傳統火電-風電-廣域儲能聯合調頻的協調控制研究

劉奇琦 許曉峰

摘 要：大規模新能源接入對電力系統頻率質量與穩定提出了挑戰，為保證新能源高滲透下電網的安全穩定運行，電力系統運營商對風電場與儲能系統提供頻率調節服務提出技術要求。本課題從對電力系統頻率質量和穩定性影響調頻，針對風電高滲透下電網的頻率調節需求，火電機組、風電及儲能系統的頻率調節特性，提出了傳統火電-風電-廣域儲能調頻中的協調控制方法。

關鍵詞：廣域儲能系統;調頻;風電場;調頻特性

0 引言

為應對環境污染和能源危機，世界各國采取了調整能源結構，提高能源利用率、發展可再生能源等措施。風力發電作為可再生能源中技術最成熟、可靠性最高、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一，越來越受到世界各國的重視并得到廣泛的開發和利用。風力發電在我國也得到快速發展，據全球風能理事會2017年度市場報告，2017年中國風電上網電量3057億kW·h，占全部發電量的4.8%。根據國家能源局組織制定的《可再生能源發展“十三五”規劃》中的風電發展規劃，風電2020年并網裝機容量將達到2億kW。

針對大規模風電接入的電力系統調頻問題，傳統調頻機組由于比例的逐步下降以及調頻性能的局限和不足，難以應對未來電力系統調頻需要。儲能作為參與電力系統運行與控制的新元素，因其準確、快速的功率響應能力，被認為是輔助提高電網風電接納規模的有效手段。一方面可以通過風儲聯合運行，輔助風電場提供一次調頻、二次調頻等輔助服務，另一方面也可以在關鍵節點配置獨立的儲能電站也能夠為系統提供全方面的頻率支撐。

對廣域儲能系統級別的優化運行與控制研究，目前還比較少，并面臨一系列難點。如應用風電、儲能與傳統電源共同聯合參與電網一、二次調頻時，多類電源聯合系統將出現新的亟待解決的問題，即調頻指令在三類調頻電源間如何進行合理分配才能發揮各類調頻電源的優勢，多類電池源聯合系統如何優化控制才能達到資源的有效利用，實現經濟效益最大化等。

1 風電調頻的分析以及儲能在電網調頻的應用

新能源發電由不可控的自然風力、太陽能或潮汐等驅動，機組的輸出功率隨氣候因素頻繁波動，大規模接入電網后，將成為引發電力系統頻率波動的新因素。大規模風電并網已對傳統電網提出了嚴峻的挑戰，為維持電網的安全穩定運行，需要電網能提供更多的調頻支持。

由于傳統調頻機組出力不夠精確，傳統調頻電廠不靈敏區的存在，頻率波動加劇的可能性增大，大規模風電的接入會導致頻率波動更加頻繁，而且也導致了傳統調頻電廠的頻繁動作，嚴重影響機組壽命。因此，儲能系統參與電網的一、二次調頻，將減少傳統調頻電廠的頻繁動作，其精確出力、無差調節，也可很大程度的減輕頻率的波動輻度，提高電網的電能質量。

儲能系統對頻率的一次調節是利用其電池能量的雙向流動性，來阻止系統頻率偏離標準的調節方式。

2 傳統火電-風電-廣域儲能聯合一次調頻的協調控制研究

BODE圖是進行系統頻率響應分析有效方法，BODE圖可描繪在不同頻率下系統增益的大小和相位及其隨頻率變化的趨勢。下面將針對不同工況下系統的頻域特性，基于 MATLAB 仿真平臺繪制系統中各調頻源對于風電功率波動響應BODE圖，研究不同頻段的電磁功率變化對電網頻率影響的相關性。

2.1 各調頻源不參與一次調頻

在火電機組、風電機組和儲能裝置均不參與一次調頻的情況下，系統BODE圖如圖2。

2.2 僅風電機組參與一次調頻

接下來討論僅風電機組參與一次調頻，通過MATALAB建模輸入數據，可以得到結論如圖3所示。

由圖3可看出，當功率波動特性為高頻波動時，即波動頻率在1Hz及以上時，傳遞函數的幅值相對與高頻段和中頻段來說相對較小。這表明風電機組對系統中的高頻波動可以起到一定的抑制作用。對比圖3可以看出，風電機組對高頻波動的抑制作用不如系統本身對高頻波動的抑制作用強，應充分利用系統本身的慣性來抑制高頻的功率擾動。

2.3 僅火電機組參與一次調頻

同理討論僅火電機組參與一次調頻，通過MATALAB建模輸入數據，可以得到結論如圖4所示。

當功率波動為低頻波動時，即波動頻率在0-0.01Hz時，傳遞函數幅值很小;當功率波動為高頻波動時，即波動頻率在 1Hz 及以上時，傳遞函數的幅值接近于0;當功率波動為中頻波動時，即波動頻率在0.01-1Hz之間時，傳遞函數的幅值較大。這表明火電機組對系統中的高頻波動和低頻波動都可以起到較好的抑制作用，對中頻段的功率波動并不能起到很好的抑制作用。

2.4 風電機組、火電機組、儲能裝置都參與一次調頻

當風電，火電以及儲能裝置同時參與調頻時，通過MATLAB計算可以得出BODE圖如圖5。

從圖5中的結果可以看出，此時系統對高頻、低頻、中頻三個頻段的功率波動引起的頻率偏差均起到良好的抑制作用。

3 結語

本報告基于傳統電源、風電機組和儲能的功率-頻率特性，以及電網的慣性響應、一次調頻，探索了廣域儲能系統在調頻應用中的參與時機與深度、及其與傳統電源、風電機組間的協調聯合運行控制，主要研究內容總結如下：

分析了風電機組和火電機組運行特性及其參與調頻存在的問題;分析了儲能電池的運行約束及其對調頻效果的影響;分析了風電機組通過增加頻率控制環節對電磁轉矩和槳距角控制，可具備慣性響應和一次頻率調節能力的可行性;基于某風電場的實測數據，分析了風電波動特性建立了風電機組、火電機組和儲能系統的一次調頻特性仿真模型;研究了基于調頻源一次調頻性能與調節效果的擾動量分配方法，儲能系統的最佳動作頻率點，提出了火電-風電-儲能聯合參與一次調頻自適應協調運行算法。

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