基于風機調(diào)頻特性的儲能配置方法及協(xié)調(diào)運行策略

陳長青，李欣然，楊徉，劉小龍

(湖南大學(xué)電氣工程學(xué)院，長沙市 410082)

0 引 言

由于風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率無耦合關(guān)系，無法為頻率擾動提供旋轉(zhuǎn)慣量支撐，因此，當大規(guī)模風電機組(wind turbine，WT)并網(wǎng)取代傳統(tǒng)機組后，將減弱系統(tǒng)調(diào)頻慣量能力[1-2]?；诖?，亟需利用新的調(diào)頻手段改善大規(guī)模WT并網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)頻能力不足的問題。

現(xiàn)階段，WT參與調(diào)頻常見的控制策略有：利用WT轉(zhuǎn)子動能作為系統(tǒng)慣性的虛擬慣量控制[3-4]。通過偏移最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)，而預(yù)留有功備用的超速和漿距角控制[5-6]、下垂控制[7]和由多種控制策略組合的控制方法[8]。然而，低風速下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，虛擬慣量支撐能力有限[9]，且在慣量結(jié)束后，大量WT同時進入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)頻率二次跌落。而超速和漿距角控制使WT偏移MPPT運行點，降低了風電場運行經(jīng)濟性[10]。綜上，通過改善控制策略能有效提高WT調(diào)頻能力，但僅僅依靠WT自身調(diào)頻能力，依然存在些許不足。

近年來，通過風儲協(xié)調(diào)控制來提高系統(tǒng)調(diào)頻能力的研究得到廣泛關(guān)注[11]。如在儲能(energy storage,ES)配置方面：文獻[12]利用WT等慣量原則進行ES配置，并在模糊邏輯控制基礎(chǔ)上，提出一種ES慣量補償策略，但忽略了WT自身調(diào)頻能力，增加了ES使用壽命成本。文獻[13]提出一種根據(jù)ES控制系數(shù)與電網(wǎng)頻率變化間的關(guān)系，通過設(shè)置置信水平來確定ES容量的方法，有效提升了ES配置經(jīng)濟性，但具有一定的主觀性，影響容量配置準確度。文獻[14-15]根據(jù)系統(tǒng)慣量響應(yīng)能力需求配置ES，但都基于大量的仿真分析和數(shù)據(jù)優(yōu)化，增加了計算復(fù)雜度，降低了工程實用價值。

在協(xié)調(diào)控制策略方面：文獻[16]在WT網(wǎng)側(cè)安裝ES裝置，并提出一種慣量與一次調(diào)頻相協(xié)調(diào)的控制策略，提高了單臺WT自穩(wěn)性。文獻[17]根據(jù)WT慣量的快速吞吐能力與ES靈活性，提出了一種WT和ES的協(xié)調(diào)控制策略，該策略能有效解決限轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)生的頻率二次下跌問題，增強了系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力。但文獻[16-17]對WT調(diào)頻受風速影響的研究不多。文獻[18]利用ES荷電狀態(tài)來控制ES、WT及火電機組調(diào)頻出力順序，但控制過程復(fù)雜。

WT調(diào)頻能力與風速相關(guān)，因此，在不同風速下需區(qū)別對待[19-20]。然而，目前協(xié)調(diào)控制策略的研究主要基于靜態(tài)調(diào)頻模型，對同時考慮ES調(diào)頻特性和WT調(diào)頻隨機性的研究較少。為此，本文針對部分同步發(fā)電機被WT取代后，系統(tǒng)慣量響應(yīng)能力下降、WT調(diào)頻轉(zhuǎn)速恢復(fù)問題，提出一種風儲系統(tǒng)與等容量同步發(fā)電機等慣量響應(yīng)能力的ES配置方法和協(xié)調(diào)控制策略，旨在充分發(fā)揮WT自身和ES調(diào)頻能力，在有限ES容量下提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

