風(fēng)-火互補發(fā)電系統(tǒng)區(qū)域頻率控制的策略研究

姚 亮，陳 巒,2，鄭 彬，周 瑜

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風(fēng)-火互補發(fā)電系統(tǒng)區(qū)域頻率控制的策略研究

姚 亮1，陳 巒1,2，鄭 彬3，周 瑜1

(1.電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731；2.電子科技大學(xué)電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610041)

風(fēng)能與傳統(tǒng)能源互補發(fā)電給互聯(lián)電網(wǎng)各方帶來了巨大的安全經(jīng)濟(jì)效益，對互聯(lián)電網(wǎng)頻率控制的分析與研究是電力系統(tǒng)不可忽視的部分。討論了發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，分析加入風(fēng)力發(fā)電后，風(fēng)-火互補發(fā)電的區(qū)域頻率控制，給出模型方案(增加PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn))，對其中的三種控制模式(TBC-FTC、TBC-FFC、TBC-TBC)進(jìn)行研究。仿真圖及仿真結(jié)果數(shù)據(jù)驗證了風(fēng)-火互補發(fā)電的區(qū)域頻率控制的可行性。與傳統(tǒng)的單區(qū)域頻率調(diào)節(jié)相比，加入了風(fēng)電的多區(qū)域頻率控制能改善頻率調(diào)節(jié)的性能。

風(fēng)能；互聯(lián)電網(wǎng)；頻率控制；控制模式；仿真

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問題成為當(dāng)下最為關(guān)心的話題，減少環(huán)境污染最為有效的方法之一就是發(fā)展新能源。風(fēng)能以其無污染、可再生等優(yōu)點受到高度重視，成為我國能源結(jié)構(gòu)中新的增長點。文獻(xiàn)[1]主要介紹了風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，根據(jù)中國國家能源局規(guī)劃指出，在資源豐富地區(qū)規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)電基地，在其他地區(qū)加快風(fēng)能分散開發(fā)，到2020年，風(fēng)電發(fā)電裝機將達(dá)到200 GW。在我國，風(fēng)能集中分布在東北、新疆、內(nèi)蒙古等偏遠(yuǎn)地區(qū)，結(jié)合我國電力的地域分布[2]，需要進(jìn)行電網(wǎng)互聯(lián)，在這過程中，電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定成為電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的關(guān)鍵。

在中國的能源結(jié)構(gòu)中，火電和水電所占比重較大，以往都是傳統(tǒng)能源互聯(lián)。根據(jù)我國的“十二五”規(guī)劃，中國將大力建設(shè)風(fēng)電場，風(fēng)電所占比重逐年升高。那么將出現(xiàn)多能互補的局面，比如風(fēng)-火互補發(fā)電、光-水互補發(fā)電、風(fēng)-光互補發(fā)電等。多能互補發(fā)電是中國新能源發(fā)展的趨勢，其中的區(qū)域頻率控制是保證其電能可靠、電網(wǎng)安全不可或缺的因素。文獻(xiàn)[3]研究了火電機組在孤網(wǎng)運行下的頻率控制，而文獻(xiàn)[4]只研究了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)頻，它們都只是各自的發(fā)電機組對各自區(qū)域進(jìn)行單獨的頻率調(diào)節(jié)。本文在其基礎(chǔ)上提出了將風(fēng)電作為輔助調(diào)節(jié)功能，對火電區(qū)進(jìn)行功率支援，進(jìn)行電網(wǎng)區(qū)域頻率的控制調(diào)節(jié)，是一種新型的頻率控制策略。該控制策略具有很好的應(yīng)用前景，能改善互聯(lián)電網(wǎng)中單區(qū)域頻率調(diào)節(jié)的性能。

1 電力系統(tǒng)的頻率控制

1.1 電網(wǎng)的頻率控制

電力系統(tǒng)運行時必須將電網(wǎng)頻率控制在50 Hz附近的一個允許范圍內(nèi)。為了維持頻率在目標(biāo)值，需要對產(chǎn)生和消耗的有功功率進(jìn)行控制，以確保發(fā)電和負(fù)荷的平衡[5]。而負(fù)荷的用電功率是經(jīng)常變化的，需要通過發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)和電網(wǎng)的自動發(fā)電控制(Automatic Generating Control, AGC)來調(diào)節(jié)供電功率[6]。

電力系統(tǒng)的頻率控制通常使用分級控制來維持發(fā)電和負(fù)荷的平衡。一級頻率控制，又稱一次調(diào)頻，是負(fù)荷、發(fā)電機對電網(wǎng)頻率變化做出的自動響應(yīng)，其中主要是發(fā)電機組調(diào)速器的控制調(diào)節(jié)；二級頻率控制，又稱二次調(diào)頻，主要由電力調(diào)度中心的控制軟件對發(fā)電機出力進(jìn)行控制，從而快速恢復(fù)頻率偏移。圖1是發(fā)電機組的一次調(diào)頻模型，其主要由調(diào)速器模型、原動機模型、發(fā)電機-負(fù)荷模型組成[7]，該模型通過改變整定值改變機組出力，可以實現(xiàn)有差調(diào)節(jié)。

