核心概念
本文旨在探討電力系統中頻率分佈不對稱性的成因,特別是在高比例可再生能源併網的情況下,並提出量化和補償這種不對稱性的方法。
摘要
電力系統頻率分佈不對稱性研究
本研究論文分析了以逆變器為基礎的可再生能源主導電力系統中一個新興的現實現象,即頻率分佈的不對稱性。
不對稱性成因分析
- 系統非線性導致狀態和代數變數分佈變形: 電力系統模型的非線性特性,特別是網路損耗和基於風力發電機葉片變槳距的頻率控制,是造成頻率分佈不對稱性的主要原因。
- 網路損耗: 線路電阻導致的功率損耗與電流平方成正比,這種非線性關係使得頻率偏差對負載波動的響應不對稱。
- 風力發電機變槳距控制: 風力發電機提取的機械功率與風速呈三次方關係,這種非線性關係導致基於變槳距的頻率控制產生不對稱的頻率響應。
- 調節器硬限制: 當控制器接近其限制時,其調節作用會失效,導致受控系統行為發生顯著變化,進而影響頻率分佈的對稱性。
不對稱性量化指標
- 左右標準差差異 (∆σf): 計算頻率高於和低於額定值時的左右標準差,並以其差異作為量化指標,可以有效評估不同電力系統的頻率控制品質。
不對稱性補償策略
- 非線性死區函數: 提出了一種基於頻率偏差的非線性死區函數,通過調整參數來補償系統非線性造成的頻率分佈不對稱性。
案例研究與結論
- 愛爾蘭和澳大利亞電網數據分析: 結果顯示,當可再生能源,特別是風力發電,提供基於窄死區(例如 ±15 mHz)的動態頻率調節時,會顯著增加頻率分佈的不對稱性。
- IEEE 9 節點系統模擬: 模擬結果證實了網路損耗、風力發電機變槳距控制和調節器硬限制對頻率分佈不對稱性的影響,並驗證了所提出的非線性補償策略的有效性。
- 自動發電控制 (AGC) 的作用: 研究發現,AGC 有助於減少頻率分佈的不對稱性,並有助於將頻率品質維持在限制範圍內。
未來研究方向
- 評估其他現實世界電力系統的頻率分佈不對稱性。
- 探索其他基於控制的方案,以最大程度地減少這種不對稱性。
統計資料
愛爾蘭電網在啟用 APC(±15 mHz 死區)時,頻率分佈不對稱性 (∆σf) 從 0.0003 Hz 劇增至 0.0316 Hz。
澳大利亞電網在 2023 年實施 ±15 mHz 強制性 PFC 規則後,頻率分佈不對稱性 (∆σf) 增至 0.00267 Hz,遠高於 2019 年的 0.00032 Hz 和 2010 年的 0.0011 Hz。
在 IEEE 9 節點系統模擬中,高網路損耗導致 ∆σf 從 0.0001 Hz 增加到 0.0036 Hz,而所提出的非線性補償方法將其降低到 0.00007 Hz。
風力發電機提供基於 ±15 mHz 死區的 APC 功能時,∆σf 從 0.0008 Hz 增加到 0.0079 Hz,而考慮風力波動後,∆σf 進一步增加到 0.0386 Hz。
將風力發電機納入 AGC 控制可以顯著改善 ∆σf,但啟用 APC 後,∆σf 仍會增加。
所提出的非線性死區控制方法可以有效降低風力發電機提供 APC 功能時的 ∆σf。
引述
“the universal application of very narrow governor deadbands may be contributing to unexplained oscillations from some plant and asymmetry in the NEM’s frequency characteristic.”
“Furthermore, since the introduction of mandatory PFR, power system frequency has been exhibiting behaviour that suggests resilience has decreased.”