1 不同機組調(diào)頻模型

1.1 火電機組調(diào)頻模型

傳統(tǒng)火電機組調(diào)頻方式主要有：慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻3種方式[21]。其中慣性響應(yīng)在負荷突變后，立馬通過降低或增加轉(zhuǎn)速來完成響應(yīng)。一次調(diào)頻主要由機組調(diào)速器完成，而二次調(diào)頻通過特定調(diào)頻機組來實現(xiàn)?；痣姍C組調(diào)頻模型如圖1所示。

圖1 火電機組調(diào)頻模型Fig.1 Frequency-regulation model of thermal power unit

其中：ΔP12，ΔPL，ΔPp，ΔPc，ΔPG分別為聯(lián)絡(luò)線功率差值、負荷擾動量、機組一次調(diào)頻出力、二次調(diào)頻出力、調(diào)頻總出力；B，K，M，D分別為電網(wǎng)偏差系數(shù)、機組一次調(diào)頻單位調(diào)節(jié)功率系數(shù) 、電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)；Gov(s)，Gen(s)分別為調(diào)速器模型、再熱汽輪機組模型[21]。

1.2 WT調(diào)頻模型

WT正常運行在不具備調(diào)頻能力的MPPT方式下。為使WT具備與火電機組類似的調(diào)頻能力，需附加調(diào)頻控制環(huán)節(jié)，通過釋放或吸收WT轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速中存儲能量來參與頻率調(diào)節(jié)。其中，轉(zhuǎn)子動能釋放量[13]為：

(1)

式中：ΔE為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由ω0到ω所釋放的動能[13]；J為風機的轉(zhuǎn)動慣量。機械轉(zhuǎn)矩為：

(2)

式中：Tm、Te分別為WT機械和電磁轉(zhuǎn)矩；ωn為轉(zhuǎn)速參考值；H是WT慣性常數(shù)。由式(2)可得：

(3)

式中：Pm、Pe分別為WT機械和電磁功率。WT調(diào)頻功率Pref為：

(4)

積分可得：

(5)

式中：轉(zhuǎn)速參考值ωn(t)是關(guān)于Pref的函數(shù)；ωn(0)為初始轉(zhuǎn)速。

當系統(tǒng)頻率波動時，控制器給WT下達調(diào)頻功率指令，WT通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放能量來參與調(diào)頻，但仍存在些許不足。

1)高風速區(qū)，由于WT轉(zhuǎn)子運行在額定轉(zhuǎn)速，不能調(diào)節(jié)，無法釋放轉(zhuǎn)子動能。低風速下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍有限，可釋放動能有限，進而導(dǎo)致調(diào)頻支撐能力受到限制，甚至無法釋放轉(zhuǎn)子動能。因此，風機只在中風速下能有效提供轉(zhuǎn)子動能。

2)中風速下，轉(zhuǎn)子釋放或吸收動能后，需進行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)。此時，大量WT同時退出調(diào)頻系統(tǒng)，將引起頻率二次跌落。

綜上，WT接入電網(wǎng)后，部分傳統(tǒng)機組被無慣量響應(yīng)能力的WT替代，造成慣性時間常數(shù)降低，進而降低系統(tǒng)調(diào)頻能力。圖2給出了在負荷階躍擾動下，WT接入前后，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)過程示意圖。

圖2 WT參與系統(tǒng)調(diào)頻示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind power units participating in frequency-regulation system

1.3 ES調(diào)頻模型

若儲能采用恒功率充放電調(diào)頻控制，則一階慣性模型Gb(s)可表示為：

(6)

式中：Tb為時間常數(shù)，取0.1 s。

ES采用虛擬下垂控制模式參與一次調(diào)頻的等效模型如圖3所示。

圖3 單區(qū)域電網(wǎng)ES參與調(diào)頻等效模型Fig.3 Equivalent model of energy storage and frequency-regulation in a single regional power grid

