基于風(fēng)-光-儲(chǔ)的高比例新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

管 兵

（朗建城市設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

某工業(yè)園區(qū)位于清潔能源豐富的地區(qū)，為提高能源利用率，響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰”“碳中和”號(hào)召，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，引入了高比例新能源。該新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)和能源管理升級(jí)。系統(tǒng)包括大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)施，并與現(xiàn)有電網(wǎng)相互連接。風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為3000kW，光伏發(fā)電裝機(jī)容量為2000kW，配有2個(gè)同步發(fā)電機(jī)，容量分別為1000kVA和1600kVA，另外設(shè)有蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置。通過引入高比例新能源，園區(qū)能夠自主滿足一部分電力需求。

1 風(fēng)-光-儲(chǔ)的高比例新能源系統(tǒng)模型

1.1 風(fēng)電機(jī)組模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)稱DFIG，是一種繞線式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子均可與電網(wǎng)進(jìn)行功率交換。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)、變槳距控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器以及功率跟蹤控制系統(tǒng)等[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過變槳距控制技術(shù)和功率跟蹤控制技術(shù)檢測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)能利用系數(shù)，使機(jī)組能夠獲得最大風(fēng)電出力功率。

在該基礎(chǔ)上，可以參照貝茲理論，計(jì)算機(jī)組在作業(yè)過程中風(fēng)能的吸收轉(zhuǎn)化功率，如公式（1）所示。

式中：Pm為機(jī)組在作業(yè)過程中的風(fēng)能吸收轉(zhuǎn)化功率；ρ為空氣密度；S為機(jī)組中發(fā)電機(jī)葉片可以掃過的有效面積；v為機(jī)組中發(fā)電機(jī)葉片運(yùn)行速度；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為電機(jī)上葉片的葉尖速比；β為槳距角度。

在風(fēng)速固定或在某種預(yù)設(shè)的固定條件下，Cp與β、λ間存在如公式（2）所示的關(guān)系。

根據(jù)上述公式可得Cp與β、λ間的關(guān)系曲線圖。對(duì)公式中相關(guān)參數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在固定風(fēng)速條件下，可以通過調(diào)節(jié)β找到λ的最優(yōu)值，便可綜合調(diào)節(jié)電機(jī)在運(yùn)行中的額定功率。即當(dāng)電機(jī)組的額定功率一定時(shí)，可以采用調(diào)節(jié)槳距角的方式，確保發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中的風(fēng)能利用率達(dá)到最大。而在該過程中，一旦發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)際功率超出額定功率，就可認(rèn)為此時(shí)發(fā)電機(jī)處于超負(fù)荷工作狀態(tài)。為保證電機(jī)在該條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，應(yīng)參照電機(jī)的最大功率跟蹤控制情況，采用調(diào)解轉(zhuǎn)子的方式，控制電機(jī)中的轉(zhuǎn)子變流器。并將該控制過程作為電壓定向矢量控制過程，設(shè)定控制中的電機(jī)運(yùn)行電壓矢量方向和輸出功率，在忽略定子電阻的條件下設(shè)定電機(jī)輸出功率，將設(shè)定后的相關(guān)參數(shù)代入模型中，以此完成風(fēng)電機(jī)組模型構(gòu)建。

1.2 儲(chǔ)能設(shè)備模型

由于蓄電池價(jià)格相對(duì)較低且應(yīng)用廣泛，因此蓄電池可組合成容量大的儲(chǔ)能設(shè)備。但是蓄電池頻繁進(jìn)行大電流的充、放電，壽命會(huì)顯著縮短，難以滿足高功率響應(yīng)的需求。超級(jí)電容的特點(diǎn)是容量不大但響應(yīng)速度快，二者結(jié)合構(gòu)成混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，可互相配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)劣勢(shì)。蓄電池和超級(jí)電容均輸出直流電，需要通過變換器轉(zhuǎn)換才能接入電網(wǎng)中[2]。典型的直流側(cè)雙DC/DC并聯(lián)結(jié)構(gòu)為蓄電池和超級(jí)電容側(cè)各有一個(gè)DC/DC變換器，然后經(jīng)DC/AC雙向變換器并入電網(wǎng)，蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)，控制過程中互相獨(dú)立。

