計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制策略

楊德健 王 鑫 嚴(yán)干貴 金恩淑 金朝陽

計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制策略

楊德健1王 鑫1嚴(yán)干貴1金恩淑1金朝陽2

（1. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)） 吉林 132012 2. 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)） 濟(jì)南 250061）

針對風(fēng)電機(jī)組與儲能系統(tǒng)頻繁參與電力系統(tǒng)調(diào)頻帶來的機(jī)械疲勞及循環(huán)使用壽命的問題，提出一種計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制策略。首先，構(gòu)建含風(fēng)儲調(diào)頻死區(qū)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，明晰調(diào)頻死區(qū)變化對電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)影響；其次，通過人工設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，確定風(fēng)儲系統(tǒng)調(diào)頻動(dòng)作時(shí)機(jī)及限制其調(diào)頻深度，將受擾系統(tǒng)的頻率響應(yīng)階段分為無響應(yīng)區(qū)、風(fēng)機(jī)響應(yīng)區(qū)、風(fēng)儲過渡區(qū)和儲能響應(yīng)區(qū)，同時(shí)風(fēng)機(jī)在考慮有效旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的基礎(chǔ)上參與調(diào)頻，平抑電網(wǎng)頻率波動(dòng)；然后，通過設(shè)置風(fēng)儲過渡區(qū)可有效緩解風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻帶來的機(jī)械疲勞問題，儲能裝置在荷電狀態(tài)約束的條件下參與調(diào)頻，遏制電網(wǎng)頻率突變；最后，利用大擾動(dòng)激勵(lì)法，在連續(xù)變動(dòng)風(fēng)速場景下驗(yàn)證了所提策略的有效性。

調(diào)頻死區(qū) 風(fēng)儲系統(tǒng) 頻率控制 電力系統(tǒng)控制 高比例風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，可再生能源在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量比重不斷攀升[1]，以風(fēng)電為代表的可再生能源機(jī)組通過電力電子器件聯(lián)網(wǎng)，對外呈現(xiàn)近“零”慣量、弱抗擾能力的外特性，其大規(guī)模接入電網(wǎng)勢必會造成系統(tǒng)慣量整體下降及調(diào)頻能力降低的問題[2-4]。為推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，要求風(fēng)電場配置一定容量的儲能裝置[5]，如何利用現(xiàn)有的風(fēng)儲調(diào)頻資源提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性是亟須解決的關(guān)鍵問題。

雙饋電機(jī)組（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）通過電力電子器件并網(wǎng)，其控制器帶寬較大，能迅速響應(yīng)頻率波動(dòng)，且轉(zhuǎn)子蘊(yùn)含的動(dòng)能可作為頻率支撐的能量來源[6]。文獻(xiàn)[7]提出計(jì)及風(fēng)機(jī)有效動(dòng)能的頻率控制方法，在大擾動(dòng)下使風(fēng)機(jī)充分利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與調(diào)頻，提高頻率穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[8]分析了不同控制參數(shù)下的風(fēng)機(jī)調(diào)頻性能；文獻(xiàn)[9]通過頻率響應(yīng)區(qū)間分段，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)頻率響應(yīng)過程中轉(zhuǎn)子動(dòng)能的合理優(yōu)化分布。然而風(fēng)機(jī)中蘊(yùn)含的動(dòng)能是有限的，過度利用將會導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械應(yīng)力增加，甚至風(fēng)機(jī)失速，加劇系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。

儲能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻電源，面對不同擾動(dòng)時(shí)可充分發(fā)揮其動(dòng)作迅速、調(diào)頻方式靈活的優(yōu)勢[10]。文獻(xiàn)[11]利用儲能優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻能力平抑風(fēng)速變動(dòng)引起的頻率波動(dòng)；文獻(xiàn)[12]考慮儲能的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），設(shè)置權(quán)重因子，提出儲能調(diào)頻策略；文獻(xiàn)[13]考慮儲能調(diào)頻死區(qū)，基于logistic函數(shù)約束儲能功率輸出，避免SOC耗盡或飽和現(xiàn)象的發(fā)生。但上述儲能控制策略重點(diǎn)在提升頻率動(dòng)態(tài)支撐能力，忽略了儲能頻繁充放電帶來循環(huán)使用壽命降低的問題[14]。

