電池系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)引起的頻率波動(dòng)控制應(yīng)用

劉忠仁，劉覺(jué)民，鄒賢求，呂立召，祖映翔

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

近年來(lái)，由于石化資源的日益減少，利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的分布式發(fā)電逐漸興起，以應(yīng)對(duì)常規(guī)能源的枯竭和產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題。其中風(fēng)力發(fā)電在新型能源中技術(shù)最成熟、成本最低、發(fā)展最為迅速［1］。

風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性，不能保證持續(xù)的發(fā)電供給［2］。風(fēng)力發(fā)電的能量源－－風(fēng)，是一種自然資源，在很大程度上依賴于天氣、地理以及其他因素，且風(fēng)力發(fā)電還具有波動(dòng)性。因此，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并入電力系統(tǒng)會(huì)造成電網(wǎng)頻率波動(dòng)等多方面的影響［3～5］。對(duì)于小幅度的頻率波動(dòng)，依靠傳統(tǒng)的水力發(fā)電和火力發(fā)電可以進(jìn)行很好的頻率控制。然而，大型風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)是未來(lái)能源規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)［6］，因風(fēng)電場(chǎng)的不穩(wěn)定性，很可能出現(xiàn)停機(jī)脫網(wǎng)，重新啟動(dòng)并網(wǎng)的情況，當(dāng)大型風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)啟并注入電網(wǎng)時(shí)，如果負(fù)荷頻率控制 LFC（load frequency control）的容量不夠，單依靠常規(guī)電廠很難進(jìn)行有效的頻率控制。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)如NAS電池系統(tǒng)［7］等被推薦用來(lái)參與系統(tǒng)頻率的控制。

電池系統(tǒng)的引入，可以作為電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)所需的容量?jī)?chǔ)能設(shè)備，特別是在風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)或并網(wǎng)時(shí)，電池系統(tǒng)可通過(guò)其充放電功能來(lái)平衡電力系統(tǒng)的發(fā)電供給和負(fù)荷需求，并控制互聯(lián)電力系統(tǒng)之間的大幅度潮流傳輸，參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，抑制頻率的大幅波動(dòng)。

文中通過(guò)Matlab／Simulink建模，對(duì)互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率控制進(jìn)行了分析，給出了系統(tǒng)各控制模塊的模型，在大型風(fēng)電場(chǎng)注入電力系統(tǒng)的情況下（平抑風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)與并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響所需要的調(diào)節(jié)容量基本相同，所以只需討論一種情況），對(duì)含電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和不含電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率控制進(jìn)行對(duì)比，并分析了電池系統(tǒng)容量對(duì)頻率控制的影響。

1 系統(tǒng)分析模型

本文建立了兩區(qū)互連電力系統(tǒng)仿真模型。如圖1所示，電力系統(tǒng)區(qū)域1和2是通過(guò)聯(lián)絡(luò)線相互連接，并假定風(fēng)電機(jī)組和電池系統(tǒng)安裝在區(qū)域2。電池系統(tǒng)作為儲(chǔ)能設(shè)備參與互聯(lián)電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)包含了常規(guī)發(fā)電頻率調(diào)節(jié)模型，LFC模型，風(fēng)電場(chǎng)模型和電池系統(tǒng)模型。

圖1 兩區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)分析模型Fig.1 Interconnected 2－area power system analyzing mode

圖中：M1，M2為發(fā)電機(jī)組的慣性常數(shù)，D1，D2為負(fù)荷阻尼常數(shù)，LFC為負(fù)荷頻率控制，ΔPth為火電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)輸出系數(shù)，ΔPhy為水電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)輸出系數(shù)為聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)節(jié)系數(shù)。

1.1 頻率調(diào)節(jié)原理

電力系統(tǒng)功率平衡是一個(gè)供需隨時(shí)平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)組通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)輸入功率，使發(fā)電機(jī)組輸出功率與負(fù)荷需求平衡。在電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差Δω和系統(tǒng)頻率偏差Δf呈線性關(guān)系，由發(fā)電機(jī)組輸出的機(jī)械功率ΔPm和電磁功率ΔPe的關(guān)系式可表示為