圖3中，KG表示ES參與一次調(diào)頻的單位調(diào)節(jié)功率，其余參數(shù)與前述單區(qū)域電網(wǎng)常規(guī)機組調(diào)頻模型一致[23]。

2 風儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻特性

2.1 風儲協(xié)調(diào)控制策略

由第1.2節(jié)分析可知，WT調(diào)頻響應(yīng)能力與風速有關(guān)?？蓪L速分成3個區(qū)間：低風速(<11.7 m/s)、中風速(11.7～13.0 m/s)和高風速(>13.0 m/s)[19]。根據(jù)WT調(diào)頻特性，風儲協(xié)調(diào)控制策略分為慣量響應(yīng)和轉(zhuǎn)速恢復(fù)兩個階段，而在每個階段，依據(jù)不同風速，又分為兩種調(diào)頻方式。相比增大輸出功率，降低輸出功率較易實現(xiàn)，本文僅討論頻率f越下限fmin情況，越上限情況類似。其流程如圖4所示，具體實現(xiàn)過程如下：

1)慣量響應(yīng)階段：當監(jiān)測到風速為低風速時，WT保持原有工作狀態(tài)，風儲系統(tǒng)慣量由ES承擔(荷電狀態(tài)滿足要求)。若處于中風速時，則由WT承擔風儲系統(tǒng)慣量，ES狀態(tài)不變。

圖4 風儲系統(tǒng)調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 Frequency-regulation coordinated control strategy of combined wind power and energy storage system

2)轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段：當監(jiān)測到風速為低風速時，由于WT保持原有工作狀態(tài)，無需進行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。中風速下，在ES荷電狀態(tài)不低于最小值時，提供額外有功功率，快速恢復(fù)WT的MPPT運行。

頻率控制過程如圖5所示。低風速，選擇開關(guān)2和3。中風速，選擇開關(guān)1和4。

圖5 風儲系統(tǒng)調(diào)頻控制框圖Fig.5 Frequency-regulation control block diagram of combined wind power and energy storage system

2.2 風儲接入后系統(tǒng)調(diào)頻特性

由于WT慣量響應(yīng)能力受風速影響，具有不穩(wěn)定性，因此，本文主要分析ES對系統(tǒng)調(diào)頻慣性時間常數(shù)的影響。其中，圖6、圖7分別為不含ES和含ES的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型。KG、Kb分別為火電機組和ES單位調(diào)節(jié)功率；ΔPref(s)為二次調(diào)頻給定值，取為0；ΔPL(s)為負荷波動量；f(s)為頻率偏差；M和D分別為電網(wǎng)慣性時間常數(shù)和負荷阻尼系數(shù)，取值為5 pu和1 pu[23]。

圖6 火電機組區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型Fig.6 Dynamic frequency-regulation model of regional power grid for thermal power units

圖7 含ES的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型Fig.7 Frequency-regulation dynamic model of regional power grid with energy storage

假設(shè)ΔPref(s)取為0。則有：

(7)

ΔPg(s)+ΔPb(s)-ΔPL(s)=(Ms+D)·ΔF(s)

(8)

Gs(s)為傳統(tǒng)火電機組模型，如式(9)所示：

(9)

式中：TG、TCH、TRH和FHP分別為火電機組調(diào)速器、汽輪機、再熱器時間常數(shù)和再熱器增益，該處取值為0.08、0.3、10 s和0.5 pu。

負荷擾動引起的電網(wǎng)頻率偏差為：

(10)

負荷波動率：

(11)

將式(10)代入(11)，可得負荷波動率與電網(wǎng)頻率偏差關(guān)系為：

(12)

由傳統(tǒng)電網(wǎng)幅頻特性為：

(13)

可得含ES電網(wǎng)的幅頻特性為：

(14)

當Kb=24 pu，KG=20 pu時，可得區(qū)域電網(wǎng)幅頻特性|H(s)|曲線如圖8所示。

圖8 區(qū)域電網(wǎng)幅頻特性曲線Fig.8 Amplitude-frequency characteristic curve of regional power grid