目前，風(fēng)機(jī)、儲能系統(tǒng)單獨(dú)參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻具有一定局限性，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻開展了深入研究。文獻(xiàn)[15]提出了一種利用ESS補(bǔ)償風(fēng)電場慣性的控制策略，通過對DFIG和ESS的協(xié)調(diào)控制，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起的二次頻率跌落；文獻(xiàn)[16]提出了一種計(jì)及儲能荷電狀態(tài)的反饋控制策略，以優(yōu)化風(fēng)電場、ESS及同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻功率的分配；文獻(xiàn)[17]將ESS用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償風(fēng)電場慣量，使風(fēng)電場迅速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化,增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[18]提出了短時(shí)尖峰功率由風(fēng)電承擔(dān)，穩(wěn)態(tài)功率由儲能承擔(dān)的風(fēng)儲協(xié)同頻率控制策略，但在不同場景下難以準(zhǔn)確劃分尖峰和穩(wěn)態(tài)功率。上述風(fēng)儲調(diào)頻策略只從風(fēng)儲自身控制策略的角度出發(fā)，控制過程較為復(fù)雜，并沒有綜合考慮風(fēng)儲自身特性及控制策略之間的協(xié)調(diào)配合。

針對上述問題，本文提出一種計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略。首先，建立含風(fēng)儲調(diào)頻死區(qū)的頻率響應(yīng)表達(dá)式，分析風(fēng)儲調(diào)頻死區(qū)變化對電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)合風(fēng)機(jī)與ESS的物理約束特性，確定先風(fēng)機(jī)后儲能調(diào)頻的時(shí)序控制思想；其次，提出一種既能減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調(diào)整調(diào)頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)的計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性時(shí)序風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻策略；最后，基于EMTP-RV搭建了含風(fēng)儲電力系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證所提頻率控制策略的有效性。

1 調(diào)頻死區(qū)對電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)影響分析

同步發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)是指工頻附近對轉(zhuǎn)速變化不響應(yīng)區(qū)域，主要包含機(jī)械固有物理死區(qū)和人工設(shè)定死區(qū)[13]。機(jī)械固有死區(qū)產(chǎn)生的原因?yàn)橥綑C(jī)組調(diào)速器物理死區(qū)和隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度；人工設(shè)定死區(qū)是人為設(shè)定的頻率偏差，其目的是減少機(jī)組的調(diào)頻動(dòng)作，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[19]。

典型的兩種死區(qū)設(shè)置方式如圖1所示。b為調(diào)頻死區(qū)邊界；負(fù)荷調(diào)整精度較低的火電機(jī)組采用第一種死區(qū)設(shè)置方式（調(diào)控精度不高）；能精準(zhǔn)控制輸出功率的調(diào)頻裝置采用第二種設(shè)置方式（調(diào)控精度較高）[13]。

圖1 典型死區(qū)設(shè)置方式

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)等值降階頻率響應(yīng)模型如圖2所示，其中，為電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù)；為負(fù)荷等效阻尼系數(shù)；G為火電機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率；RH為原動(dòng)機(jī)再熱時(shí)間常數(shù)；HP為原動(dòng)機(jī)高壓缸做功比例；G為火電機(jī)組調(diào)速器時(shí)間常數(shù)；ΔG()為火電機(jī)組調(diào)頻出力；ΔL為擾動(dòng)功率；Δ為系統(tǒng)頻率偏差；g()為機(jī)組傳遞函數(shù)；為拉式算子。

圖2 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)等值簡化頻率響應(yīng)模型

由圖2可得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為

計(jì)及同步機(jī)組調(diào)頻死區(qū)時(shí)，式（1）可整理為

若DFIG與ESS系統(tǒng)采用下垂控制參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，含風(fēng)儲調(diào)頻的電力系統(tǒng)頻率模型如圖3所示。其中，B為儲能的虛擬下垂控制系數(shù)；W為風(fēng)電機(jī)組的虛擬下垂控制系數(shù)；B()為儲能電池傳遞函數(shù)；W()為DFIG的傳遞函數(shù)；ΔB()為ESS調(diào)頻出力[12]；ΔW()為DFIG調(diào)頻出力[20]；W為風(fēng)電機(jī)組動(dòng)作時(shí)間常數(shù)；eq為風(fēng)機(jī)等值加速時(shí)間常數(shù)；為風(fēng)機(jī)功率跟蹤系數(shù)；B為儲能系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間常數(shù)。

