含風(fēng)電的雙饋抽水蓄能機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)頻策略

羅遠(yuǎn)翔，李鑫明，潘 超，關(guān) 明

含風(fēng)電的雙饋抽水蓄能機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)頻策略

羅遠(yuǎn)翔，李鑫明，潘 超，關(guān) 明

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

雙饋抽水蓄能機(jī)組解耦控制使得其轉(zhuǎn)子無(wú)法響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。為提高雙饋抽水蓄能機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻能力，提出一種轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度協(xié)調(diào)控制的控制策略。首先建立水泵水輪機(jī)和雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析雙饋抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行導(dǎo)葉開(kāi)度尋優(yōu)的過(guò)程。其次在水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開(kāi)度控制中加入頻率控制環(huán)節(jié)，同時(shí)根據(jù)機(jī)組可用轉(zhuǎn)子動(dòng)能整定可變調(diào)差系數(shù)，確保機(jī)組轉(zhuǎn)速始終運(yùn)行在安全范圍內(nèi)。最后結(jié)合兩種控制的調(diào)頻優(yōu)勢(shì)，依據(jù)頻率變化協(xié)調(diào)兩種控制參與調(diào)頻的比例系數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者平滑切換。在含風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中仿真分析，結(jié)果表明所提控制策略在抽水蓄能機(jī)組發(fā)電、電動(dòng)工況下均能夠提高機(jī)組頻率響應(yīng)能力和電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力。

雙饋抽水蓄能；轉(zhuǎn)子動(dòng)能；導(dǎo)葉開(kāi)度；比例系數(shù)；頻率調(diào)節(jié)

0 引言

我國(guó)已把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，將加快向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，而新能源的波動(dòng)性使得電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)[1-6]。抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠且較為經(jīng)濟(jì)的主要調(diào)節(jié)電源，可有效促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電和光伏發(fā)電的入網(wǎng)消納，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用和黑啟動(dòng)等功能，對(duì)提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、促進(jìn)新能源消納、減少能源消耗具有重要意義[7-9]。加快發(fā)展抽水蓄能電站，能夠提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，推動(dòng)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，在保證供電穩(wěn)定性、確保電網(wǎng)安全、提高新能源利用率、推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中起到重要作用。雙饋抽水蓄能機(jī)組(Doubly Fed Pumped Storage Unit, DFPSU)轉(zhuǎn)速可調(diào)，采用雙饋電機(jī)作為發(fā)電電動(dòng)機(jī)，其出力響應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)方式靈活，在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中起到重要作用[10]。

常規(guī)抽水蓄能機(jī)組只能在恒速恒頻方式下運(yùn)行，因此其運(yùn)行工況決定于水頭和負(fù)荷。水泵水輪機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速需要考慮水泵運(yùn)行工況和水輪機(jī)運(yùn)行工況的效率，綜合得到最優(yōu)運(yùn)行效率，所以轉(zhuǎn)速通常只能偏離兩者的最高效率點(diǎn)。DFPSU轉(zhuǎn)速可根據(jù)運(yùn)行水頭與負(fù)荷相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水泵水輪機(jī)始終運(yùn)行在效率最高點(diǎn)附近，有效提高運(yùn)行效率，擴(kuò)大電動(dòng)工況和發(fā)電工況的運(yùn)行范圍[11]。DFPSU變速運(yùn)行，能夠釋放或吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行快速功率調(diào)節(jié)，可以等效出比固有慣量更大的慣量[12]，因此成為調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率、平衡新能源出力波動(dòng)的有效手段[13]。

