抑制電網(wǎng)大功率波動(dòng)的分布式儲(chǔ)能裝置功率支持策略研究

楊才明， 高慧敏， 祈煒雯， 羅 剛， 羅 緒， 謝 棟， 許永遠(yuǎn)

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司， 浙江 紹興 312000；2. 杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 杭州 310018）

0 引言

2015 年9 月19 日， 華東電網(wǎng)某饋入特高壓直流雙極閉鎖， 受端電網(wǎng)損失功率4 900 MW， 電網(wǎng)頻率最低跌至49.56 Hz[1]。 如果電網(wǎng)發(fā)生多回直流同時(shí)閉鎖等嚴(yán)重故障， 電網(wǎng)頻率將產(chǎn)生更嚴(yán)重的跌落， 甚至可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率崩潰。

隨著浙北特高壓交流、 靈紹和賓金特高壓直流、 舟山柔直等項(xiàng)目的相繼投產(chǎn)， 浙江電網(wǎng)已發(fā)展成為特高壓交直流互聯(lián)、 1 000 MW 級(jí)大型發(fā)電機(jī)組作為主干支撐的龐大而復(fù)雜的電力系統(tǒng)。特高壓的接入一方面為浙江電網(wǎng)注入大量電力能源， 另一方面由于大容量輸電通道故障概率的存在， 也給浙江電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在特高壓交直流線路或變電設(shè)備出現(xiàn)故障（如直流單極或雙極閉鎖）會(huì)造成浙江電網(wǎng)短時(shí)間負(fù)荷嚴(yán)重不平衡， 大范圍巨額潮流轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的局部電網(wǎng)有功無(wú)功缺口和低電壓， 導(dǎo)致電網(wǎng)功率的重大波動(dòng)、 激發(fā)電網(wǎng)可能隱含的多種不穩(wěn)定運(yùn)行模式， 從而可能造成大面積減負(fù)載或停電事故[2]。

為保證直流故障后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行， 通常綜合采取多直流提升、 抽蓄電站切泵等措施來(lái)平衡電網(wǎng)功率的缺額， 但在直流嚴(yán)重故障下仍不足以阻止電網(wǎng)的頻率跌落， 緊急切負(fù)荷措施依然是必要手段[3-4]。 儲(chǔ)能裝置具有快速響應(yīng)和精確跟蹤指令特性， 是電力系統(tǒng)調(diào)頻和抑制功率波動(dòng)的新手段[5]。 從電網(wǎng)安全運(yùn)行角度， 研究?jī)?chǔ)能裝置如何更好地參與一次調(diào)頻和二次調(diào)頻， 還是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。 目前儲(chǔ)能裝置參與一次調(diào)頻和二次調(diào)頻多以下垂控制為主， 且對(duì)于變下垂系數(shù)的求取并未給出詳細(xì)的求解過(guò)程。 文獻(xiàn)[6]以風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)總收益最大為目標(biāo)， 考慮儲(chǔ)能參與減小棄風(fēng)和二次調(diào)頻服務(wù)， 計(jì)及電池壽命損耗和儲(chǔ)能SOC（荷電狀態(tài)）保持情況對(duì)調(diào)頻表現(xiàn)的影響來(lái)制定儲(chǔ)能控制策略， 但未給出電池參與二次調(diào)頻的單位調(diào)節(jié)功率具體系數(shù)選擇方法。 動(dòng)作時(shí)機(jī)的相關(guān)研究同樣是時(shí)下國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。 文獻(xiàn)[7]以±0.02 Hz 為一次調(diào)頻死區(qū)， 即確定了其動(dòng)作時(shí)機(jī)，同時(shí)控制電池儲(chǔ)能在±0.02～±0.2 Hz 內(nèi)線性出力，并基于儲(chǔ)能實(shí)時(shí)動(dòng)作深度的變化提出了一種儲(chǔ)能運(yùn)行的短期調(diào)度策略。 文獻(xiàn)[8]研究了為維持鋰離子電池SOC 在運(yùn)行參考值附近的額外充放電時(shí)刻， 基于確定的調(diào)頻控制要求（49.8～50.2 Hz）及調(diào)頻死區(qū)（±0.02 Hz）， 仿真分析表明不同策略的經(jīng)濟(jì)性會(huì)隨SOC 運(yùn)行參考值的增大而變差。 文獻(xiàn)[9]提出一種基于區(qū)域控制誤差信號(hào)分布的獨(dú)立AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）策略替代常規(guī)AGC 機(jī)組。 文獻(xiàn)[10]提出了一種結(jié)合變下垂控制和虛擬慣性的大容量?jī)?chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制策略， 研究了儲(chǔ)能這2 種控制方式的動(dòng)作時(shí)機(jī)和動(dòng)作深度， 但只基于虛擬下垂控制與虛擬慣性控制的初步結(jié)合， 采用簡(jiǎn)化模型， 也未考慮儲(chǔ)能電池SOC 的限制與變化。 文獻(xiàn)[11]提出了結(jié)合虛擬慣性和可變下垂控制的儲(chǔ)能一次調(diào)頻控制策略， 考慮SOC對(duì)下垂控制系統(tǒng)進(jìn)行修正。 文獻(xiàn)[12]提出基于靈敏度分析儲(chǔ)能電池參與二次調(diào)頻的控制策略。 文獻(xiàn)[13]提出利用儲(chǔ)能裝置模擬虛擬同步發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)中頻率恢復(fù)控制。 文獻(xiàn)[14]提出結(jié)合虛擬下垂和虛擬慣性， 考慮基于SOC 的自適應(yīng)控制策略。