結(jié)合圖3，若火電、風(fēng)電與儲能的調(diào)頻死區(qū)相同時(shí)，計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的風(fēng)儲系統(tǒng)頻率響應(yīng)表達(dá)式為

其中，ΔG()、ΔW()、ΔB()為

結(jié)合式（3）與式（4）可知，電網(wǎng)頻率偏差與風(fēng)儲調(diào)頻系數(shù)、調(diào)頻死區(qū)等參數(shù)密切相關(guān)。通過設(shè)定適當(dāng)?shù)腤與B可以有效地減少頻率偏差，提升系統(tǒng)調(diào)頻能力。風(fēng)儲調(diào)頻系統(tǒng)采用不同人工設(shè)置死區(qū)時(shí)，其調(diào)頻動(dòng)作的時(shí)機(jī)與調(diào)頻深度存在差異，縮小風(fēng)儲調(diào)頻死區(qū)可有效地減小電網(wǎng)頻率波動(dòng)。

DFIG利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與調(diào)頻，受其穩(wěn)定運(yùn)行約束影響，可利用動(dòng)能有限，過于深入釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能（過度調(diào)頻）導(dǎo)致風(fēng)能利用率降低，傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械應(yīng)力突增，轉(zhuǎn)速降低甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)速失穩(wěn)[18]；ESS憑借精確跟蹤、快速響應(yīng)和雙向調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)頻方面擁有較好的響應(yīng)速度和精度，但其頻繁地充放電將加速電氣老化，減少電池壽命，甚至?xí)斐赡妇€電壓劇烈波動(dòng)、電容值快速下降、電容鼓包或者爆漿、電氣絕緣破壞等危險(xiǎn)[21]。因此，綜合考慮風(fēng)儲系統(tǒng)的物理特性，通過合理設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，確定其參與調(diào)頻的動(dòng)作時(shí)機(jī)及限制其調(diào)頻深度，提出既能有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，又能避免風(fēng)機(jī)過度調(diào)頻、延長儲能裝置使用壽命的分頻控制策略。

2 計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的風(fēng)儲柔性調(diào)頻的策略

基于上述分析思路，參考同步發(fā)電機(jī)組死區(qū)設(shè)置思想（同步發(fā)電機(jī)組采用小的調(diào)頻死區(qū)參與一次調(diào)頻，使用大的調(diào)頻死區(qū)響應(yīng)大擾動(dòng)的電網(wǎng)頻率變化[22]），構(gòu)建了一種計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性時(shí)序風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制策略，其調(diào)頻特性曲線如圖4所示。圖4中，ΔW為風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻時(shí)刻的頻率偏差；ΔW為風(fēng)機(jī)調(diào)頻死區(qū)邊界；ΔB為ESS調(diào)頻邊界；ΔWC_min、ΔWD_max分別為風(fēng)機(jī)在低頻和高頻階段的增發(fā)功率限幅值；ΔBC_min與ΔBD_max分別為儲能在低頻和高頻階段增發(fā)功率的限幅值。

為避免ESS頻繁參與調(diào)頻，在電網(wǎng)頻率偏差小時(shí)僅由風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻，利用有限的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能抑制頻率波動(dòng)；隨著頻率偏差逐漸增大，風(fēng)機(jī)逐步退出調(diào)頻，儲能承擔(dān)后期調(diào)頻任務(wù)。擾動(dòng)期間，風(fēng)儲系統(tǒng)采用下垂控制的調(diào)頻增發(fā)功率Δ為

圖4 計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻特性曲線

式中，Δ為頻率偏差；ΔW()與ΔB()分別為風(fēng)機(jī)和ESS的調(diào)頻增發(fā)功率；ΔWC()、ΔWD()、ΔBC()與ΔBD()分別為風(fēng)機(jī)與ESS分別在高頻和低頻階段的增發(fā)功率；WC、WD、BC與BD分別為風(fēng)機(jī)與儲能在高頻和低頻階段的調(diào)頻系數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)頻率變化過程進(jìn)行劃分，受擾后電網(wǎng)頻率響應(yīng)可分為四個(gè)階段：無響應(yīng)區(qū)（0～1, Δ=0），風(fēng)機(jī)響應(yīng)區(qū)（1～2, ΔΔW()），風(fēng)儲過渡區(qū)（2～3, ΔΔW()+ΔE()）和儲能響應(yīng)區(qū)（4～, ΔΔE()），如圖5（低頻階段）所示，ΔW為風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻時(shí)系統(tǒng)頻率。下面分別對不同區(qū)域調(diào)頻策略進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖5 風(fēng)儲調(diào)節(jié)過程