目前，國(guó)內(nèi)外主要研究DFPSU的機(jī)組建模和參數(shù)優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)DFPSU電氣系統(tǒng)進(jìn)行建模，研究機(jī)組動(dòng)態(tài)模型和機(jī)電暫態(tài)模型對(duì)仿真結(jié)果的影響，分析機(jī)組變速對(duì)水泵水輪機(jī)效率的影響。文獻(xiàn)[16-18]分析了水泵水輪機(jī)中調(diào)速器參數(shù)、輸水管道模型的變化對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的影響。對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略得到了廣泛研究[19-20]。文獻(xiàn)[21-24]提出利用機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，通過(guò)附加頻率控制環(huán)節(jié)來(lái)釋放或吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能，能夠模擬與同步發(fā)電機(jī)相似的慣性響應(yīng)，快速改變機(jī)組輸出的有功功率，進(jìn)而為系統(tǒng)提供功率支撐。文獻(xiàn)[25-27]提出采用下垂控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的控制，根據(jù)風(fēng)速變化和機(jī)組減載實(shí)現(xiàn)變下垂系數(shù)控制。但DFPSU運(yùn)行工況更加復(fù)雜多變，涉及DFPSU頻率控制方面的研究還處于起步階段。文獻(xiàn)[28]提出基于慣性環(huán)節(jié)的變下垂系數(shù)控制方式，根據(jù)頻率變化率實(shí)時(shí)調(diào)整下垂系數(shù)。文獻(xiàn)[29]在DFPSU轉(zhuǎn)速控制和導(dǎo)葉開(kāi)度控制中加入頻率控制環(huán)節(jié)，使水泵水輪機(jī)能夠響應(yīng)頻率波動(dòng)。上述文獻(xiàn)中DFPSU參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制策略延續(xù)了雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制策略，通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速控制，釋放或吸收轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能，改變機(jī)組出力達(dá)到調(diào)頻目的，其響應(yīng)速度快，但不能長(zhǎng)時(shí)間提供，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速超出允許范圍。而且通常只考慮雙饋機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電工況下的特性，缺少對(duì)電動(dòng)工況下調(diào)頻控制策略的研究。因此，為提高DFPSU參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力，需要結(jié)合水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)頻率調(diào)節(jié)的作用，考慮電動(dòng)工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)一步研究有效的DFPSU參與調(diào)頻的控制策略。

本文針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)頻的特點(diǎn)與不足，結(jié)合調(diào)頻過(guò)程中系統(tǒng)頻率變化的特征，提出一種轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度協(xié)調(diào)控制的控制策略。在慣性響應(yīng)階段利用DFPSU的轉(zhuǎn)子動(dòng)能快速響應(yīng)頻率改變機(jī)組出力，通過(guò)整定可變調(diào)差系數(shù)確保機(jī)組轉(zhuǎn)速處于安全范圍內(nèi)；在頻率恢復(fù)階段，控制導(dǎo)葉開(kāi)度響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，將電網(wǎng)頻率變化量整定為導(dǎo)葉開(kāi)度的控制量，提供持久的有功支撐；根據(jù)頻率變化調(diào)節(jié)兩種控制策略參與調(diào)頻的比例系數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和平滑切換，避免直接切換時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文所提策略在發(fā)電、電動(dòng)工況下的有效性。

1 DFPSU模型及控制

1.1 水泵水輪機(jī)模型

水泵水輪機(jī)的模型主要包括轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開(kāi)度優(yōu)化器、調(diào)速器、輸水管道及水泵水輪機(jī)模型。發(fā)電工況下水泵水輪機(jī)運(yùn)行在水輪機(jī)模式，其數(shù)學(xué)模型為[18]

圖1為傳統(tǒng)綜合慣性控制的DFPSU的控制結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化整定得到有功增量，改變機(jī)側(cè)有功功率參考值，快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(3)。

圖1 傳統(tǒng)控制下的DFPSU控制結(jié)構(gòu)

1.2 導(dǎo)葉開(kāi)度尋優(yōu)控制

為使水泵水輪機(jī)在不同水頭和出力要求下能夠始終運(yùn)行在最高效率附近并實(shí)現(xiàn)快速功率響應(yīng)，機(jī)組根據(jù)水泵水輪機(jī)效率特性曲線進(jìn)行導(dǎo)葉開(kāi)度尋優(yōu)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度控制水泵水輪機(jī)出力，機(jī)組能夠在1 s內(nèi)改變出力[30]。

式中：為水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑；為DFPSU發(fā)電工況下的發(fā)電效率。由水輪機(jī)最優(yōu)出力曲線和最高效率曲線得到、、；根據(jù)效率峰頂曲線計(jì)算對(duì)應(yīng)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；由計(jì)算得到電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速；根據(jù)最優(yōu)轉(zhuǎn)速和機(jī)組轉(zhuǎn)速經(jīng)水輪機(jī)調(diào)速器得到最優(yōu)導(dǎo)葉開(kāi)度，調(diào)節(jié)DFPSU保證最優(yōu)效率運(yùn)行?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖3 電動(dòng)工況下DFPSU控制流程圖

DFPSU廣泛使用等效單管單機(jī)模型，引水系統(tǒng)采用剛性水擊模型，則水泵水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)理想工況下可描述為