圖1發(fā)電機組的一次調(diào)頻模型

1.2 電網(wǎng)頻率控制的參數(shù)

當(dāng)電網(wǎng)頻率與電網(wǎng)功率變化時，它們會存在動態(tài)關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)功率出現(xiàn)差值時，電網(wǎng)頻率偏差會與之存在如下傳遞函數(shù)的關(guān)系

(2)

在發(fā)電機組的一次調(diào)頻中，發(fā)電機組輸出功率和頻率靜態(tài)關(guān)系的曲線成為發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性。發(fā)電機組的功頻靜特性曲線的斜率為

(4)

調(diào)速器是發(fā)電機組的一個重要組成部分，它的主要功能是維持機組間的負(fù)荷分配和機組的轉(zhuǎn)速。汽輪機調(diào)速器的數(shù)學(xué)函數(shù)為，其中是調(diào)速器時間系數(shù)，一般為0.05~0.25 s。

汽輪機是把蒸汽儲存的能量轉(zhuǎn)換為機械能量，再由發(fā)電機將其轉(zhuǎn)換為電能。無再熱汽輪機在數(shù)學(xué)上可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其中是原動機的時間系數(shù)，一般為0.2~2 s。再熱汽輪機的傳遞函數(shù)為，它需要考慮再熱系統(tǒng)里蒸汽流的時間延遲，其中是蒸汽進(jìn)入再熱器前，所產(chǎn)生功率占總功率的比例，一般為，是再熱器的時間系數(shù)，一般為5~10 s。

一般情況下，負(fù)荷增減的值調(diào)度人員并不清楚，不能實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。當(dāng)在該模型前端加入二次調(diào)頻環(huán)節(jié)，也就是在一次調(diào)頻系統(tǒng)中加入了二次調(diào)頻的積分環(huán)節(jié)，將人員手動調(diào)節(jié)變?yōu)樽詣痈櫿{(diào)節(jié)，控制的目標(biāo)是使頻率偏差為零[8]。加入二次調(diào)頻環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2加入二次調(diào)頻環(huán)節(jié)的模型

2 發(fā)電機組的頻率調(diào)節(jié)

2.1 無再熱單火力機組的一次調(diào)頻

獨立的控制區(qū)域：控制區(qū)內(nèi)只有一臺無再熱的火力發(fā)電機組，裝機容量為600 MW(100 MW的旋轉(zhuǎn)備用容量)，在頻率為50 Hz時，連接的負(fù)荷為500 MW。我們?nèi)』鹆C組的等于1，等于10， 火力發(fā)電系統(tǒng)調(diào)頻參數(shù)見表1。

表1火力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

Table 1 Thermal power system simulation model parameters

區(qū)域的負(fù)荷在2 s時刻增加6 MW容量,仿真系統(tǒng)在設(shè)計中的數(shù)據(jù)均采用標(biāo)幺值。把圖1模型設(shè)定成如上參數(shù)時，運行Matlab模型后，得到無再熱單火力機組的一次調(diào)頻的頻率變化，如圖3所示。

圖3無再熱單火力機組一次調(diào)頻的頻率變化曲線

只有一次調(diào)頻時，區(qū)域1在2 s時刻出現(xiàn)幅度為6 MW的負(fù)荷增量，計算區(qū)域的自然頻率特性系數(shù)

負(fù)荷的阻尼常數(shù)

則系統(tǒng)在理論上應(yīng)該穩(wěn)定在偏離計劃值的幅度為

經(jīng)過數(shù)秒的減幅振蕩，最終穩(wěn)定在與理論分析計算值附近。

2.2 無再熱單火力機組的二次調(diào)頻

根據(jù)圖2加入的二次調(diào)頻積分環(huán)節(jié)，取二次調(diào)頻的積分增益系數(shù)，得到無再熱單火力機組加入二次調(diào)頻的頻率變化，如圖4所示。

圖4無再熱單火力機組加入二次調(diào)頻的頻率變化曲線

根據(jù)圖4得到，加入了二次調(diào)頻后，發(fā)電機組的頻率調(diào)節(jié)性能得到了明顯改善，但調(diào)節(jié)時間過長，所以需要加入其他機組進(jìn)行共同調(diào)節(jié)。

2.3 單區(qū)域多機組的二次調(diào)頻

控制區(qū)是指通過聯(lián)絡(luò)線與外部相連的局部電力系統(tǒng)，通過調(diào)整控制區(qū)發(fā)電機組的有功功率，維持聯(lián)絡(luò)線的交換功率和系統(tǒng)的頻率在給定范圍內(nèi)[9],如圖5所示。