2 基于虛擬慣量的穩(wěn)定性控制研究

2.1 虛擬慣量

2.1.1 風(fēng)-光-儲(chǔ)功率分配

在風(fēng)-光-儲(chǔ)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池與超級(jí)電容裝置分別通過一個(gè)DC/DC變流裝置和虛擬同步發(fā)電裝置相連，以此為電壓跌落發(fā)生器（Voltage Sag Generator，VSG）提供慣量的支持條件，從而使其能夠模擬同步發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)慣性相應(yīng)。對(duì)儲(chǔ)能元件而言，慣量越大，存儲(chǔ)的能量就越多；反之，慣量越小，存儲(chǔ)的能量就越少。當(dāng)電網(wǎng)在運(yùn)行的過程中發(fā)生擾動(dòng)而導(dǎo)致頻率、功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能元件可以通過調(diào)節(jié)所存儲(chǔ)的能量而參與電網(wǎng)的整體功率調(diào)節(jié)。因此，在風(fēng)-光-儲(chǔ)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，對(duì)蓄電池、超級(jí)電容裝置的能量、功率進(jìn)行控制具有十分重要的作用和意義。

當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)擾動(dòng)問題，就會(huì)引起過功率的不平衡，而此時(shí)光伏系統(tǒng)與同步發(fā)電裝置會(huì)進(jìn)行一次調(diào)頻，以此為系統(tǒng)平抑部分發(fā)電功率的波動(dòng)。在該過程中，可以實(shí)現(xiàn)平抑部分的功率波動(dòng)，以?PH表示，其計(jì)算如公式（3）所示。

式中：?PL為電網(wǎng)負(fù)荷的功率波動(dòng)；?PG為同步發(fā)電裝置在運(yùn)行過程中為電網(wǎng)提供的慣性功率；?PPV為光伏發(fā)電模塊運(yùn)行時(shí)為電網(wǎng)提供的功率。

在風(fēng)-光-儲(chǔ)混合儲(chǔ)能元件結(jié)構(gòu)中，為了能夠有效避免蓄電池頻繁出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)超級(jí)電容裝置優(yōu)先調(diào)用并處理這一部分產(chǎn)生的功率。如果超級(jí)電容裝置的功率無(wú)法達(dá)到規(guī)定要求，無(wú)法平衡電網(wǎng)功率的，則蓄電池需要繼續(xù)處理電網(wǎng)中不足的功率缺額。根據(jù)上述邏輯合理分配附加虛擬慣性控制前風(fēng)-光-儲(chǔ)混合儲(chǔ)能的功率。

由于數(shù)學(xué)課程在民辦財(cái)經(jīng)類院校中為公共課程，數(shù)學(xué)師資力量薄弱。體現(xiàn)在，一是教材質(zhì)量不高，民辦財(cái)經(jīng)類院校為適應(yīng)本校學(xué)生學(xué)習(xí)水平，往往組織教師自編教材，而作為公共課程的數(shù)學(xué)教師數(shù)量較少，編寫教材力量不足導(dǎo)致教材質(zhì)量不高；二是數(shù)學(xué)教師提升機(jī)會(huì)不多，財(cái)經(jīng)類院校幾乎需要自負(fù)盈虧，大量人力物力投入到了財(cái)經(jīng)類課程，特別是在民辦財(cái)經(jīng)類院校中，數(shù)學(xué)教學(xué)任務(wù)比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于科研任務(wù)，數(shù)學(xué)教師往往沒有任何提升機(jī)會(huì)，甚至數(shù)年參加不了一次學(xué)術(shù)會(huì)議。因?yàn)榻處熍嘤?xùn)看不到回報(bào)，學(xué)校需要建設(shè)發(fā)展，所以經(jīng)費(fèi)保障不足。另外教師數(shù)量少，日常授課工作任務(wù)重，需要時(shí)間備課，外出培訓(xùn)會(huì)對(duì)工作造成一定的影響，所以教師也沒有時(shí)間。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電的虛擬慣量

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力功率由變流器控制，與常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)組不同，當(dāng)電力系統(tǒng)受擾動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不能主動(dòng)為電力系統(tǒng)提供慣量。為了進(jìn)行精準(zhǔn)控制，該文在功率控制系統(tǒng)中引入頻率變化量，進(jìn)而引入虛擬慣量，風(fēng)電機(jī)組就可類比同步發(fā)電機(jī)，通過功率平衡調(diào)節(jié)有功來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)能[3]，如公式（4）所示。

風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量如公式（4）所示。

式中：JD為風(fēng)機(jī)的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωD為風(fēng)機(jī)的實(shí)際角速度；ωs為發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度。

慣性時(shí)間常數(shù)如公式（5）所示。

式中：SD為風(fēng)電機(jī)組的容量；pD發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)如公式（6）所示。

2.1.3 儲(chǔ)能設(shè)備的虛擬慣量

式中：pD為等效的發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；uB為蓄電池的額定電壓；QB為蓄電池額定狀態(tài)的電荷量；γB為蓄電池的荷電狀態(tài)；uC為超級(jí)電容的額定電壓；QC為超級(jí)電容額定狀態(tài)的電荷量；γC為超級(jí)電容的荷電狀態(tài)；ωs為等效的發(fā)電機(jī)角速度。