式(5)經(jīng)過(guò)拉普拉斯反變換，得到：

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為[31]

由式(6)和式(7)得到DFPSU增量式狀態(tài)方程。

1.3 DFPSU慣量分析

當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)的動(dòng)能變化為

2 協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略

以發(fā)電量減少引起系統(tǒng)頻率降低為例，電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖4所示。在系統(tǒng)的慣性響應(yīng)作用下頻率下降到最低點(diǎn)B點(diǎn)，慣性響應(yīng)是發(fā)電機(jī)對(duì)頻率變化所表現(xiàn)出的暫態(tài)響應(yīng)特性，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)將作用于原動(dòng)機(jī)，增加或減少發(fā)電機(jī)的出力，可有效抑制電網(wǎng)頻率變化。頻率由最低點(diǎn)恢復(fù)到C點(diǎn)，此時(shí)頻率恢復(fù)階段表現(xiàn)出靜態(tài)響應(yīng)特性，機(jī)組將根據(jù)電網(wǎng)的頻率偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)其功率，從而減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差，使系統(tǒng)頻率達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。

圖4 頻率響應(yīng)

圖5 DFPSU參與調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制

通過(guò)釋放或存儲(chǔ)DFPSU的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，快速響應(yīng)頻率波動(dòng)改變機(jī)組出力，支撐電網(wǎng)頻率恢復(fù)。但轉(zhuǎn)子中可用的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為暫態(tài)能量，通過(guò)存儲(chǔ)或吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能只能短暫改變機(jī)組出力，不能長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定出力，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速超出允許范圍。

DFPSU能夠變速運(yùn)行，且具有較大的轉(zhuǎn)速變化范圍，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速釋放或吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變時(shí)釋放的動(dòng)能為

整定DFPSU的可變調(diào)差系數(shù)為

2.2 導(dǎo)葉開(kāi)度控制

水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開(kāi)度控制調(diào)頻，能夠提供穩(wěn)定的調(diào)頻功率，持久穩(wěn)定地改變機(jī)組出力，但由于需要機(jī)械動(dòng)作改變導(dǎo)葉開(kāi)度，因此頻率響應(yīng)速度較慢。系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，通過(guò)在水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開(kāi)度控制中加入頻率控制環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)頻率偏差整定為導(dǎo)葉開(kāi)度的附加指令，調(diào)節(jié)水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)?；谙到y(tǒng)頻率偏差，通過(guò)PI控制得到導(dǎo)葉開(kāi)度控制量，調(diào)節(jié)水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度，通過(guò)改變水泵水輪機(jī)輸出的機(jī)械力矩調(diào)整機(jī)組的輸出功率，提供更加穩(wěn)定的功率支撐。

為使導(dǎo)葉開(kāi)度響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)進(jìn)而改變水泵水輪機(jī)出力，為導(dǎo)葉開(kāi)度增加頻率控制環(huán)[29]。

2.3 比例系數(shù)模型

統(tǒng)籌考慮轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度控制在調(diào)頻過(guò)程中的特點(diǎn)，提出一種確定二者參與調(diào)頻的比例系數(shù)模型。此模型中比例系數(shù)隨頻率變化率的變化而調(diào)整，發(fā)揮二者的調(diào)頻優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)兩種控制策略的平滑切換。

本文通過(guò)采用雙曲正切函數(shù)確定兩種調(diào)頻策略參與調(diào)頻的比例系數(shù)。雙曲正切函數(shù)單調(diào)性、凹凸性及有界性的性質(zhì)，符合比例系數(shù)隨頻率變化率變化的自適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種控制策略的平滑切換。即在慣性響應(yīng)階段，轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制起主要調(diào)頻作用，快速響應(yīng)頻率變化；在頻率恢復(fù)階段，導(dǎo)葉開(kāi)度控制起主要調(diào)頻作用，穩(wěn)定改變機(jī)組出力，減小穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)二者在響應(yīng)與支撐時(shí)間上的互補(bǔ)關(guān)系。系統(tǒng)頻率突然下降時(shí)比例系數(shù)模型為

自適應(yīng)系數(shù)取值不同時(shí)，比例系數(shù)、的變化曲線如圖6所示，圖中分別取20、30、40、50、80?？梢钥吹捷^大時(shí)，比例系數(shù)僅在很小的一段范圍內(nèi)隨有較大變化；值較小時(shí)，略有變化時(shí)比例系數(shù)變化幅度較大，較大或較小都難以發(fā)揮兩種調(diào)頻策略響應(yīng)頻率變化優(yōu)勢(shì)，取中間值40。