本文以浙江電網(wǎng)為例研究采用分布式電力電子儲(chǔ)能裝置提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性， 減少系統(tǒng)切負(fù)荷量。 考慮到儲(chǔ)能安裝位置和改造難度， 因此將儲(chǔ)能裝置分布安裝在110 kV 電站， 從而利用110 kV 電站預(yù)留的間隔， 改造容易， 而且可以對(duì)各種故障提供足夠的功率支撐。 本文研究了這種分布式儲(chǔ)能裝置的安裝容量、 投入時(shí)間和投入時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響， 從而提出分布式儲(chǔ)能裝置的控制策略， 以抑制浙江電網(wǎng)由于直流閉鎖而引起的大功率和頻率波動(dòng)。

本文擬采用的儲(chǔ)能裝置是在STATCOM（靜止同步補(bǔ)償裝置）和超級(jí)電容儲(chǔ)能（或其他高密度儲(chǔ)能體）技術(shù)基礎(chǔ)上的高功率密度多功能儲(chǔ)能裝置，以較小的體積布置在每座110 kV 和220 kV 變電站的10 kV 母線上， 能夠遠(yuǎn)程接收調(diào)控指令進(jìn)行工作， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有功和無(wú)功補(bǔ)償， 抑制系統(tǒng)的功率、 電壓波動(dòng)， 抑制系統(tǒng)頻率的下降。 同時(shí)也能夠獨(dú)立地按預(yù)先設(shè)定的控制策略進(jìn)行輸出無(wú)功功率和有功功率的就地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

1 浙江電網(wǎng)特高壓直流故障分析

研究采用BPA 仿真軟件進(jìn)行， 基于浙江電網(wǎng)2019 年的夏季高峰運(yùn)行方式， 故障直流線路目標(biāo)寧夏太陽(yáng)到浙江紹興的靈紹±800 kV 直流和四川雙龍到浙江金華的賓金±800 kV 直流， 發(fā)電機(jī)采用詳細(xì)模型， 旋轉(zhuǎn)備用為13 651.4 MW。 負(fù)荷58%采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型， 其余負(fù)荷按恒阻抗22%（42%×53%）， 恒電流14%（42%×34%）和恒定功率6%（42%×13%）建立模型。