2.1 風(fēng)機(jī)響應(yīng)區(qū)

DFIG的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能如式（6）所示，其可釋放與存儲的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響存在差異。

式中，DFIG為風(fēng)機(jī)中儲存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能；DFIG為DFIG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為DFIG轉(zhuǎn)速。

考慮到風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速約束，風(fēng)機(jī)中可釋放與存儲的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能Δrel、Δsto分別表示為

式中，min、max分別為DFIG的最小、最大轉(zhuǎn)速。

式（7）和式（8）意味著當(dāng)前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速體現(xiàn)風(fēng)機(jī)可調(diào)頻的有功能力，是風(fēng)機(jī)在確保自身穩(wěn)定的前提下，可利用參與調(diào)頻的轉(zhuǎn)子動(dòng)能?？紤]風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速約束，本文提出了計(jì)及DFIG有效旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的調(diào)頻策略，即將DFIG調(diào)頻系數(shù)與其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能建立耦合關(guān)系，其表達(dá)式為

式中，為電網(wǎng)頻率性能調(diào)節(jié)因子。

式（9）、式（10）中，DFIG根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速當(dāng)前狀態(tài)，靈活調(diào)節(jié)控制系數(shù)，約束調(diào)頻輸出功率。當(dāng)風(fēng)機(jī)中無調(diào)頻有功后，即低頻階段轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到最小限幅值及高頻階段轉(zhuǎn)速達(dá)到最大極限值，考慮到風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，控制增益變?yōu)榱?，風(fēng)機(jī)自動(dòng)退出調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)頻功率柔性輸出的目的。

2.2 風(fēng)儲過渡區(qū)域

考慮到風(fēng)機(jī)與儲能調(diào)頻切換階段，風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻，造成調(diào)頻有功突變，在風(fēng)機(jī)層面造成風(fēng)機(jī)機(jī)械疲勞問題；在系統(tǒng)層面，屬于“舊力”（風(fēng)機(jī)）已去，而“新力”（儲能）未生階段，會加大系統(tǒng)的功率缺額，致使機(jī)械疲勞及頻率跌落。為此，本文提出風(fēng)機(jī)平滑退出調(diào)頻的控制策略，其表達(dá)式為

式中，ΔW0為調(diào)頻邊界（儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻死區(qū)）時(shí)風(fēng)機(jī)輸出的調(diào)頻出力；Δ為令風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻時(shí)長；0為系統(tǒng)頻率到達(dá)調(diào)頻邊界時(shí)刻。

式（11）中，當(dāng)頻率到達(dá)調(diào)頻邊界時(shí)ΔW0在設(shè)定時(shí)間內(nèi)平滑衰減至零，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)平滑切換回最大功率跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking, MPPT），避免有功突變引起的風(fēng)機(jī)機(jī)械疲勞問題，弱化/抑制風(fēng)儲調(diào)頻系統(tǒng)切換期間引起的頻率變動(dòng)。

2.3 儲能響應(yīng)區(qū)

ESS循環(huán)使用壽命與充放電深度、循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行溫度等因素密切相關(guān)[21]。ESS調(diào)頻階段，當(dāng)儲能SOC過小時(shí)，若仍強(qiáng)制儲能裝置輸出調(diào)頻功率，會對其壽命造成不可逆的危害。構(gòu)建儲能調(diào)頻策略時(shí)，計(jì)及儲能裝置SOC約束可有效避免過充電和過放電現(xiàn)象，儲能調(diào)頻功率為

式中，BD=BC，均為比例系數(shù)B，用于調(diào)節(jié)儲能的調(diào)頻性能；SOC0為儲能裝置SOC初值；SOCmin、SOCmax分別為儲能裝置SOC的最小、最大值。

