大而产生的频率响应——文献综述

1 简介

在全球电能产业，尤其是在过去的十年里，能量来源的显著分配已经从传统发电机向可再生发电机转换，例如风力和光伏系统，其遵循由电力市场设定的更加清洁的能源目标。全球风能展望由表一给出，而对光伏系统的展望则由表二给出。从表一和表二可以显示出，风力和光伏发电系统在电力市场中占比越来越显著。在从2012到2013仅仅一年时间里，全球风力发电规模增长了12%，而光伏发电规模增长了38%。根据全球能源组织的预估，直到2035年，可再生能源发电将几乎占据全球发电总和增量的一半。不仅如此，风力和太阳能光伏发电将构成可再生能源增长的45%。随着风力和光伏发电渗透率的增长，对系统频率响应的关注也日渐增加。人们普遍认为，随着风力/光伏发电在发电组合中所占比例的增加，系统频率更容易受到发电机跳闸或负载跳闸的影响。因此，频率响应研究在研究风电/光伏发电渗透率增加对系统频率的影响时，引起了学术界和业界的高度重视。频率响应可以描述为来自于名义系统频率的瞬时频率偏差。这篇文章旨在讨论大型发电机跳闸时的频率偏差（图一）。

在系统完好的情况下，电力法要求系统运行者保证系统频率接近标准频率。然而，在大型常规发电机突然出现故障后通常系统频率仍然可以降低。在这些情况之下，频率自动减载继电器用于在系统频率低于预定水平时停止系统频率。此外，为避免频率突变，频率变化率继电器用来阻止有害的频率变化。为了减少这种影响，频率自动减载继电器主要用在客户可中断负载。然而，这最终将影响网络可靠性标准例如未使用的能源，系统平均中断频率指数和系统平均中断持续时间指数。系统平均中断频率指数，它是平均每个客户每年可以中断的次数，预期会经历意外的中断，计算客户中断的总次数，除以全年平均联网客户总数。系统平均中断频率指数意味着系统中断持续时间平均指数总分钟，平均而言，客户可能会没有电在一段特定的时间内，按照每个客户的持续时间的总和计算中断(分钟)，连接的客户平均值除以总数量 。因此，网络运营商不希望看到发电机跳闸后的减载操作。因此，电网在运行时要有足够的电阻来抵抗大型发电机跳闸后电力系统频率的变化。

大量研究表明，随着风力/光伏发电渗透率的增加，上述阻力会受到不利影响。因此，为了应对电力系统网络中风力/光伏发电机使用的增加，调查频率响应受到持续的关注。今天，尤其是小型电力系统网络的系统运营商发现，随着风电和光伏发电能力在整体结构中的增加，他们的网络在管理发电机运行的能力正在下降。然而，这个问题仍未解决。讨论的工作进一步支持这一发现，概述增加风力/光伏发电将影响系统频率控制的降低系统惯性，导致位移基本频率控制储备，影响主要位置的频率控制储备，增加二次控制的充分性要求储备。显然，系统运营商在将目前的频率管理实践应用于风力发电和光伏发电渗透水平不断提高的网络方面面临着重大挑战。

本文旨在回顾近年来随着风力/光伏发电的普及，关于大型常规发电机突然故障引起的系统频率响应的研究文献。第2章回顾了目前世界各地电力市场的频率管理实践。对澳大利亚和国际电力市场的辅助频率服务进行了评估。第3章回顾了频响调查中所进行的研究，主要包括影响频响的参数、频响指标和改善频响的技术解决方案工具的三个主要方面。第4章给出了本文的总结，讨论了主要发现，并确定了研究和开发的差距。

表一

表二

2 当前频率管理服务

到今天为止，全球电力市场主要建立在能源或容量市场的基础上，这被确定为最主要市场。这个二级市场被称为辅助市场，建立是为了方便系统运行，实现电力系统的安全、可靠、优质和高效。在辅助市场中可以提供现有的频率支持服务和任何潜在的频率支持工具。

在现有的电力运营系统中，现有的频率支持可分为三类：惯性支持、一次频率控制支持和自动生成控制支持。发电机的转动惯量决定了发电机的速度如何变化，当系统频率发生变化时，速度的变化会反映在网络上。这叫做惯性支持，并且在扰动后自动施加。因此，与低惯性支持相比，高惯性支持能够抵抗频率变化率和频率最低点(即最低频率降)。第二种是主频率控制，其目的是通过发电机调速器控制来维持系统频率。自动生成控制是第三种类型，用于在指定的公差内调节频率。这也叫做下垂控制。在许多市场中，对一次频率控制支持的要求在网格代码中得到满足，而不是在惯性支持中。自动生成控制在响应速度方面没有那么严格，甚至可以通过手动提升/降低主动支持级别来控制。从对系统频率响应的影响来说，惯性支持和主频率控制支持方案对系统频率响应的影响往往比自动生成控制支持更为显著。因此，在世界辅助市场中，惯性和一次频率支持机制，将在接下来的章节详细探讨。