1.1 靈紹雙極直流閉鎖故障分析

當(dāng)靈紹直流發(fā)生雙極閉鎖時(shí)， 暫態(tài)過(guò)程的仿真曲線如圖1 所示。

從圖1 可以看出， 靈紹直流雙極閉鎖后， 原來(lái)由直流輸送的2×3 900 MW 功率轉(zhuǎn)移到交流線路上， 導(dǎo)致功率波動(dòng)和頻率下降， 在此過(guò)程浙江電網(wǎng)發(fā)電機(jī)功角和功率、 電壓均發(fā)生較大的波動(dòng)，圖1（a）為唐紹發(fā)電機(jī)功角曲線、 圖1（b）為三門(mén)發(fā)電機(jī)功率曲線、 圖1（c）為紹興某變電所500 kV母線正序電壓曲線、 圖1（d）為系統(tǒng)頻率曲線。 由于系統(tǒng)的一次調(diào)頻根據(jù)頻率的偏差來(lái)啟動(dòng)， 且慣性時(shí)間常數(shù)較大， 一般為4～10 s。 從圖1 中可以看出， 浙江電網(wǎng)的一次調(diào)頻時(shí)間常數(shù)約為10 s，在本身內(nèi)網(wǎng)機(jī)組和外網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻作用下和負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)作用下， 發(fā)電機(jī)功率輸出增加， 負(fù)荷消耗功率減少， 頻率開(kāi)始回升， 最終系統(tǒng)能夠穩(wěn)定， 頻率最低為49.27 Hz。

圖1 靈紹直流雙極閉鎖仿真曲線

1.2 靈紹和賓金同時(shí)雙極直流閉鎖故障分析

靈紹直流和賓金直流都發(fā)生雙極閉鎖時(shí)， 仿真曲線如圖2 所示。 可以看出， 當(dāng)靈紹、 賓金2 條直流雙極閉鎖時(shí)， 系統(tǒng)功率缺額更大， 浙江電網(wǎng)發(fā)電機(jī)功角和功率、 電壓發(fā)生較大波動(dòng)， 頻率降得更低。 但在本身內(nèi)網(wǎng)機(jī)組和外網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻作用下， 在經(jīng)過(guò)3～4 個(gè)一次調(diào)頻時(shí)間常數(shù)周期后，最終系統(tǒng)也能夠穩(wěn)定， 系統(tǒng)頻率最低為48.6 Hz，下降到49 Hz 以下， 會(huì)導(dǎo)致低頻減載裝置動(dòng)作。

圖2 靈紹、 賓金直流雙極閉鎖仿真曲線

因此， 在靈紹直流發(fā)生雙極閉鎖或發(fā)生2 條直流雙極閉鎖時(shí)， 很有必要配備分布式儲(chǔ)能裝置來(lái)抑制功率波動(dòng)以及頻率下降。

2 儲(chǔ)能裝置功率支持容量及其策略

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖， 有功功率瞬時(shí)缺額，系統(tǒng)頻率將下降， 電力電子儲(chǔ)能裝置具有快速響應(yīng)和精確跟蹤特性， 可以在這種情況下提供一定的有功功率支持， 緩解系統(tǒng)頻率的降低， 減少切負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。 但是與系統(tǒng)的一次調(diào)頻如何配合，采用什么樣的控制策略可以最有效地提供有功和頻率支持， 是本文研究的目標(biāo)。 以下從儲(chǔ)能裝置的支持時(shí)機(jī)、 支持時(shí)長(zhǎng)、 安裝容量等方面來(lái)進(jìn)行仿真研究。

2.1 儲(chǔ)能裝置支持時(shí)機(jī)

由于儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存能量有限， 其放電時(shí)間有限， 對(duì)于大的功率波動(dòng)， 通過(guò)與發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻的配合， 可以選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能放電時(shí)機(jī)， 對(duì)于頻率和有功支撐是較佳的， 所以本文在靈紹直流雙極閉鎖故障情況下進(jìn)行了儲(chǔ)能裝置在不同時(shí)刻開(kāi)始放電支持的仿真實(shí)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置總安裝容量為6 400 MW， 放電時(shí)間為6 s， 依次進(jìn)行第0-6 s、 第1-7 s、 第2-8 s、 第3-9 s、 第4-10 s這5 個(gè)時(shí)段的支持， 具體仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 靈紹直流閉鎖后不同儲(chǔ)能支持時(shí)機(jī)的仿真曲線