式（12）、式（13）中的第二項(xiàng)意味著ESS的有效充、放電深度，ESS根據(jù)當(dāng)前自身SOC狀態(tài)靈活調(diào)節(jié)調(diào)頻功率：在頻率跌落時(shí)，ESS增加調(diào)頻功率，隨著放電深度的增加，SOC逐漸下降；反之，ESS吸收功率使SOC增加。若SOC接近極限值時(shí)，調(diào)頻功率逐步減少為零，維持SOC在合理的范圍內(nèi)，避免ESS因充放電過深造成的損傷。B越大，ESS增發(fā)功率越大，調(diào)頻效果越好，需要注意的是，B設(shè)定時(shí)需要考慮使ESS在良好的狀態(tài)下提供頻率支撐并消除因風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻造成的有功缺額。

本文利用一次函數(shù)構(gòu)建風(fēng)儲儲能系統(tǒng)的調(diào)頻參數(shù)，一是因其構(gòu)建簡單，容易在硬件上實(shí)現(xiàn)；二是面對不同的工程需求，通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)輸出不同變化程度的調(diào)頻增量，對后期儲能系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有一定意義。

本文提出計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性時(shí)序風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻策略，通過對風(fēng)機(jī)與儲能調(diào)頻死區(qū)的分段設(shè)置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲系統(tǒng)時(shí)序調(diào)頻的目的：在頻率偏差小時(shí)僅由風(fēng)機(jī)調(diào)頻，平抑頻率波動(dòng)，避免儲能頻繁充放電現(xiàn)象，延長其使用壽命；隨著頻率偏差逐漸增大，風(fēng)機(jī)逐步退出調(diào)頻，儲能承擔(dān)后期調(diào)頻任務(wù)，避免風(fēng)機(jī)過度參與調(diào)頻造成的機(jī)械疲勞及風(fēng)機(jī)失速問題。此外，風(fēng)機(jī)與儲能系統(tǒng)根據(jù)自身狀態(tài)與頻率波動(dòng)靈活調(diào)整調(diào)頻深度，實(shí)現(xiàn)柔性風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻的目的，其控制框圖如圖6所示。圖中，sys為系統(tǒng)當(dāng)前頻率，nom為標(biāo)準(zhǔn)頻率。

圖6 計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制框圖

不同電力系統(tǒng)在不同運(yùn)行場景下電力系統(tǒng)的慣量響應(yīng)能力及調(diào)頻能力存在差異，在面對頻率擾動(dòng)時(shí)，將造成不同的系統(tǒng)頻率偏差。本文提出的方法在面對多種電力系統(tǒng)場景、擾動(dòng)引起的不同頻率偏差時(shí)，均可根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差切換頻率響應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲系統(tǒng)分段時(shí)序調(diào)頻的目的，緩解儲能頻繁充放電，延長其使用壽命；避免風(fēng)力利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，調(diào)頻深度過大而造成的風(fēng)機(jī)失速問題。

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，本文基于EMTP-RV仿真平臺搭建了一個(gè)含不同風(fēng)電滲透率的IEEE 14節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)包含一臺DFIG聚合風(fēng)電場配置儲能功率/容量40MW/6MW·h、5臺同步發(fā)電機(jī)組及容量為600MW的靜負(fù)荷，如圖7所示。

為緩解風(fēng)儲系統(tǒng)頻繁調(diào)頻造成壽命降低及機(jī)械疲勞問題，參考同步機(jī)調(diào)頻死區(qū)設(shè)置，DFIG和ESS調(diào)頻死區(qū)分別設(shè)置為| Δ|＜0.01Hz和|Δ|＜0.2Hz。設(shè)定為46.6，Δ設(shè)為5s，B設(shè)為300。

考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速波動(dòng)是造成頻率波動(dòng)的主要擾動(dòng)因素，在整個(gè)仿真中將變動(dòng)風(fēng)速貫穿其中，風(fēng)速曲線如圖8所示，在仿真過程130s切除同步機(jī)SG2作為大功率擾動(dòng)激勵(lì)。分別在僅風(fēng)機(jī)、僅儲能與風(fēng)儲柔性調(diào)頻策略下驗(yàn)證本文提出策略的有效性，具體算例設(shè)置和調(diào)頻策略分別見表1和表2。本文主要針對風(fēng)儲的一次調(diào)頻策略，暫未考慮風(fēng)儲二次調(diào)頻的影響，因此同步發(fā)電機(jī)組脫機(jī)擾動(dòng)后，系統(tǒng)頻率未恢復(fù)至工頻。