圖5電力系統(tǒng)控制區(qū)模型

圖6為一個控制區(qū)，區(qū)中有兩臺火力發(fā)電機組，分別為無再熱火力發(fā)電機組和再熱火力發(fā)電機組。

圖6單區(qū)域多機組的模型

取表1的模型參數(shù)，其中增加了再熱火力發(fā)電機組，該區(qū)域在2 s時刻增加6 MW容量負(fù)荷,仿真系統(tǒng)在設(shè)計當(dāng)中的數(shù)據(jù)均采用標(biāo)幺值。可以得到單區(qū)域多機組加入二次調(diào)頻的頻率變化，如圖7所示。

圖7單區(qū)域多機組加入二次調(diào)頻的頻率變化曲線

可以明顯從圖7中得到，多機組的頻率偏移幅度比單機組的頻率偏移幅度小，而且調(diào)節(jié)時間比單機組的調(diào)節(jié)時間短。

3 互聯(lián)電力系統(tǒng)多區(qū)域控制策略

3.1 定頻率控制

定頻率控制FFC(Flat Frequency Control)模式一般用于互聯(lián)電網(wǎng)的主系統(tǒng)和獨立運行的電力系統(tǒng)中，該模式主要將頻率控制為額定值。其區(qū)域控制偏差的計算公式為

3.2 定交換功率控制

定交換功率控制FTC(Flat Tie-line Control)模式適用于互聯(lián)電網(wǎng)中小容量的電力系統(tǒng)，該模式通過控制機組的有功功率出力來保持區(qū)域聯(lián)絡(luò)線凈交換功率偏差到零。其區(qū)域控制偏差的計算公式為

3.3 聯(lián)絡(luò)線功率及頻率偏差控制

聯(lián)絡(luò)線功率及頻率偏差控制TBC(Tie-line Bias Frequency Control)模式一般用于互聯(lián)電力系統(tǒng)中，該模式需要同時監(jiān)測和，判別負(fù)荷的擾動發(fā)生在哪個系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)機組的有功功率，最終將因聯(lián)絡(luò)線功率、頻率偏差造成的控制到規(guī)定范圍之內(nèi)。其區(qū)域控制偏差的計算公式為

3.4 風(fēng)-火互補發(fā)電系統(tǒng)區(qū)域頻率控制

系統(tǒng)A代表火力發(fā)電機組，系統(tǒng)B代表風(fēng)力發(fā)電機組。這里用變速恒頻雙饋風(fēng)電機組進(jìn)行區(qū)域頻率控制[10-11]，圖8為風(fēng)電的比例控制頻率調(diào)節(jié)模塊。

圖8比例控制頻率調(diào)節(jié)的模型

比例控制環(huán)節(jié)采用了和常規(guī)同步發(fā)電機相似的一次調(diào)頻環(huán)節(jié),它的一個重要特征就是能更加充分利用風(fēng)力發(fā)電快速注入功率的能力[12-13]。

圖9是加入了變速恒頻雙饋風(fēng)電機組的多區(qū)域頻率控制模型。

圖9 加入風(fēng)電機組的多區(qū)域模型

取表1火力發(fā)電系統(tǒng)的模型參數(shù)，風(fēng)力機組的慣性時間系數(shù)大約為2~6 s，這里我們?nèi)?，互?lián)系統(tǒng)調(diào)頻參數(shù)見表2。

表2互聯(lián)系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

Table 2 Interconnected system simulation model parameters

3.5TBC-FTC控制模式

系統(tǒng)A采用TBC模式，而系統(tǒng)B采用FTC模式。此時A、B兩系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為

(9)

當(dāng)加入風(fēng)力機組作為一個控制區(qū)時，對其中火力機組的控制區(qū)進(jìn)行有功功率支援，形成風(fēng)-火互補發(fā)電。得到風(fēng)電區(qū)的頻率變化和加入風(fēng)電前后兩次火電區(qū)的頻率變化如圖10所示。

圖10TBC-FTC控制模式的頻率變化曲線

3.6 TBC-FFC控制模式

系統(tǒng)A采用TBC模式，而系統(tǒng)B采用FFC模式。此時A、B兩系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為

(11)

得到風(fēng)電區(qū)的頻率變化和加入風(fēng)電前后兩次火電區(qū)的頻率變化如圖11所示。

3.7 TBC-TBC控制模式

A、B兩系統(tǒng)均采用TBC模式。此時A、B兩系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為

(13)