2.1 辅助服务

本节探讨目前世界电力市场的辅助服务的性质以及对任何显式惯性服务的关心程度。辅助市场提供的一般服务，使能源市场中的每个人都受益。一般来说，辅助服务可以分为以下几种：频率支持、电压支持和系统恢复服务，用于响应干扰或意外事件。系统运营商需要这些服务来维护系统安全性。对辅助市场的概述在接下来的章节中给出。第2.2节介绍国际惯例，第2.3节介绍澳大利亚的惯例。

下面的回顾表明，大多数电力市场在频率响应方面都没有通过发电机连接或辅助市场来维持系统惯性。在这一阶段，惯性相位作为系统频率响应要求很少受到关注的原因尚未明确。本文作者认为，过去风力/光伏发电机组的低可见度可能导致频率响应的关注程度更低。然而，在异步生成器连接增加的情况下，可以提出的一个关键问题是：是否电力市场走向未来可以用更少的惯性支持，电力系统运营商可以在一次频率控制或任何潜在的工具中寻求更多的支持，建立安全的运行，增加风力/光伏发电的渗透。

2.2 国际市场的辅助服务

本节主要列举世界各地在辅助服务领域实施的国际惯例。广泛地说，具体研究了四个地区。这些地区包括非洲/中东、亚洲、欧洲和北美。下面的研究强调指出，在许多国际市场内找不到关于惯性支助的明确要求。在频率响应方面，网格代码定义在可靠的偶发事件之后，系统频率应该保持在期望的水平之上，但是大多数网格代码没有讨论系统惯性的任何可执行要求，惯性是系统频率变化的直接原因。

1. 非洲/中东：南非(代表北非地区)网格代码要求系统运营商维护运营储备、黑启动和单元岛、机组无功电源和电压控制及调节。虽然南非电网规范没有讨论惯性业务，但它要求在使用一次频率控制服务时，在所有意外消失之后，频率保持在49.5 Hz以上。肯尼亚(代表东非地区)和尼日利亚(代表西非电地区)的电网编码辅助服务包括频率调节或控制、旋转备用、电压和无功支持和减载设施[24,25]。
2. 亚洲：印度中央电力委员会发布的《电网规范草案》，将辅助服务定义为负载跟踪有功支持、无功支持等。新加坡电力市场规则将辅助服务定义为监管、储备、无功支持和电压控制和可靠性运行服务。
3. 欧洲：一般来说，欧洲市场使用的辅助服务可以分为三类：频率支持、电压支持和系统恢复支持。这些辅助服务是必不可少的，因为网络运营商需要这些辅助服务来维护电网的安全性、可靠性和电能质量。
4. 北美：在美国电力法规中，频率响应、旋转备用、非旋转备用、替代备用、无功电源和电压控制已被确定为辅助服务[29]。加拿大的艾伯塔省电力系统运营商将辅助服务定义为具有可接受的电压和频率支持[30]的满意服务水平。

图1

2.3 澳大利亚国家电力市场(NEM)的辅助服务

澳大利亚国家电力市场(NEM)在六个州运行，由许多部分组成，包括市场管理、输电网络服务提供商、配电服务提供商和市场用户。该市场作为一个单一的五分钟能源市场运作，市场价格上限为每兆瓦13500美元(截至2015年6月)。除能源市场外，还建立了辅助市场来支持系统运行。澳大利亚能源市场运营商使用三种类型的辅助服务：频率控制辅助服务、网络控制辅助服务和系统重启辅助服务[31]。频率控制辅助服务通过市场采集，提供两种不同的服务：一个用于频率调节(49.9~50.1 Hz)，一个用于应急。定义了8个频率控制辅助服务：调高、调低、快调和快调(6秒响应时间)、慢调和慢调(60秒响应时间)、延迟调高和延迟调低(5分钟响应时间)。每个辅助服务的规范概述在[32]中。然而，惯性支持再一次没有被澳大利亚国家电力市场考虑在辅助服务。快速响应是系统暂态运行的唯一边界机制。

3 频率响应研究综述

本章旨在回顾电力系统网络频率响应的学术研究。研究结果如下，第3.1节提供了影响系统频率响应的参数，包括理论概念。第3.2节概述了量化时考虑的频率响应指标。第3.3节概述了在研究/调查工作中报告的潜在解决方案/工具。其他备选方案会在第3.4节中介绍。

表三

3.1 影响频率响应的参数

系统的技术参数不可否认地影响系统的频率响应。文章中确定的关键影响参数有：系统总惯性、跳闸百分比、峰值、调速器控制的可用性/可退性、一次频率响应速度、异步连接的频率可控性和快速作用储能装置的可用性。然而，在这篇文章中，风力/光伏电站的可变性具体考虑。此外，发电机调度的调度计划对上述参数的有效性具有显著的影响。然而，在尝试选择最合适的调度计划时尚且存在不确定性。Masood等人在[33]报道称，在风能综合研究中，只有两个调度计划。第一种策略是用等量的风

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