大容量?jī)?chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

何 晶

（深圳市達(dá)能電力技術(shù)有限公司廣州公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在電力生產(chǎn)和輸送等方面存在不少缺陷，從而降低了電力企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，也制約了電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和管控，隨著人們對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的不斷加深，先進(jìn)大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)成為呼聲較高的一項(xiàng)技術(shù)手段，它可以靈活地實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的快速、解耦控制，打破了發(fā)、用電實(shí)時(shí)平衡的限制，可以滿足電網(wǎng)峰值負(fù)荷的需求，也可有效降低晝夜峰谷差，輔助解決低電壓穿越問(wèn)題，從而提高運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，保證供電質(zhì)量，由此可見(jiàn)大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)具有很大的發(fā)展前景，值得行業(yè)相關(guān)人士深入研究。

1 大容量?jī)?chǔ)能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用類別介紹

電力儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)乃至全球很早就已經(jīng)出現(xiàn)，最早時(shí)應(yīng)用較多的主要是抽水蓄能，隨著科技發(fā)展，各種新能源發(fā)電技術(shù)出現(xiàn)，儲(chǔ)能方式增多，可以并存和聯(lián)合應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域也從移峰填谷、調(diào)頻等擴(kuò)大到分布式發(fā)電、可再生能源并網(wǎng)等方面[1]，但也正是由于儲(chǔ)能技術(shù)種類較多，發(fā)展程度各不相同，也各有優(yōu)劣，而電力行業(yè)的可應(yīng)用范圍較為廣闊，要求相差較大，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)根據(jù)不同儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)特性來(lái)具體選擇，下面首先對(duì)幾種較為常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)幾種儲(chǔ)能方式在能量密度、功率密度、響應(yīng)速度、應(yīng)用成本等方面進(jìn)行了對(duì)比分析（見(jiàn)下表1）。

表1 幾種典型儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)現(xiàn)狀對(duì)比

1.1 抽水儲(chǔ)能

該技術(shù)應(yīng)用較早，比較成熟且由于儲(chǔ)能容量較大，可達(dá)百兆及千兆級(jí)別，同時(shí)運(yùn)行效率高，可循環(huán)周期長(zhǎng)，在我國(guó)很多城市被廣泛應(yīng)用，其儲(chǔ)能量和發(fā)電量在我國(guó)直至全球范圍內(nèi)都占比較高。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦魏退Y源分布建立抽水蓄能電站，容量根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)確定，而能量的存儲(chǔ)和釋放則是利用兩個(gè)不同高度蓄水池來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓等穩(wěn)定控制功能，還可與風(fēng)力發(fā)電結(jié)合，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

該方式的儲(chǔ)能容量也可達(dá)百兆以上且能長(zhǎng)期儲(chǔ)能，投資建設(shè)和運(yùn)行成本較低，環(huán)保效益明顯。儲(chǔ)能原理是將空氣壓縮存儲(chǔ)在洞穴或容器里，待需要輔助電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可釋放并點(diǎn)燃空氣，在與燃料混合燃燒的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能，用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、發(fā)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用等。為了提高運(yùn)行效率，可以利用復(fù)熱器，此外我國(guó)還研發(fā)了“非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能”技術(shù)，進(jìn)一步提高了效率，降低了成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，促進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1.3 飛輪儲(chǔ)能

該儲(chǔ)能系統(tǒng)分為旋轉(zhuǎn)體和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分，充電時(shí)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)向外釋放能量然后降速，通過(guò)調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速，使儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)的能量進(jìn)行交換，而根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同分為低速飛輪和的高速飛輪2 種，前者為功率型，可保證電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，后者適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能，可用于電力調(diào)峰、調(diào)頻，這種儲(chǔ)能方式的充電速度較快，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但還需提高能量密度，降低應(yīng)用成本。