式中：M為系統(tǒng)慣性常數(shù)。

在分析負(fù)荷頻率控制特性時(shí)，考慮的是系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的整體特性，策略上假設(shè)所有發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化的同調(diào)響應(yīng)，并將其等效為一臺(tái)發(fā)電機(jī)，等效發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)Meq等于所有發(fā)電機(jī)組的慣性常數(shù)之和，直接由所有的原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率控制其變化。本文參考了文獻(xiàn)［8］的頻率特性控制模型，可得出如圖2所示的頻率調(diào)節(jié)圖，傳遞函數(shù)中D為負(fù)荷阻尼常數(shù)。

圖2 系統(tǒng)頻率偏差與功率關(guān)系圖Fig.2 Diagram of relationship between system frequency deviations and power

1.2 聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)節(jié)原理

在有關(guān)互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線潮流控制中，根據(jù)文獻(xiàn)［9］的直流潮流法，可得到聯(lián)絡(luò)線有功功率潮流P12表達(dá)式為

式中：XT為線路間的電抗；δ1，δ2為各自線路終端的相角。

假定線路間的功率潮流從區(qū)域1流向區(qū)域2，并因電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差Δω和系統(tǒng)頻率偏差Δf呈線性關(guān)系，且假設(shè)Δω＝kΔf。則相應(yīng)額定功率的有關(guān)功率偏差ΔP12可表示為

1.3 常規(guī)發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)模型

當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，會(huì)引起各常規(guī)機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)速器調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)輸入功率，控制各常規(guī)機(jī)組的輸出功率，使發(fā)電機(jī)組輸出功率與系統(tǒng)負(fù)荷重新達(dá)到平衡，從而使系統(tǒng)頻率維持穩(wěn)定。本文建立的火電機(jī)組和水電機(jī)組調(diào)節(jié)模型如圖3和4所示。

圖3 火電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)模型Fig.3 Governor control system for thermal unit

圖4 水電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)模型Fig.4 Governor control system for hydro unit

1.4 LFC模型

在控制區(qū)域中，LFC的基本構(gòu)建信號(hào)為負(fù)荷調(diào)度中心所測(cè)量的系統(tǒng)頻率和系統(tǒng)區(qū)域互聯(lián)的潮流功率，經(jīng)過(guò)其控制系統(tǒng)處理，使發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)等作出相應(yīng)的響應(yīng)來(lái)調(diào)整其輸出。本文的LFC模型如圖5所示。

圖5 LFC模型Fig.5 LFC model

1.5 風(fēng)電場(chǎng)模型

因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)的輸出功率與風(fēng)速的三次方成正比，所以本文運(yùn)用文獻(xiàn)［10］中的風(fēng)速模型，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修改，得出了風(fēng)電場(chǎng)輸出功率如圖6所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)設(shè)為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，所以開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)輸出功率為負(fù)，即電力系統(tǒng)向風(fēng)電機(jī)組提供功率啟動(dòng)。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)模型Fig.6 Wind power plant model

1.6 電池系統(tǒng)模型

本文中的電池系統(tǒng)引入了NAS電池［10］，其特點(diǎn)為能夠儲(chǔ)存大容量電能并能夠分散的安裝在電力系統(tǒng)中，可以快速高效的充電并且在一般情況下不會(huì)自放電。它能夠在緊急情況下迅速靈活的向系統(tǒng)補(bǔ)償所需的有功功率。此外，該電池比以往的更加高效和耐用。為了能很好的保護(hù)電池系統(tǒng)，文中參考了文獻(xiàn)［11］的傳遞函數(shù)模型，把電池系統(tǒng)的儲(chǔ)存容量和輸出功率設(shè)置了上下限，其初始容量設(shè)置為其額定容量的一半，并假設(shè)其在理想情況下進(jìn)行工作。本文所應(yīng)用的電池系統(tǒng)模型如圖7所示。

圖7 電池系統(tǒng)模型Fig.7 Battery system model

2 仿真分析

通過(guò)Matlab／Simulink建立兩區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)模型，系統(tǒng)中區(qū)域1和區(qū)域2各機(jī)組容量和負(fù)荷如表1所示。