得到風(fēng)電區(qū)的頻率變化和加入風(fēng)電前后兩次火電區(qū)的頻率變化如圖12所示。

圖11 TBC-FFC控制模式的頻率變化曲線

圖12TBC-TBC控制模式的頻率變化曲線

此時，可以得到風(fēng)-火互補發(fā)電系統(tǒng)3種控制模式聯(lián)絡(luò)線交換功率的變化情況，如圖13所示。

圖13三種控制模式的聯(lián)絡(luò)線功率變化曲線

以上分析了3種區(qū)域頻率控制模式，其中負(fù)荷擾動都發(fā)生在具有火電機組的區(qū)域1中，火電機組均采用TBC的控制模式，具有風(fēng)電機組的區(qū)域2無負(fù)荷擾動，它對區(qū)域1進(jìn)行頻率的輔助調(diào)節(jié)，分別采用了FTC、FFC、TBC模式，并對其進(jìn)行仿真。在3種控制模式下，我們得到了頻率和交換功率的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。

從仿真圖和仿真數(shù)據(jù)表(表3、表4)可以看出，3種控制模式都能很好地對火電區(qū)進(jìn)行功率支援，改善頻率調(diào)節(jié)的性能(減小頻率擾動幅度，縮短頻率恢復(fù)時間)。通過對比可以看出，TBC-FTC控制模式，聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)了超調(diào)，功率支援力度最小，風(fēng)電區(qū)頻率偏移最大，火電區(qū)頻率恢復(fù)最慢。TBC-FFC控制模式，聯(lián)絡(luò)線的功率支援力度最大，風(fēng)電區(qū)頻率偏移最小且火電區(qū)頻率恢復(fù)最快。TBC-TBC控制模式，各項調(diào)節(jié)性能與TBC-FFC相差不大，聯(lián)絡(luò)線的功率恢復(fù)時間最短。所以，TBC-FFC控制模式和TBC-TBC控制模式的區(qū)域頻率控制性能較好。

表3風(fēng)電區(qū)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的仿真結(jié)果

Table 3 Wind zone frequency and tie-lines power simulation results

表4火電區(qū)頻率的對比仿真結(jié)果

Table 4 Comparison simulation results of thermal power zone frequency

4 結(jié)論

本文介紹了單機組火力發(fā)電的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。為了提高頻率調(diào)節(jié)的性能，分析加入風(fēng)力發(fā)電后風(fēng)-火互補發(fā)電的區(qū)域頻率控制，給出了3種區(qū)域頻率控制策略方案，并對其進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上對各種控制模式中的參數(shù)進(jìn)行對比分析。該仿真結(jié)果是在該模型參數(shù)設(shè)定的情況下得到的。

本論文提出的以風(fēng)電作為輔助，支援火電進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，是一種比較新型的頻率控制策略。針對本文的模型參數(shù)，給出了3種控制模式策略，對風(fēng)電區(qū)域和火電區(qū)域的頻率偏移以及恢復(fù)時間，聯(lián)絡(luò)線的功率交換進(jìn)行分析研究，討論了3種控制模式的優(yōu)劣。該仿真模型中省略了頻率調(diào)節(jié)的評價，各機組本身的調(diào)節(jié)死區(qū)以及風(fēng)電加入的經(jīng)濟(jì)性問題。這些方面也是以后大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)需要重點研究的方向[14-16]。

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BAO Yuqing, LI Yang, WANG Chunning, et al. On demand response participating in the frequency control of the grid under high wind penetration[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(4): 32-37.

(編輯 葛艷娜)

Research on area frequency control strategy of wind-fire hybrid power generation system

YAO Liang1, CHEN Luan1, 2, ZHENG Bin3, ZHOU Yu1

(1. School of Energy Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 2. The Power System Wide-area Measurement and Control Sichuan Provincial Key Laboratory, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 3. Electric Power Company of Sichuan Province Tianfu Power Supply Company, SGCC, Chengdu 610041, China)

Wind and traditional energy hybrid power generation will bring to great safety economic benefit for interconnected power grid, the analysis and study of interconnected power grid frequency control not be ignored in power system. This paper discusses primary and secondary frequency control of power generation systems, analyzes wind and fire hybrid area frequency control after joining wind power, gives model scheme (increased PI regulation units), and studies three control modes (TBC-FTC, TBC-FFC, TBC-TBC). Simulation diagrams and simulation results verify the feasibility of the wind-fire hybrid power generation area frequency control. Compared with the traditional single area frequency regulation, joining area frequency control of wind power improves the performance of frequency control.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61304177).

wind energy; interconnected power grid; frequency control; control mode; simulation

10.7667/PSPC151177

2015-07-09；

2015-09-02

姚 亮(1989-),男,碩士研究生,研究方向為可再生能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)；E-mail：1021352080@qq.com

陳 巒(1973-),男，碩士，副教授,主要從事計算智能及其應(yīng)用、電力系統(tǒng)自動化方面的研究;

鄭 彬(1988-),男,在職碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)、智能電網(wǎng)。

國家自然科學(xué)基金(61304177)