淺析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)及控制策略

烏　彤　宋金鑫　高　偉 蔡曉峰 / 沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司

淺析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)及控制策略

烏彤宋金鑫高偉 蔡曉峰 / 沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司

頻率穩(wěn)定是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要保障，頻率出現(xiàn)偏移會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)l(fā)系統(tǒng)頻率崩潰等事故。因此，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的深入了解，并對(duì)其進(jìn)行具體分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)此，本文對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)及控制策略進(jìn)行了具體分析。

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)；頻率響應(yīng)；控制策略

一、基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)頻率響應(yīng)分析

（一）基于直流潮流的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化

1.DFIG機(jī)組模型簡(jiǎn)化。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組作為變速恒頻發(fā)電機(jī)組，其具有變速運(yùn)行特性，可以在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大化利用。DFIG通過(guò)背靠背的PWM功率變換器接入電網(wǎng)，風(fēng)機(jī)機(jī)械功率和系統(tǒng)電磁功率耦控制、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率實(shí)現(xiàn)了解耦控制?，F(xiàn)在兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組主要采用DFIG，隨著DFIG機(jī)組的大量并網(wǎng)運(yùn)行，在發(fā)生風(fēng)速變動(dòng)較大爬坡事件時(shí)，必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率的頻率響應(yīng)特性造成影響，因此對(duì)DFIG進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，如圖1所示。

2.直流潮流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化。

為了解風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的系統(tǒng)頻率的變化特性，在空濾頻率對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失控分布特性的同時(shí)，忽略無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)變化，采用基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型對(duì)有功-頻率動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行分析。采用直流潮流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型必須滿足三個(gè)假設(shè)條件，即假設(shè)各支點(diǎn)電壓幅值的標(biāo)幺值為1.0；忽略支路電阻、充電電容和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)纫蛩?；支路兩?jié)點(diǎn)之間的電壓相角差很小，可以近似得sinθij≈ θi- θj。對(duì)于傳統(tǒng)潮流計(jì)算，支路模型一般采用如圖2模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1　雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化模型

圖2　π形支路模型示意圖

3.基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型。

根據(jù)各元件的簡(jiǎn)化模型，能夠得到基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型。發(fā)電機(jī)組模型是各機(jī)組向網(wǎng)絡(luò)注入功率，為各機(jī)組端電壓相角。而負(fù)荷模型是各非發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)注入功率，為各非發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的母線相角，從而形成基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型，如圖3所示。

圖3　基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型

（二）基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)頻率響應(yīng)推理系統(tǒng)

1.輸入變量的確定。

模糊邏輯系統(tǒng)能夠通過(guò)給定的系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)建立相對(duì)應(yīng)的非線性關(guān)系，其對(duì)參數(shù)變化的線性或非線性對(duì)象有著很強(qiáng)的魯棒性。對(duì)隨機(jī)或未知的輸入變量，模糊邏輯系統(tǒng)由于具有輸入和輸出的非線性映射特性，所以能夠更好地應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的多變量和非線性的復(fù)雜系統(tǒng)中。

2.模糊邏輯系統(tǒng)的組成。

模糊邏輯系統(tǒng)主要是由模糊集合論和信息處理技術(shù)結(jié)合形成的，是利用模糊概念和模糊邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)。其中常用的主要有純模糊邏輯系統(tǒng)、高木-關(guān)野模糊邏輯系統(tǒng)、具有模糊產(chǎn)生器和模糊消除器的模糊邏輯系統(tǒng)。

3.自適應(yīng)模糊邏輯推理系統(tǒng)。

為了使模糊邏輯系統(tǒng)可以正確反映風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的隨機(jī)性和不確定性，引入控制器調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)對(duì)不確定項(xiàng)的逼近精度?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)的功率波動(dòng)值，把系統(tǒng)分為多個(gè)類(lèi)似的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的劃分根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際情況來(lái)決定。

二、基于風(fēng)電場(chǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

（一）風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)利用同步發(fā)電機(jī)組提供和風(fēng)電同等容量的旋轉(zhuǎn)備用會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)速度和高效的能量轉(zhuǎn)換效率，在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效改善風(fēng)電功率的波動(dòng)性，從而有利于提高發(fā)電系統(tǒng)向用戶(hù)提供用電的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性。并且，將儲(chǔ)能系統(tǒng)切實(shí)應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)，既能夠抑制功率波動(dòng)、縮減輸電、轉(zhuǎn)移時(shí)間，又能夠合理有效控制參與率。現(xiàn)在使用的主要儲(chǔ)能方式有通過(guò)機(jī)械儲(chǔ)能方式、電磁儲(chǔ)能方式和化學(xué)儲(chǔ)能方式。

2.儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方式。

就現(xiàn)階段儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入風(fēng)電場(chǎng)的方式主要分為散儲(chǔ)能和集中儲(chǔ)能兩種方式。其中分散儲(chǔ)能方式主要是將儲(chǔ)能裝置安裝到每臺(tái)風(fēng)機(jī)的終端，其是以平抑單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)為主要目標(biāo)，對(duì)應(yīng)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和功率相對(duì)較小，能夠充分發(fā)揮儲(chǔ)能裝置的功率調(diào)節(jié)作用。而集中儲(chǔ)能方式是將儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在風(fēng)電場(chǎng)出口母線處，其主要控制整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率。

3.儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電模型。

根據(jù)風(fēng)電的隨機(jī)和快速變化特性，合理利用儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)配合為并網(wǎng)系統(tǒng)提供調(diào)頻功能已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前適用于風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要有電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程一直處于充放電不斷變化的狀態(tài)?，F(xiàn)階段還沒(méi)有適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的充放電控制模型，儲(chǔ)能元件的剩余電量受自放電率和充放電率的影響。

（二）基于風(fēng)電場(chǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

1.風(fēng)電場(chǎng)等效慣性時(shí)間常數(shù)對(duì)于系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響。

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組是由具有旋轉(zhuǎn)慣量的機(jī)械部件所組成的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間密不可分。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力是由風(fēng)速?zèng)Q定的，風(fēng)速的隨機(jī)變化特性不僅會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)的有功出力出現(xiàn)波動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受風(fēng)速大小決定切入或切出運(yùn)行，這使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的慣性常數(shù)也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。

2.風(fēng)電場(chǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略。

在風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到一定程度時(shí)，必須切實(shí)考慮風(fēng)電場(chǎng)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的影響。利用等值下垂控制系數(shù)模型，風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻，微系統(tǒng)提供有功支持。但是，風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)頻能力會(huì)受風(fēng)速的影響而導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低。因此，可以充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，彌補(bǔ)風(fēng)電場(chǎng)的不足，并與風(fēng)電場(chǎng)相協(xié)調(diào)、相配合，積極參與到風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制中去。風(fēng)電場(chǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制示意圖如圖6。

圖4　風(fēng)電場(chǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制示意圖

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，尤其是風(fēng)電并網(wǎng)的發(fā)展，使得系統(tǒng)的不確定性和非線性迅速增加，在很大程度上很容易誘發(fā)頻率失穩(wěn)事故的發(fā)生，從而對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。相信在控制策略的不斷完善下，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性勢(shì)必會(huì)得到有效提升。

［1］曾飛，張勇，劉玙，張巖，張小易，袁宇波，文福拴.電力系統(tǒng)故障診斷的時(shí)序模糊邏輯推理方法［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2014（01）.

［2］向榮，王曉茹，譚謹(jǐn).基于飛輪儲(chǔ)能的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率及頻率控制方法研究［J］.系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué).2012（04）.