2.2 虛擬慣量控制策略

系統(tǒng)受擾動(dòng)或者發(fā)生故障后，可以調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組和光-儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬慣量，使虛擬能量根據(jù)功角的方向進(jìn)行能量加速或減速，以此提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性[4]。風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量控制參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電機(jī)組中，控制結(jié)構(gòu)的原始輸入量為系統(tǒng)檢測(cè)功角變化率I1、故障時(shí)間I2和頻率變化量I4。電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，功角、頻率可認(rèn)為不發(fā)生變化，故障時(shí)間為零[5]。系統(tǒng)受擾動(dòng)或發(fā)生故障時(shí)，3個(gè)輸入量都將發(fā)生變化，具體情況見表1。

表1 輸入量參數(shù)含義

具體的控制策略如下：中間量I3=I1⊕I2，如果I3的值為1，則虛擬慣量控制參數(shù)kv1取最大值，跟隨最大功率輸出；如果I3的值為0，則進(jìn)一步考慮頻率變化量的取值，中間量I5=I3⊕I4；如果I5的值為1，則虛擬慣量控制參數(shù)kv1取最小值，附加的虛擬慣量將為系統(tǒng)提供暫態(tài)的減速能量，使系統(tǒng)能夠累積總的減速能量，有利于減少系統(tǒng)功角和頻率振蕩，改善暫態(tài)穩(wěn)定性；如果I5的值為0，則虛擬慣量控制參數(shù)kv1取0。

光-儲(chǔ)系統(tǒng)原始輸入量與電機(jī)組的相同，虛擬慣量控制參數(shù)的設(shè)置原則也類似，只是光-儲(chǔ)系統(tǒng)尚應(yīng)考慮阻尼的影響。

該文為整個(gè)園區(qū)電力系統(tǒng)提供了4種控制方案，見表2，并分別進(jìn)行了比較和分析。

表2 控制方案

2.3 穩(wěn)定性分析

t=2s時(shí)，電力系統(tǒng)的B8聯(lián)絡(luò)線處發(fā)生三相短路故障，并且在0.2s內(nèi)故障被切除。4種控制方案下的功角變化特性如圖2所示，頻率變化特性如圖3所示。

圖2 功角變化特性

圖3 頻率變化特性

發(fā)生三相短路，功角變化率>0，在第一個(gè)振蕩周期內(nèi)，功角首擺是正方向。不施加虛擬慣量控制，功角的最大值為47.7°，最大振蕩幅度為23.3°。風(fēng)電機(jī)組施加虛擬慣量控制時(shí)，最大振蕩幅度為18.3°，光-儲(chǔ)系統(tǒng)施加虛擬慣量控制時(shí)，功角最大振蕩幅度為11.9°，風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，功角最大振蕩幅度為8.4°。

在振蕩時(shí)間方面，風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，經(jīng)過16s后，功角曲線趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間最短，而其他3種情況在20s后仍處于微小幅度的振蕩狀態(tài)中?？梢?，控制方案4使功角特性得到極大改善，穩(wěn)定性顯著提高。

在頻率特性方面，系統(tǒng)受故障影響后的規(guī)律與功角特性類似，風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，頻率振蕩幅度為0.42Hz，不施加虛擬慣量控制的頻率振蕩幅度為0.72Hz。風(fēng)電機(jī)組施加虛擬慣量控制時(shí)，頻率最大振蕩幅度為0.65Hz，光-儲(chǔ)系統(tǒng)施加虛擬慣量控制，頻率最大振蕩幅度為0.53Hz。風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，經(jīng)過12s后，頻率特性曲線即不再振蕩，恢復(fù)穩(wěn)定，而其他3種情況在18s后才逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最短，頻率特性得到極大改善，穩(wěn)定性顯著提高。

3 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合某工業(yè)園區(qū)的電力系統(tǒng)實(shí)際情況，研究高比例新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所得結(jié)論如下。1）在分析風(fēng)-光-儲(chǔ)的高比例新能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，提出虛擬慣量控制策略，并給出了風(fēng)電機(jī)組和光-儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬慣量控制參數(shù)，進(jìn)而詳細(xì)闡述了控制規(guī)則和控制策略。2）通過三相短路故障驗(yàn)證了控制策略的有效性。風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制時(shí)，功角最大振蕩幅度由23.3°減至8.4°，頻率最大振蕩幅度由0.72Hz減至0.42Hz。與其他3種情況相比，在風(fēng)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)施加虛擬慣量控制的情況下，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的振蕩幅度最小，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最短，系統(tǒng)的各項(xiàng)特性得到極大改善，穩(wěn)定性顯著提高。