3 仿真分析

圖7 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為對(duì)比分析本文所提策略在發(fā)電工況和電動(dòng)工況下的有效性，對(duì)于系統(tǒng)中產(chǎn)生的波動(dòng)，采用本文轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度協(xié)調(diào)控制策略、圖1所示的傳統(tǒng)綜合慣性控制策略和無(wú)附加控制策略3種控制策略，仿真分析在兩種工況下，不同控制方式下的頻率響應(yīng)。

3.1 負(fù)荷突減時(shí)的仿真分析

在本文控制策略下，機(jī)組轉(zhuǎn)速與出力的變化幅度較傳統(tǒng)綜合慣性控制策略更大。這是因?yàn)楸疚牟呗砸环矫嫱ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制快速改變機(jī)組出力，同時(shí)可變的調(diào)差系數(shù)使轉(zhuǎn)速運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，確保頻率不會(huì)出現(xiàn)二次跌落；另一方面加入導(dǎo)葉開(kāi)度控制，能夠提供更加穩(wěn)定、變化幅值更大的出力，支撐系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)穩(wěn)定值，而傳統(tǒng)控制僅通過(guò)釋放轉(zhuǎn)子中存儲(chǔ)的能量改變機(jī)組出力。比例系數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與導(dǎo)葉開(kāi)度控制在響應(yīng)與支撐時(shí)間上互補(bǔ)，并實(shí)現(xiàn)兩者平滑切換，避免了直接切換使DFPSU出現(xiàn)較大的功率躍變，因此從圖中可以看出本文控制策略下機(jī)組的出力和轉(zhuǎn)速曲線較為平滑，有效地避免了控制策略切換產(chǎn)生功率突變對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，顯著提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

圖9 發(fā)電、電動(dòng)工況下負(fù)荷突減的風(fēng)電出力變化

3.2 負(fù)荷突增時(shí)的仿真分析

從圖10中可以看出，無(wú)附加控制的情況下頻率變化速度和最大頻率偏差最大，DFPSU在發(fā)電、電動(dòng)工況下均可以參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)慣性控制能在一定程度上抑制頻率的最大偏差，對(duì)比傳統(tǒng)慣性控制本文控制策略在兩種工況下均減小了頻率最大偏差，在發(fā)電工況下減小了0.049 Hz，在電動(dòng)工況下減小了0.032 Hz。本文控制策略在兩種工況下均縮短了系統(tǒng)頻率恢復(fù)時(shí)間：在發(fā)電工況下縮短了約8 s，約25 s恢復(fù)頻率穩(wěn)定；在電動(dòng)工況下縮短了約10 s，約23 s恢復(fù)頻率穩(wěn)定。在本文控制策略下，機(jī)組轉(zhuǎn)速與出力的變化幅度較傳統(tǒng)綜合慣性控制策略更大，導(dǎo)葉開(kāi)度得到調(diào)節(jié)，機(jī)組的出力和轉(zhuǎn)速曲線較為平滑，有效地避免了控制策略切換產(chǎn)生功率突變對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。圖11為風(fēng)電出力變化，可以看出在本文控制策略下風(fēng)電出力波動(dòng)較小，降低了風(fēng)電分擔(dān)系統(tǒng)突變功率的比例。

圖11 發(fā)電、電動(dòng)工況下負(fù)荷突增的風(fēng)電出力變化

3.3 風(fēng)速波動(dòng)下的仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略對(duì)抑制風(fēng)速變化擾動(dòng)的有效性，風(fēng)電機(jī)組50 s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)速波動(dòng)，風(fēng)速變化情況如圖12所示。仿真分析本文控制策略與傳統(tǒng)控制策略下，DFPSU分別運(yùn)行在發(fā)電、電動(dòng)工況下系統(tǒng)的響應(yīng)特性，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖12 風(fēng)速波動(dòng)曲線