由圖8可知，系統(tǒng)不含ES時，|H(s)|最大幅值為0.12 pu。當Δf取0.5 Hz時，最大允許負荷擾動幅值為8.33%；安裝ES后，|H(s)|最大幅值為0.046 3 pu，最大負荷擾動幅值為21.6%。大大提高了電網(wǎng)承受負荷擾動能力，即提高了電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。

與區(qū)域電網(wǎng)幅頻特性相似，電網(wǎng)負荷波動頻率特性|I(s)|曲線如圖9所示。

由圖9可知，不含ES時，|I(s)|最大幅值為23.8 pu，最大負荷波動率為0.42%。安裝ES后，|I(s)|最大幅值為11.1 pu，最大負荷波動率幅值為9.901%，明顯提高了系統(tǒng)抗擾性。

圖9 區(qū)域電網(wǎng)負荷波動幅頻特性曲線Fig.9 Amplitude frequency characteristic curve of regional power network load fluctuation

綜上，ES輔助WT參與電網(wǎng)調(diào)頻，大大提高了電網(wǎng)頻率的自穩(wěn)性和抗擾性。

3 ES配置模型

3.1 不同應(yīng)用場景對ES配置的影響

目前，常見的儲能配置方法主要以調(diào)峰、平波抑動和調(diào)頻為應(yīng)用場景，在不同場景下以經(jīng)濟最優(yōu)為目標進行配置。下面分析在不同應(yīng)用場景下，風電系統(tǒng)中儲能配置的影響因素。

1)風電的接入改變了電網(wǎng)潮流分布，引起線路功率傳輸?shù)淖兓?/p>

2)由于風電出力的反調(diào)峰特性，影響電網(wǎng)等效負荷曲線波動幅值，且隨著風電滲透率的增大，等效負荷的變化幅度也越大；

3)由于WT無慣性響應(yīng)能力，降低了電網(wǎng)調(diào)頻能力；

4)由于風速的不確定性和突變性，造成風電輸出功率的不穩(wěn)定性和棄風；

5)負荷水平和類型對系統(tǒng)峰谷差的影響，峰谷差越大，調(diào)峰壓力越大。

在不同的應(yīng)用場景下，ES配置所受的影響因素不同，如表 1 所示。

表1 不同場景下ES配置影響異同Table 1 Similarities and differences in the influence of ES configuration in different scenarios

由表1分析可知，無論在何種場景下，以經(jīng)濟最優(yōu)為目標配置儲能，配置容量都將受電網(wǎng)負荷水平、風電滲透率和風速隨機性和目標函數(shù)及約束條件的影響，不能確定統(tǒng)一配比。因此，本文僅考慮等容量風儲與同步發(fā)電機等調(diào)頻能力來配置儲能，旨在降低運行工況對儲能配置的影響。

3.2 等慣量響應(yīng)配置

為實現(xiàn)風儲系統(tǒng)替代等容量同步機組前后，維持系統(tǒng)調(diào)頻慣量響應(yīng)能力不變，且在WT慣量響應(yīng)退出調(diào)頻系統(tǒng)時，不發(fā)生頻率二次跌落，ES容量配置需滿足兩個功能：1)在低風速下，WT無法釋放轉(zhuǎn)子動能時，作為備用維持風儲系統(tǒng)慣量；2)在中風速下，輔助WT轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)，避免因大量WT退出而造成系統(tǒng)頻率二次跌落。

同步發(fā)電機組用于短期頻率響應(yīng)的能量主要來源于儲存在其轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動能EK[12]，可表示為：

(15)

通常慣性時間常數(shù)H被用來表示同步發(fā)電機組慣量的大小，其可以表示為：

(16)

式中：SN為發(fā)電機的額定容量。

類比式(8)可得風儲虛擬慣量HW-B：

(17)