圖7 仿真系統(tǒng)模型

圖8 隨機(jī)風(fēng)速

表1 算例設(shè)置

Tab.1 Case settings

表2 調(diào)頻策略設(shè)置

Tab.2 Frequency regulation strategy settings

3.1 不同擾動(dòng)的仿真分析

不同擾動(dòng)造成的電網(wǎng)頻率偏差致使各策略調(diào)頻性能存在差異，本節(jié)在同步機(jī)組有功出力損失不同的情況下驗(yàn)證提出策略的有效性。

3.1.1 算例1：風(fēng)電滲透率24%，有功損失50MW

算例1仿真結(jié)果如圖9所示，在60～130s期間，受到風(fēng)速變化影響，無調(diào)頻控制策略的最大正向和負(fù)向頻率偏差分別為0.21Hz和0.19Hz；130s受同步機(jī)脫機(jī)影響，電網(wǎng)頻率最低點(diǎn)跌落到59.40Hz。

圖9 算例1仿真結(jié)果

在僅風(fēng)速變動(dòng)期間，策略2能有效抑制頻率波動(dòng)，其中正向、負(fù)向最大頻率偏差分別降低了0.06Hz、0.04Hz，主要因?yàn)轱L(fēng)機(jī)通過轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能參與調(diào)頻；在同步機(jī)脫機(jī)后，頻率最低點(diǎn)提升到59.54Hz，其原因是風(fēng)機(jī)增加了調(diào)用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的深度，調(diào)頻增發(fā)功率最大達(dá)到24.62MW，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)扭距角突增至0.41°，機(jī)械應(yīng)力增加，同時(shí)轉(zhuǎn)速最低到達(dá)0.79(pu)，存在風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn)。

在僅風(fēng)速變動(dòng)階段與同步機(jī)組脫機(jī)場景下，策略3通過儲能的充放電實(shí)現(xiàn)與策略2幾乎一樣的調(diào)頻性能。但在風(fēng)速變動(dòng)引起的頻率小波動(dòng)時(shí)，ESS淺充淺放6次參與調(diào)頻，頻繁充放電現(xiàn)象的長時(shí)間累積勢必會降低儲能裝置的使用壽命。

風(fēng)儲系統(tǒng)采用策略4時(shí)，面對僅風(fēng)速變動(dòng)時(shí)，在風(fēng)機(jī)調(diào)頻下，頻率未超過儲能調(diào)頻死區(qū)，能夠避免儲能頻繁參與調(diào)頻，有利于其循環(huán)使用壽命；同步機(jī)脫機(jī)后，頻率跌落出儲能調(diào)頻死區(qū)，通過設(shè)立風(fēng)儲過渡區(qū)，風(fēng)機(jī)平滑退出調(diào)頻，恢復(fù)到MPPT運(yùn)行模式。此外，電網(wǎng)頻率最低點(diǎn)比策略3高0.02Hz，這是因?yàn)轱L(fēng)儲短暫同時(shí)參與調(diào)頻，最大調(diào)頻功率比策略3多6.41MW；隨后ESS單獨(dú)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)，保持策略3調(diào)頻的優(yōu)良特性，同時(shí)避免風(fēng)機(jī)因轉(zhuǎn)速過低造成失速的風(fēng)險(xiǎn)。策略4儲能SOC比策略3的SOC低0.12%，但對ESS的影響不大。

風(fēng)儲系統(tǒng)采用策略5時(shí)，在僅風(fēng)速變動(dòng)時(shí)，風(fēng)儲系統(tǒng)同時(shí)參與調(diào)頻，正向、負(fù)向最大頻率偏差分別降低到0.12Hz、0.10Hz，雖然可以有效地平抑頻率波動(dòng)，然而，與策略3類似，ESS淺充淺放6次，其頻繁充放電現(xiàn)象的長時(shí)間累積勢必會降低儲能裝置的使用壽命。在面對脫機(jī)擾動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)調(diào)頻深度增加，雖然頻率最低點(diǎn)提高0.08Hz，但是傳動(dòng)系統(tǒng)扭距角突增至0.42°，增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸機(jī)械疲勞，且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速波動(dòng)降低至0.79(pu)，增加了風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 算例2：風(fēng)電滲透率24%，有功損失80MW

