儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻應(yīng)用分析

付 堯,王志偉,鞏曉偉,齊 全,李明珠

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110006)

0 引言

隨著高比例新能源發(fā)電機(jī)組接入電力系統(tǒng),新能源的隨機(jī)性、間歇性和波動性使電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量、慣量下降,抗干擾能力降低,導(dǎo)致電力系統(tǒng)應(yīng)對失衡事件頻發(fā)[1]。如2019年8月9日英國出現(xiàn)的大停電,Little Barford 燃?xì)怆娬就C(jī)引發(fā)系統(tǒng)頻率下降,繼而霍恩海的海上風(fēng)電出力下降,進(jìn)而引發(fā)低頻減載動作導(dǎo)致大規(guī)模停電事故[2]。然而英國在2019年的風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比僅33%[3],基于中國的實(shí)際情況,實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)風(fēng)電、光伏的占比將遠(yuǎn)超33%,新能源的裝機(jī)占比將高達(dá)80%左右,電力系統(tǒng)對靈活性需求會進(jìn)一步擴(kuò)大。為配合新能源發(fā)電的快速發(fā)展,保障高比例新能源場站接入電力系統(tǒng)安全運(yùn)行,電力系統(tǒng)對新能源場站主動支撐電網(wǎng)能力的要求將會越來越高,儲能系統(tǒng)以其快速響應(yīng)能力和較高的能量轉(zhuǎn)換效率,能夠有效解決新能源消納問題,改善系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻效果[4]。因此具備慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、快速調(diào)壓等調(diào)節(jié)能力的儲能電網(wǎng)支撐型新能源發(fā)電將是大勢所趨。

1 風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻模式

1.1 慣量控制

慣性控制是在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中,通過改變機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流給定,控制轉(zhuǎn)子速度發(fā)生臨時(shí)性變化情況下短時(shí)釋放/吸收風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)質(zhì)體所存儲的部分動能,以快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率的暫態(tài)變化,提供轉(zhuǎn)動慣量[5]。

1.2 超速控制

超速控制是控制風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行,使其運(yùn)行于非最大功率捕獲的次優(yōu)點(diǎn),保留一部分有功功率備用,用于慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻。

1.3 變槳控制

風(fēng)電機(jī)組變槳控制是通過控制風(fēng)電機(jī)組的槳距角,改變槳葉迎風(fēng)角度,使其處于最大功率點(diǎn)下的某一運(yùn)行點(diǎn),從而留出一定的備用容量。在風(fēng)況一定的情況下,槳距角越大,機(jī)組留有的有功備用也就越大。

2 儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻應(yīng)用分析

2.1 判定策略

一次調(diào)頻判定策略通過比例控制頻差響應(yīng),如式(1)所示[6]。

P1=Kpf(fgrid-fref)=KpfΔf

(1)

慣量判定策略通過dΔf/dt比例控制頻差響應(yīng),如式(2)所示。

P2=KdfdΔf/dt

(2)

由此通過頻率監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測頻率變化,改變飛輪儲能系統(tǒng)動能而改變有功輸出,判定策略如圖1所示。其中,fgrid為實(shí)測頻率;fref為額定頻率。

圖1 頻率判定策略

2.2 控制方案

通過系統(tǒng)減載備用方案,得到正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、槳距角及轉(zhuǎn)載后的有功功率輸入到調(diào)頻模塊[7],如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速、槳距角獲取

調(diào)頻模塊由風(fēng)電機(jī)組功率備用模塊、調(diào)頻需求功率判定單元與調(diào)頻功率分配模塊組成,根據(jù)系統(tǒng)頻率狀態(tài),確定儲能系統(tǒng)有功功率輸出。圖3中d%為設(shè)定的風(fēng)機(jī)容量百分比,Δf為頻率差值,Pwind.deload、βwind.deload、ωwind.deload分別為經(jīng)過轉(zhuǎn)載后有功功率、槳距角和對應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖3 儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制方案

當(dāng)檢測到系統(tǒng)頻率變化時(shí),首先通過慣性控制,釋放儲備在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中的超速備用容量,進(jìn)行慣性響應(yīng)。隨之,風(fēng)電機(jī)組通過減載控制進(jìn)行調(diào)頻,包括超速控制及變槳控制。超速控制方法可以減小頻繁變槳造成的機(jī)械磨損,控制速度快,其調(diào)節(jié)效能優(yōu)于變槳控制。然而,當(dāng)風(fēng)速較高時(shí),由于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速限制,無法進(jìn)行超速運(yùn)行,需要采用變槳控制;當(dāng)風(fēng)速過低時(shí)(如接近切入風(fēng)速),由于風(fēng)電機(jī)組通過超速或變槳提供的調(diào)頻能力有限,儲能系統(tǒng)可以補(bǔ)充一定的調(diào)頻容量[8]。