式中：n為風電場中WT的數(shù)量；ΔEopi為第i臺WT的旋轉(zhuǎn)動能；EB為額定頻率時ES裝置存儲等效動能；SN-WB為風儲總額定容量。

風儲慣量常數(shù)與轉(zhuǎn)速ω關(guān)系式如下：

(18)

當WT處于低風速時，ωA≈ωmin，轉(zhuǎn)速變化量趨于0，此時WT轉(zhuǎn)子動能對系統(tǒng)的慣量貢獻幾乎為0，全部由ES提供。在調(diào)頻過程中同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化范圍通常為0.96～1.00 pu[12]。即最大轉(zhuǎn)子動能釋放量為：

(19)

而發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速運行時，存儲的轉(zhuǎn)子動能為：

(20)

Jω2=PNTJ

(21)

式中：TJ為慣量參與調(diào)頻控制時間；PN為同步發(fā)電機額度容量。

若對ES采用恒功率充放電模式，則ES裝置需在Δt時間內(nèi)釋放與等額同步發(fā)電機相同的慣量：

EB=EKmax=PB×Δt=0.039 2PNTJ

(22)

式中：PB為ES容量。

由文獻[12]可知，電力系統(tǒng)依靠慣量參與頻率控制的時間約為10 s，此處假設(shè)Δt=TJ，則

PB=0.039 2PN=0.039 2(PW+PB)

(23)

PB=0.040 8PW

(24)

考慮到安全裕度，配置風電場額定功率5%的ES即滿足等慣量要求。

3.3 轉(zhuǎn)速恢復(fù)配置

單臺WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中，轉(zhuǎn)子動能和輸入風能的變化量分別為：

(25)

(26)

兩者之間的關(guān)系可用式(27)描述:

ΔP=ΔEK+ΔEW

(27)

式中：ΔP為WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中功率變化量。

利用ES協(xié)助WT恢復(fù)MPPT運行和避免頻率二次擾動，可將WT和ES分別看成風儲系統(tǒng)的子系統(tǒng)。利用ES附加調(diào)頻有功ΔPE來補償WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)所需功率，則風電場所需功率可表示為：

(28)

式中：n1為風電場參與慣量響應(yīng)的WT數(shù)量，n1≤n。

ES容量配置為：

PESS=min(ΔPB,ΔPE)

(29)

然而，在大型風電場中，由于風速分布不均衡，則參與調(diào)頻的機組n1

4 仿真分析

4.1 仿真基礎(chǔ)

在MATLAB/Simulink中建立含風儲系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率特性仿真系統(tǒng)，如圖10所示。其中，風電場由50臺1.5 MW的WT組成，ES最大功率為3.25 MW，充放電效率η=90%，SOC初始值為0.5，上下限約束為0.8和0.2。表2中數(shù)據(jù)為電網(wǎng)模型相關(guān)參數(shù)。

圖10 系統(tǒng)仿真模型Fig.10 System simulation model

表2 電網(wǎng)模型參數(shù)Table 2 Grid model parameters

4.2 低風速區(qū)負荷階躍擾動

在上述運行工況下，WT處于MPPT運行狀態(tài)，風速為8 m/s，處于低風速。慣量響應(yīng)由ES承擔。假定在5 s時負荷1突增45 MW，對比分析無調(diào)頻控制、WT控制、風儲協(xié)調(diào)控制與等值同步發(fā)電機(采用等容量同步發(fā)電機取代WT)4種控制，旨在證明本文所提ES配置方法，能滿足系統(tǒng)慣量響應(yīng)需求。其中，頻率和功率曲線如圖11所示。