1.4 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

根據(jù)超導(dǎo)體電阻為零的特性，將超導(dǎo)體制成儲(chǔ)能裝置，整個(gè)系統(tǒng)被低溫冷卻到超導(dǎo)臨界溫度之下，從而可以長(zhǎng)期無(wú)損耗儲(chǔ)存能量且能量轉(zhuǎn)換效率非常高，可作為一個(gè)靈活調(diào)控的電源，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率、功率，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善供電品質(zhì)。但該技術(shù)的應(yīng)用成本較高，對(duì)超導(dǎo)材料要求較高且充電速度待提升，因此還沒(méi)有得到大力發(fā)展，目前最大的商用功率等級(jí)并不高。

1.5 蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池充放電時(shí)正負(fù)極活性材料會(huì)發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，將電能以化學(xué)能形式存儲(chǔ)，而其儲(chǔ)存容量取決于電池模塊數(shù)量，充放電時(shí)間、運(yùn)行效率等又與電池的種類又有很大的關(guān)系。 1）鉛酸電池：技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快、安全可靠、投資成本低，屬于蓄電池儲(chǔ)能中應(yīng)用效果較好且非常廣泛的一種，通常用于電廠、電站的備用電源和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。2）鈉硫電池：在全球范圍內(nèi)的研究和應(yīng)用都比較普遍，特別是用于商業(yè)，具有能量密度高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)，但熱量過(guò)高時(shí)有一定的危險(xiǎn)性，還需進(jìn)一步優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。3）鋰電池：與鈉硫電池優(yōu)勢(shì)相似，但綜合循環(huán)效率更高，是當(dāng)前我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的儲(chǔ)能方式，可在成本和監(jiān)管系統(tǒng)上加以改進(jìn)，以簡(jiǎn)化其管理和應(yīng)用。4）釩液流電池：功率大、使用壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保、成本低，是最成熟的液流電池，也是目前世界發(fā)展最快的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，由于存儲(chǔ)的能量和功率可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，根據(jù)液體存儲(chǔ)罐的大小可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的儲(chǔ)能，可用于城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電等領(lǐng)域[2]。

2 大容量?jī)?chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的作用機(jī)理研究

考慮到儲(chǔ)能具有快速、靈活的有功、無(wú)功控制能力，可以向電力系統(tǒng)快速提供有功和無(wú)功功率補(bǔ)償來(lái)改善其穩(wěn)定性，表明儲(chǔ)能可以為系統(tǒng)提供正阻尼，因此大容量?jī)?chǔ)能也可看做是一種可靠的阻尼控制法，比傳統(tǒng)的PSS 和 FACTS 等電網(wǎng)控制系統(tǒng)更為安全可靠，基于該背景，很多學(xué)者對(duì)大容量?jī)?chǔ)能與電力系統(tǒng)的融合及影響進(jìn)行了研究，該文主要介紹變流器控制儲(chǔ)能裝置的主要類型和工作原理，分析儲(chǔ)能輔助電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及如何通過(guò)改儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制。

2.1 基于變流器控制的儲(chǔ)能裝置類型與工作原理

由圖1 可以看出該裝置主要分為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)兩部分，各部分的組成大不相同，但是互相之間有聯(lián)系且整體通過(guò)電力電子接口并入電網(wǎng)，從而形成儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中大容量?jī)?chǔ)能主要依靠蓄電池、超級(jí)電容器等方式實(shí)現(xiàn)，但各儲(chǔ)能技術(shù)各有利弊，在實(shí)際工程應(yīng)用上由于自身構(gòu)造、工作條件、電網(wǎng)對(duì)電壓和容量等方面的要求較高，目前還無(wú)法大面積應(yīng)用，為了對(duì)大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)生的影響和作用進(jìn)行研究分析， 可以構(gòu)建用于仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝置，以獲得一些理論數(shù)據(jù)參考。

2.2 儲(chǔ)能變流器的PQ 解耦控制策略

由圖1 可知功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括主電路和控制系統(tǒng)兩部分，其中的控制系統(tǒng)可以采集儲(chǔ)能單元的狀態(tài)信號(hào)，來(lái)自電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)，傳遞給低層控制器，而電力系統(tǒng)的狀態(tài)變量則由系統(tǒng)層控制器采集，并經(jīng)處理后向低層控制器發(fā)送交換指令，指示工作模式，低層控制器匯總所有信號(hào)和數(shù)據(jù)后，生成合適的觸發(fā)控制脈沖來(lái)調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，如提高系統(tǒng)的阻尼特性、電能質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的獨(dú)立交換，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的交換功率[3]。