從圖3（a）， 3（b）， 3（c）可以看出， 儲(chǔ)能裝置的支持對(duì)發(fā)電機(jī)功角、 功率和母線電壓的最后穩(wěn)定都有改善作用。 圖3（d）顯示， 儲(chǔ)能裝置的支持可以改善系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)， 以免低頻減載裝置動(dòng)作。 但儲(chǔ)能裝置容量和放電時(shí)間有限， 越早啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置支持， 響應(yīng)速度快， 在初期頻率很快有較好的回升， 下降較小。 但等到儲(chǔ)能裝置放電完成后， 此時(shí)仍存在功率缺額， 而由于一次調(diào)頻是根據(jù)頻率偏差來(lái)啟動(dòng)的， 儲(chǔ)能裝置的放電減少了系統(tǒng)的功率缺額， 頻率下降較小， 導(dǎo)致一次調(diào)頻功率還沒(méi)能完全調(diào)整上來(lái)， 需要一定的調(diào)頻時(shí)間啟動(dòng)一次調(diào)頻功率， 整個(gè)系統(tǒng)頻率又會(huì)跌下去，系統(tǒng)最低頻率反而較低， 達(dá)不到系統(tǒng)頻率恢復(fù)最好結(jié)果。 如果太晚啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置， 由于一次調(diào)頻啟動(dòng)較慢， 頻率已經(jīng)下降到最低點(diǎn)， 儲(chǔ)能裝置對(duì)于提高系統(tǒng)最低頻率沒(méi)有效果。 綜合比較， 儲(chǔ)能裝置動(dòng)作時(shí)機(jī)不是越早越好， 也不是越晚越好。從圖3 可以看出， 從3 s 開(kāi)始儲(chǔ)能支持， 9 s 時(shí)結(jié)束， 母線電壓與發(fā)電機(jī)功角、 功率的振蕩幅度更小。 從表1 中也可以看出整體頻率維持在49.7 Hz以上時(shí)間最長(zhǎng)， 對(duì)于頻率的支撐效果最好。

表1 不同方案最低頻率分析

2.2 儲(chǔ)能裝置支持時(shí)長(zhǎng)

設(shè)置儲(chǔ)能放電功率相同（6 800 MW）， 直流閉鎖故障發(fā)生后， 儲(chǔ)能裝置在1 s 時(shí)刻開(kāi)始啟動(dòng)支持， 支持時(shí)長(zhǎng)以2 s 為間隔增加， 當(dāng)靈紹直流雙極閉鎖發(fā)生時(shí)， 不同支持時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)功率波動(dòng)抑制以及系統(tǒng)頻率下降抑制效果是不同的， 具體BPA 仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 靈紹直流閉鎖后不同儲(chǔ)能支持時(shí)長(zhǎng)的仿真曲線

由圖4（a）， 4（b）， 4（c）可以看出， 儲(chǔ)能裝置的支持對(duì)發(fā)電機(jī)功角、 功率和母線電壓均有穩(wěn)定作用， 但不同支持時(shí)長(zhǎng)的效果區(qū)別不是很明顯。圖4（d）顯示， 不同的儲(chǔ)能裝置支持時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)最低頻率點(diǎn)的改善效果區(qū)別比較明顯。 儲(chǔ)能裝置支持時(shí)長(zhǎng)較短的， 由于支持能量有限， 頻率在一開(kāi)始有點(diǎn)回升但較慢， 整個(gè)系統(tǒng)頻率是在一次調(diào)頻作用下才回升較快； 而儲(chǔ)能裝置支持時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的， 頻率在一開(kāi)始暫升較多些， 這樣推遲了一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間， 等到儲(chǔ)能裝置放電完成后， 整個(gè)系統(tǒng)頻率才在一次調(diào)頻作用下穩(wěn)定回升， 導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間有所不同， 處于較低頻率時(shí)間較長(zhǎng)。 從表2 中可以看出， 儲(chǔ)能裝置支持時(shí)間為2 s 和10 s 時(shí)， 系統(tǒng)頻率低于49.6 Hz 的時(shí)間均超過(guò)了5 s， 支撐的效果相對(duì)較差。 而另外支持時(shí)長(zhǎng)在4～8 s， 反而效果較好， 這是與一次調(diào)頻動(dòng)作配合比較協(xié)調(diào)所致。 因此對(duì)于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性來(lái)講， 適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能容量支持時(shí)長(zhǎng)比較合適， 不是越長(zhǎng)越好。 相比于儲(chǔ)能容量支持時(shí)長(zhǎng)，在大功率缺額的初期， 儲(chǔ)能裝置提供足夠的功率支持對(duì)系統(tǒng)最低頻率影響更大。

表2 不同方案最低頻率分析

2.3 儲(chǔ)能裝置安裝容量

靈紹直流雙極閉鎖后， 直流輸送的2×3 900 MW 功率瞬間變?yōu)榱悖?本研究環(huán)境下紹興地區(qū)有功負(fù)荷為6 527 MW， 以該負(fù)荷為基數(shù)投入儲(chǔ)能支持， 支持的功率從40%增加到100%， 從故障發(fā)生3 s 起開(kāi)始支持， 時(shí)間為6 s， 仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 靈紹直流閉鎖后加入不同容量的儲(chǔ)能支持仿真曲線