表1 系統(tǒng)容量參數(shù)Tab.1 System capacity

利用上述風(fēng)電場(chǎng)模型，得到了如圖8所示的風(fēng)力發(fā)電的輸出功率圖，其最大的輸出功率約為1430MW。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)輸出功率圖Fig.8 Output of wind tubine power

2.1 電池系統(tǒng)及其容量大小對(duì)頻率控制的影響

本文中，考慮了并入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)不含電池系統(tǒng)和包含電池系統(tǒng)對(duì)頻率控制的影響，并設(shè)采用電池系統(tǒng)的儲(chǔ)存容量和輸出功率分別為（80MWh，300 MW）和（130MWh，500MW）。當(dāng)如圖8所示風(fēng)電場(chǎng)并入電力系統(tǒng)時(shí)，在區(qū)域2中，系統(tǒng)頻率偏差振蕩如圖9所示，當(dāng)不含電池系統(tǒng)時(shí)，其最大頻率偏差為0.26Hz，而當(dāng)包含電池系統(tǒng)時(shí)，特別當(dāng)其是大容量電池系統(tǒng)時(shí)，其頻率偏差明顯減少，如當(dāng)電池容量為（130MWh，500MW）時(shí)，其最大頻率偏差為0.15Hz。在區(qū)域1中，其系統(tǒng)頻率偏差如圖10所示，區(qū)域1只受聯(lián)絡(luò)線傳輸功率引起的頻率波動(dòng)，因風(fēng)電場(chǎng)引起的功率不平衡在區(qū)域2已有部分被同調(diào)吸收，且聯(lián)絡(luò)線上的傳輸功率已大幅小于風(fēng)電場(chǎng)引入的功率，其頻率偏差明顯小于含風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域2，同樣當(dāng)其電池系統(tǒng)容量增大時(shí)，其頻率偏差更是明顯減少。而區(qū)域之間線路的有功潮流如圖11所示，也因電池系統(tǒng)特別是當(dāng)其容量逐步加大時(shí)，其功率傳輸?shù)玫矫黠@控制。隨著系統(tǒng)頻率偏差增大時(shí)，其線路間的功率傳輸也明顯加劇。

圖9 區(qū)域2系統(tǒng)頻率偏差圖Fig.9 Fluctuation of system frequency deviation for area two

圖10 區(qū)域1系統(tǒng)頻率偏差圖Fig.10 Fluctuation of system frequency deviation for area one

圖11 互聯(lián)線路功率潮流Fig.11 Tie line power flow

2.2 電池系統(tǒng)極限容量的影響

當(dāng)電池系統(tǒng)容量設(shè)置為（90MWh，1200MW）時(shí)，其累積的能量如圖12所示，當(dāng)達(dá)到時(shí)間t＝530 s時(shí)，其儲(chǔ)存的能量達(dá)到極限，不能繼續(xù)充電儲(chǔ)能，而此時(shí)的輸出功率則從約－790MW突變?yōu)榱?，如圖13所示，并將對(duì)系統(tǒng)頻率和互聯(lián)線路間的功率傳輸產(chǎn)生劇烈的影響。因此，將電池系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)控制在其額定容量范圍內(nèi)。

圖12 電池儲(chǔ)存能量圖Fig.12 Diagram for energy stored in battery

圖13 電池系統(tǒng)輸出功率圖Fig.13 Diagram for fluctuation of battery output

3 結(jié)語(yǔ)

本文在大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并入電網(wǎng)的情況下，通過(guò)Matlab／Simulink仿真建模，分析了電池系統(tǒng)及其容量大小對(duì)電網(wǎng)頻率控制的影響。通過(guò)互聯(lián)線路功率模型，與不包含電池系統(tǒng)的模型進(jìn)行對(duì)比，很好地驗(yàn)證了電池系統(tǒng)特別是當(dāng)其容量逐步加大時(shí)，對(duì)抑制大量風(fēng)電注入引起的頻率波動(dòng)的有效性，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)驗(yàn)證了電池系統(tǒng)儲(chǔ)能須控制在額定范圍內(nèi)，才能持續(xù)有效地參與互聯(lián)電力系統(tǒng)頻率的控制，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)選取電池系統(tǒng)容量的大小。

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