2.3 功率分配策略

當(dāng)檢測到系統(tǒng)頻率低于額定頻率時(shí),需要風(fēng)儲系統(tǒng)提供一定的有功功率參與頻率向上調(diào)節(jié)。此時(shí),優(yōu)先釋放出系統(tǒng)減載備用的能量,當(dāng)風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限后,剩余部分由儲能提供。當(dāng)檢測到系統(tǒng)頻率高于額定頻率時(shí),需要風(fēng)機(jī)吸收一定的有功功率以參與頻率向下調(diào)節(jié)[9],此時(shí)可通過調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及槳距角減少風(fēng)電機(jī)組輸出功率,同時(shí)儲能可充電以吸收一定的有功功率,從而起到調(diào)頻作用,如圖4所示。

圖4 功率分配策略

3 實(shí)測分析

實(shí)測案例采取飛輪儲能風(fēng)電機(jī)組,測試現(xiàn)場為大唐阜新風(fēng)電場A5號風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)為明陽MY1.5Se型1.5 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,飛輪為沈陽微控4臺REGEN 125飛輪儲能單元,容量為0.3 MW/7.46 MJ,控制系統(tǒng)為北京鴻普惠。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.1 測試方案

頻率階躍擾動測試。頻率階躍擾動試驗(yàn)分為頻率階躍上擾動測試和頻率階躍下擾動測試,設(shè)定值如表1所示。

表1 頻率階躍擾動設(shè)定值

頻率連續(xù)變化擾動測試。頻率連續(xù)變化擾動分為先升后降和先降后升,設(shè)定值如表2所示。

表2 頻率連續(xù)擾動設(shè)定值

虛擬慣量響應(yīng)測試。設(shè)定值如表3所示。

表3 虛擬慣量響應(yīng)設(shè)定值

3.2 數(shù)據(jù)分析

測試時(shí)風(fēng)速變化為11.8～12.4 m/s,采用變槳控制模式[10]。頻率階躍擾動曲線如圖6所示。頻率下擾時(shí),βdeload=4.8°,β1=0°,Pwind.deload<ΔPβ1,ΔP=PESS+Pwind.deload,即功率上升至7.9%Pn時(shí),儲能系統(tǒng)釋放功率為1.5%Pn。頻率上擾,βdeload=5.5°,β1=16.3°,Pwind.deload=ΔPβ1,P=Pwind.deload。

圖6 頻率階躍擾動曲線

頻率連續(xù)變化擾動曲線如圖7所示,頻率先升后降,βdeload=9.8°,β1=0°,Pwind.deload=ΔPβ1。頻率上擾,βdeload=3.8°,β1=18.3°,Pwind.deload=ΔPβ1。

圖7 頻率連續(xù)變化擾動曲線

虛擬慣量響應(yīng)曲線如圖8所示。頻率下擾至48 Hz時(shí),βdeload=1.8°,β1=0°,Pwind.deload

圖8 虛擬慣量響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

基于對儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻性能研究,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻,儲能系統(tǒng)可以發(fā)揮以下幾個(gè)關(guān)鍵作用。

a. 平抑頻率波動。風(fēng)電機(jī)組輸出受到風(fēng)速影響,導(dǎo)致輸出功率波動較大,這會對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過將儲能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組結(jié)合,儲能系統(tǒng)可以在風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動較大時(shí)吸收多余功率并在需要時(shí)釋放能量,從而減少電網(wǎng)頻率波動,提高頻率穩(wěn)定性。

b. 調(diào)頻特性。儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和較高的調(diào)節(jié)精度,可以在短時(shí)間內(nèi)提供或吸收大量功率,使得風(fēng)電機(jī)組能夠更好地響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。這種快速調(diào)節(jié)特性使得儲能系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻中能夠起到靈活且高效的作用。

c. 增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。儲能系統(tǒng)的參與使得風(fēng)電機(jī)組可以在不同的運(yùn)行模式下更加靈活地響應(yīng)系統(tǒng)需求。例如,在頻率過低時(shí),儲能系統(tǒng)可以向電網(wǎng)輸出電能,幫助提高頻率;而在頻率過高時(shí),儲能系統(tǒng)可以吸收多余電能,從而平抑頻率波動。

d. 提高電網(wǎng)可靠性。通過儲能系統(tǒng)的參與,風(fēng)電機(jī)組可以更好地應(yīng)對電網(wǎng)故障或突發(fā)情況,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述,儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻確實(shí)能夠有效平抑頻率波動,并具有良好的調(diào)頻特性,這對于促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。不過需要注意的是,不同的儲能系統(tǒng)技術(shù)和控制策略會對調(diào)頻性能產(chǎn)生影響,因此在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮各種因素來優(yōu)化儲能系統(tǒng)的參與調(diào)頻效果。