風(fēng)速變動(dòng)區(qū)間，風(fēng)儲調(diào)頻系統(tǒng)采用策略2、策略3、策略4與策略5具有類似的調(diào)頻效果，然而策略3與策略5中儲能系統(tǒng)的頻繁充放電現(xiàn)象不利于自身使用壽命。

同步機(jī)組脫機(jī)區(qū)間，策略2、策略3、策略4與策略5頻率最低點(diǎn)分別為：59.30Hz、59.35Hz、59.36Hz、59.46Hz，相比算例1，策略2、策略3、策略4、策略5最大增發(fā)調(diào)頻出力分別增加9.4MW、9.97MW、12.36MW、16.17MW，使調(diào)頻效果得到不同程度的提高，算例2仿真結(jié)果如圖10所示。策略2隨受擾動(dòng)增大，釋放更多轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與調(diào)頻，使轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)到達(dá)0.77(pu)，加大風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn)；策略5中風(fēng)機(jī)扭距角突增至0.44°, 轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)降低至0.78(pu)，仍存在算例1中風(fēng)機(jī)機(jī)械疲勞增加，轉(zhuǎn)速大幅降低的問題；策略4保持了在算例1下優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻能力，即在實(shí)現(xiàn)與其他策略相似的調(diào)頻效果的基礎(chǔ)上，同時(shí)減少風(fēng)機(jī)調(diào)頻深度及儲能系統(tǒng)頻繁充放電現(xiàn)象。

圖10 算例2仿真結(jié)果

3.2 不同風(fēng)電滲透率的仿真分析

風(fēng)電滲透率是影響風(fēng)機(jī)調(diào)頻性能的重要因素，本文通過增加一個(gè)風(fēng)電場替代同步發(fā)電機(jī)SG5實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)電滲透模型。結(jié)合算例2和算例3研究不同風(fēng)電滲透率下各控制策略的調(diào)頻性能。

3.2.1 算例3：風(fēng)電滲透率40%，有功損失80MW

隨風(fēng)電滲透率增加，系統(tǒng)慣量降低，盡管各策略保持了低滲透率下的調(diào)頻能力，但策略2風(fēng)機(jī)失速風(fēng)險(xiǎn)、策略3儲能壽命降低及策略5的問題并沒有改善，而策略4中風(fēng)儲系統(tǒng)仍能通過時(shí)序控制靈活調(diào)整調(diào)頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，減小最大頻率偏差，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放深度及儲能裝置充放電循環(huán)次數(shù)，算例3仿真結(jié)果如圖11所示。

4 結(jié)論

綜合考慮風(fēng)儲系統(tǒng)的物理特性，通過人工設(shè)置風(fēng)儲調(diào)頻死區(qū)，規(guī)定風(fēng)儲參與調(diào)頻的動(dòng)作時(shí)機(jī)與限制調(diào)頻深度，提出既能減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調(diào)整調(diào)頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略。本文的特色與創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）基于計(jì)及調(diào)頻死區(qū)的風(fēng)儲電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型得出合理設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，能有效減小系統(tǒng)頻率波動(dòng)；根據(jù)風(fēng)機(jī)與儲能自身動(dòng)態(tài)特性，確定先風(fēng)機(jī)后儲能的調(diào)頻時(shí)序控制思想。

2）考慮風(fēng)儲自身特性，提出風(fēng)儲柔性時(shí)序頻率控制策略，將受擾系統(tǒng)的頻率響應(yīng)階段分為：無響應(yīng)區(qū)、風(fēng)機(jī)響應(yīng)區(qū)、風(fēng)儲過渡區(qū)、儲能響應(yīng)區(qū)。仿真結(jié)果表明，本文所提策略在不同風(fēng)機(jī)滲透率及不同擾動(dòng)下，均可發(fā)揮風(fēng)儲時(shí)序控制的優(yōu)勢：緩解儲能頻繁充放電，延長其使用壽命；避免風(fēng)力利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，調(diào)頻深度過大，造成的風(fēng)機(jī)失速問題。