由圖5（a）， 5（b）， 5（c）可知， 儲(chǔ)能裝置容量變化對(duì)發(fā)電機(jī)功角、 功率以及母線電壓暫態(tài)穩(wěn)定改善效果與上面仿真結(jié)果大同小異， 重點(diǎn)還是在頻率上。 通過(guò)對(duì)比圖5（d）母線上頻率變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)能支持期間（第3-9 s）， 儲(chǔ)能裝置支持功率越大， 對(duì)頻率的提升效果越好， 但如果儲(chǔ)能裝置總?cè)萘亢头烹姇r(shí)間有限， 頻率暫時(shí)過(guò)多的提升反而延緩了一次調(diào)頻的作用， 使得系統(tǒng)頻率的最低點(diǎn)推遲時(shí)刻到來(lái)， 整體系統(tǒng)的頻率調(diào)整較慢。 恰當(dāng)?shù)膬?chǔ)能支持功率， 與一次調(diào)頻配合， 總體效果是最好的， 安裝容量過(guò)大或過(guò)小， 都會(huì)影響其對(duì)系統(tǒng)的頻率支撐水平。 從表3 中可以看出，當(dāng)支持容量為紹興地區(qū)負(fù)荷的40%以下時(shí)， 系統(tǒng)頻率整體在49.7 Hz 以下， 無(wú)法進(jìn)行良好的頻率支撐； 當(dāng)儲(chǔ)能裝置容量為紹興地區(qū)負(fù)荷的100%時(shí)， 系統(tǒng)運(yùn)行15 s 后， 頻率迅速下落， 也無(wú)法達(dá)到理想效果。 圖5 顯示儲(chǔ)能裝置容量為紹興地區(qū)負(fù)荷的80%（即5 221.6 MW）時(shí)頻率恢復(fù)效果最為理想， 最低頻率較高， 49.7 Hz 下持續(xù)時(shí)間較短， 該功率約為直流閉鎖缺額功率（7 800 MW）的66%。

表3 不同方案最低頻率分析

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)浙江電網(wǎng)直流閉鎖故障后的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題， 對(duì)采用分布式電力電子儲(chǔ)能裝置支持的策略進(jìn)行研究， 該策略包括分布式儲(chǔ)能的安裝容量、 動(dòng)作時(shí)機(jī)、 動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)等控制模式。 本文以靈紹直流發(fā)生雙極閉鎖的情況為例， 采用電力系統(tǒng)分析BPA 軟件進(jìn)行模擬仿真， 在浙江電網(wǎng)發(fā)生直流雙極閉鎖所引發(fā)的大功率波動(dòng)時(shí)， 會(huì)發(fā)生頻率跌落、 電壓波動(dòng)等情況， 仿真顯示： 分布式儲(chǔ)能支持對(duì)系統(tǒng)的最低頻率提升、 抑制電壓以及發(fā)電機(jī)的波動(dòng)均有明顯的改善作用， 故障時(shí)儲(chǔ)能裝置的投入時(shí)機(jī)、 支持時(shí)長(zhǎng)， 以及儲(chǔ)能裝置容量不同， 其效果是不一樣的。 當(dāng)發(fā)生大功率波動(dòng)時(shí)，如果儲(chǔ)能裝置放電時(shí)間有限， 配合系統(tǒng)一次調(diào)頻的作用， 儲(chǔ)能裝置投入容量并不是越多越好， 投入的時(shí)間不是越早越好， 放電時(shí)長(zhǎng)也不是越長(zhǎng)越好。 考慮儲(chǔ)能裝置合理的動(dòng)作時(shí)機(jī)和動(dòng)作深度，既可以有效改善調(diào)頻效果， 也能減少儲(chǔ)能系統(tǒng)容量需求。 由仿真結(jié)果得知， 分布式儲(chǔ)能裝置的支持配置容量可以設(shè)計(jì)為直流閉鎖缺額功率的70%左右， 時(shí)間在8 s 以內(nèi)， 既可以起到調(diào)頻效果， 且與一次調(diào)頻配合較好。 對(duì)于分布式儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)級(jí)的具體控制策略以及理論上優(yōu)化方法還有待進(jìn)一步的研究。