圖11 低風速下仿真分析Fig.11 Simulation analysis at low wind speed

由系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線圖11(a)可知，風儲協(xié)調(diào)控制的頻率響應(yīng)明顯優(yōu)于其他3種控制，其次是等值同步機組控制，而WT控制效果最差，最低頻率跌至49.59 Hz，相比無頻率控制的49.64 Hz，下降了0.05 Hz。這是因為低風速下WT不參與調(diào)頻，而部分火電機組被取代，系統(tǒng)調(diào)頻能力下降所致，火電機組輸出功率曲線如圖11(b)所示。而在常規(guī)機組控制中，頻率最大偏差值，相比無頻率控制的49.64 Hz提升至49.71 Hz。風儲協(xié)調(diào)控制提升至49.78 Hz，改善了0.28%。這是由于在風儲協(xié)調(diào)控制下，WT在ES裝置的協(xié)助下，能快速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，降低頻率變化率，改善頻率偏差值。主要是當負荷在5.0 s突增時，ES在5.1 s時可投入，為系統(tǒng)提供慣量響應(yīng)，如圖11(c)所示。

4.3 中風速區(qū)負荷階躍擾動

為驗證本文所提ES容量配置方法和控制策略，能夠有效協(xié)助風電場實現(xiàn)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，避免頻率二次跌落，對比分析了無調(diào)頻控制、WT控制、風儲協(xié)調(diào)控制與等值同步發(fā)電機(采用等容量同步發(fā)電機取代WT)4種控制。在中風速(10 m/s)運行下的風儲調(diào)頻仿真結(jié)果，如圖12所示。

圖12 中風速下仿真分析Fig.12 Simulation analysis at middle wind speed

在圖12(a)中，風儲協(xié)調(diào)控制和WT控制時的第一頻率最低點相同，因為系統(tǒng)慣量響應(yīng)均由WT提供。但當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始恢復(fù)時，WT控制會導(dǎo)致頻率二次跌落，且跌落最低值為49.64 Hz，小于等值常規(guī)機組控制的49.69 Hz，加劇了系統(tǒng)頻率惡化。而風儲協(xié)調(diào)控制不僅避免了該問題，且最低頻率為49.75 Hz，大大改善了系統(tǒng)調(diào)頻性能。這是由于在WT控制中，無額外功率來平衡由WT轉(zhuǎn)子在慣量響應(yīng)階段中吸收的功率，而風儲協(xié)調(diào)控制中，有ES裝置補償WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)功率。如圖12(c)所示，ES在11.2 s時釋放WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)功率，進而避免了頻率二次跌落問題。而WT控制，在頻率發(fā)生二次跌落后，在18 s時，常規(guī)機組增大輸出，輔助WT轉(zhuǎn)速恢復(fù)，并提供調(diào)頻功率，加速系統(tǒng)頻率恢復(fù)，如圖12(b)所示。

綜上，無論在低風速還是中風速下，WT在ES輔助下，無需留有備用容量，一直運行在MPPT模式，降低了棄風率，提高了風電利用率。而且通過二者的協(xié)調(diào)配合，不僅保證了系統(tǒng)慣量響應(yīng)能力，而且有效避免了風電退出調(diào)頻時出現(xiàn)的頻率二次跌落，有助于提高動態(tài)頻率調(diào)節(jié)能力。

5 結(jié) 論

基于現(xiàn)有文獻報道的頻率支持控制策略，在WT慣量響應(yīng)之后，會在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中造成頻率二次下降，或者以犧牲經(jīng)濟為代價，使WT具有調(diào)頻能力。為了解決這一問題，本文提出了一種風儲系統(tǒng)與等容量同步發(fā)電機等慣量響應(yīng)能力的ES配置方法。在WT附近安裝了額定功率約為WT額定功率5%的小型ES，即可滿足系統(tǒng)慣量響應(yīng)需求。并在此基礎(chǔ)上，提出了一種WT和ES的協(xié)調(diào)控制策略，既能提供頻率支持，又能避免二次頻率下降。仿真結(jié)果表明，ES配置容量滿足了系統(tǒng)需求，通過協(xié)調(diào)控制策略，可顯著改善系統(tǒng)頻率運行特性。