本文初探基于不同人工設(shè)定調(diào)頻死區(qū)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合頻率控制策略，通過分頻時(shí)序控制，規(guī)定風(fēng)機(jī)與儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻的動(dòng)作時(shí)機(jī)與約束調(diào)頻深度，提出既能減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調(diào)整調(diào)頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)的柔性風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略；風(fēng)儲同時(shí)參與調(diào)頻可以有效提升系統(tǒng)調(diào)頻能力。未來的工作將主要考慮儲能系統(tǒng)的使用壽命、風(fēng)機(jī)機(jī)械疲勞及調(diào)頻性能，提出更加經(jīng)濟(jì)的風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻策略。

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Flexible Frequency Regulation Scheme of DFIG embed Battery Energy Storage System Considering Deadbands

Yang Dejian1Wang Xin1Yan Gangui1Jin Enshu1Jin Zhaoyang2

（1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China 2. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education Shandong University Jinan 250061 China）

Doubly-fed induction generator (DFIG) can take part in system frequency regulation (SFR) by releasing its kinetic energy of rotor, but the available kinetic energy is limited. DFIG excessive involvement in SFR would lead to the reduction of wind energy utilization, the sudden increase of mechanical stress, and even the instability of DFIG; as a high quality source of frequency regulation, energy storage system (ESS) has the advantages of fast throughput power and flexible control capability, but the frequently charging and discharging of ESS accelerates its electrical aging and reduces its service life.

Aiming at issues of the mechanical stress and service life of DFIG and ESS, this paper addresses a flexible frequency regulation scheme of DFIG-embed ESSs based on the artificial deadbands. Firstly, this paper established a frequency response model taking into account the frequency deadbands regulation of the DFIG-embed ESS, and further analyzed the influences of the artificial deadbands on the system frequency dynamics; secondly, the artificial deadbands was used to ensure the activation and limit the depth of the frequency regulation of the DFIG-embed ESS, the frequency response process of the disturbed system was divided into: no response band, response band of DFIG, transaction band of DFIG and ESS, and response band of ESS. DFIG participates in SFR to mitigate the grid frequency fluctuations considering the rotational kinetic energy available from the DFIG, the issues of mechanical stress caused by sudden power change of the DFIG is alleviated during transaction band of DFIG and ESS; ESS provides SFR function to arrest the grid frequency variation taking into account the condition of state-of-charge constraints. Finally, power system model with various wind power penetrations and disturbances was modeled based on an EMTP-RV to investigate the effectiveness of the proposed a flexible SFE scheme of DFIG-embed battery energy storage system.

Simulation results on the different SFR schemes illustrate that, in the case of only fluctuating wind speed, the maximum positive frequency deviation and maximum negative frequency deviation are respectively 0.21Hz and 0.19Hz; when the system only uses ESS to take part in SFR, the maximum positive frequency deviation and maximum negative frequency deviation are reduced to 0.15Hz, 0.15Hz, respectively; but ESS performs six shallow charges and discharges (which has potential to adversely influence on the service life of ESS for a long period); when the system uses the frequency regulation strategy proposed in this paper, the system achieves the similar frequency regulation performance as ESS frequency regulation. In the case that the synchronous machine is offline, when the system only uses DFIG to take part in SFR, the frequency nadir is raised to 59.54Hz, but DFIG excessive involvement in SFR to cause drivetrain torque angle uprush to 0.41 deg. and the lowest rotor speed drops to 0.79(pu); when the system uses the frequency regulation strategy proposed in this paper, DFIG and ESS take part in SFR by using the reasonable setting of the deadbands, the frequency nadir is raised to 59.42Hz. In the case of a large disturbance with a high wind penetration level, the proposed frequency regulation strategy could achieve the similar SFR performances with other strategies, e.g. reduces the DFIG frequency regulation depth and relieves the ESS frequently charging and discharging phenomenon.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: the sequent frequency regulation control strategy of DFIG and ESS is realized by using the reasonable setting of the deadbands, which can effectively avoid the excessive frequency regulation of DFIG, and alleviate the phenomenon of reducing the service life of ESS caused by frequent charging and discharging.

Frequency regulation deadbands, DFIG-embed energy storage system, frequency control, power system control, high wind power integrated power system

TM614

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220978

東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（BSJXM-2021209）。

2022-05-31

2022-10-03

楊德健 男，1990年生，博士，講師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail：dejian@ntu.edu.cn

王 鑫 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail：wangxin_0106@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）