從圖13中可以看出，無(wú)附加控制的情況下頻率變化速度和最大頻率偏差最大，DFPSU在發(fā)電、電動(dòng)工況下均可以參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)慣性控制能在一定程度上抑制頻率的最大偏差，對(duì)比傳統(tǒng)慣性控制，本文控制策略在兩種工況下對(duì)于風(fēng)速上升與下降擾動(dòng)均減小了頻率最大偏差，調(diào)頻效果更好。在本文控制策略下，機(jī)組轉(zhuǎn)速與出力的變化幅度較傳統(tǒng)綜合慣性控制策略更大，機(jī)組的出力和轉(zhuǎn)速曲線較為平滑，僅在風(fēng)速變化方向改變即系統(tǒng)頻率變化方向改變時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，但未出現(xiàn)系統(tǒng)出力突變的情況，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

圖14為發(fā)電、電動(dòng)工況下風(fēng)速波動(dòng)時(shí)風(fēng)電出力變化，無(wú)附加控制下抑制風(fēng)機(jī)輸出有功功率變化，風(fēng)機(jī)損失部分風(fēng)能。由于系統(tǒng)中DFPSU能夠有效抑制風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)頻率影響，在本文控制策略下風(fēng)機(jī)能較大程度隨風(fēng)速變化而改變輸出功率，能夠在充分利用風(fēng)能的同時(shí)保證頻率波動(dòng)最小，提高風(fēng)電消納能力。

圖14 發(fā)電、電動(dòng)工況下風(fēng)速波動(dòng)的風(fēng)電出力變化

4 結(jié)論

綜合DFPSU轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度控制的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種轉(zhuǎn)子動(dòng)能與導(dǎo)葉開(kāi)度控制協(xié)調(diào)的頻率控制策略，得出如下結(jié)論：

1) 系統(tǒng)發(fā)生階躍擾動(dòng)和風(fēng)速連續(xù)擾動(dòng)時(shí)，此策略在發(fā)電工況與電動(dòng)工況下能夠有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)中風(fēng)電消納能力；

2) 通過(guò)判斷當(dāng)前機(jī)組可用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)差系數(shù)，改變機(jī)組調(diào)頻出力深度，保證DFPSU機(jī)組轉(zhuǎn)速保持在安全范圍的前提下，能夠快速響應(yīng)頻率波動(dòng)；

3) DFPSU可通過(guò)導(dǎo)葉開(kāi)度控制響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差整定附加導(dǎo)葉開(kāi)度，為系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的出力，有效減小頻率偏差并縮短系統(tǒng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間；

4) 調(diào)節(jié)兩種控制方法參與調(diào)頻的比例，實(shí)現(xiàn)二者在響應(yīng)與功率支撐時(shí)間互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與導(dǎo)葉開(kāi)度控制之間的平滑切換，避免控制方法切換時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

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Coordinated frequency modulation strategy of doubly fed pumped storage units with wind power

LUO Yuanxiang, LI Xinming, PAN Chao, GUAN Ming

(School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China)

The decoupling control of a doubly fed pumped storage unit makes its rotor unable to respond to a change of system frequency. To improve the ability of the storage unit to participate in system frequency modulation, a control strategy of coordinated control of rotor kinetic energy and guide vane opening is proposed. First, the mathematical models of pump turbine and doubly fed generator are established, and the optimization process of guide vane opening of the storage unit is analyzed. Secondly, the frequency control link is added to the guide vane opening control of the pump turbine, and the variable difference adjustment coefficient is set according to the available rotor kinetic energy of the unit. This ensures that the unit speed always operates within the safe range. Finally, combined with the frequency modulation advantages of the two controls, the proportional coefficients of the two controls participating in frequency modulation are coordinated according to the frequency change, so as to realize smooth switching between the two. In the system with wind turbine, the simulation results show that the proposed control strategy can improve the frequency response capacity of the unit and the wind power consumption capacity of the power grid under the power generation and electric conditions of the pumped storage unit.

doubly fed pumped storage; rotor kinetic energy; guide vane opening; scale factor; frequency regulation

10.19783/j.cnki.pspc.211524

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)資助(2016YFB0900100)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900100).

2021-11-13；

2021-12-19

羅遠(yuǎn)翔(1975—)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向電力系統(tǒng)穩(wěn)定、大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)研究；E-mail: yuanxiangluo@163.com

李鑫明(1998—)，女，通信作者，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭勺兯俪樗钅芗夹g(shù)、雙饋電機(jī)控制理論；E-mail: 1749639673@qq.com

潘 超(1981—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算、電力系統(tǒng)電磁兼容。E-mail: 31563018@qq.com

(編輯 姜新麗)