圖1 基于變流器控制的儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 大容量?jī)?chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響分析

3.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模

該文以三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后的小干擾穩(wěn)定影響進(jìn)行了分析。1）建立同步發(fā)電機(jī)模型，采用同步電機(jī)4 階模型，相關(guān)計(jì)算公式可參照電力行業(yè)的有關(guān)規(guī)范，同時(shí)由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS 可以提高系統(tǒng)基本運(yùn)行方式下的小干擾穩(wěn)定性，還可以在基本運(yùn)行方式下通過(guò)配置和不配置PSS（模式一和模式二）來(lái)所呈現(xiàn)的機(jī)電振蕩模式來(lái)表明PSS 在增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼特性中的優(yōu)勢(shì)。2）儲(chǔ)能電站，模型主要包括電池及電池管理系統(tǒng)，PCS 換流器和控制模塊，電池充放電特性為線性，當(dāng)大容量?jī)?chǔ)能接入電網(wǎng)時(shí)，可按照功率內(nèi)外環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功解耦控制。通過(guò)以上模型和原理模擬不同條件下儲(chǔ)能阻尼系統(tǒng)低頻振蕩情況，并采用特征值分析法，以換流器及控制模塊的動(dòng)態(tài)性能為重點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量、輸出變量、輸入變量，結(jié)合電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)計(jì)算方程式得出系統(tǒng)狀態(tài)極點(diǎn)，并根據(jù)狀態(tài)矩陣特征值對(duì)應(yīng)的振蕩模式阻尼比，進(jìn)而對(duì)小干擾穩(wěn)定性進(jìn)行分析[4]。

3.2 系統(tǒng)潮流不變下的影響分析

通過(guò)完整的模型，模擬逐步增加儲(chǔ)能發(fā)電有功出力后的振蕩模式變化，例如在儲(chǔ)能并網(wǎng)容量增加且協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)潮流不變的情況下，將儲(chǔ)能有功出力從20MW 增加至100MW，在并網(wǎng)容量以 20MW 的基數(shù)增長(zhǎng)的情況下，對(duì)比相同模式下的阻尼特性變化情況以及有無(wú)PSS 時(shí)的阻尼特性變化情況，從表2 可以得出，模式一的振蕩頻率基本保持不變，而阻尼比與并網(wǎng)容量呈正比，而模式二的頻率比模式一大，且呈下降趨勢(shì)，而阻尼比也明顯在逐步上升且都沒(méi)有產(chǎn)生新的振蕩模式，因此在系統(tǒng)潮流不變的情況下，阻尼比會(huì)隨著儲(chǔ)能容量的接入而增大。

表2 系統(tǒng)潮流不變下的阻尼特性變化情況

3.3 系統(tǒng)潮流改變下的影響分析

基于上述同樣的原理，若同步電機(jī) G3 沒(méi)有參與協(xié)調(diào)控制，儲(chǔ)能滲透率在增加過(guò)程中就會(huì)失衡，系統(tǒng)潮流就會(huì)發(fā)生變化，因此可以模擬系統(tǒng)潮流變化情況下的振蕩模式，得出儲(chǔ)能并網(wǎng)容量逐步增加情況下，兩種模式的頻率和阻尼比變化，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以得出阻尼比的變化趨勢(shì)為先降后增，但變化性非常小，而模式一的頻率呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，模式二則正好相反，但同樣都沒(méi)有引發(fā)新的振蕩模式。因此，在以上兩種情況下，大容量?jī)?chǔ)能都不會(huì)明顯改變或降低阻尼比，對(duì)小干擾穩(wěn)定的影響也較小，也不會(huì)參與系統(tǒng)的低頻振蕩，但系統(tǒng)潮流不變時(shí)更有利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定。

3.4 鎖相環(huán)影響

為了便于研究?jī)?chǔ)能接入后的小干擾穩(wěn)定性影響，現(xiàn)有機(jī)電暫態(tài)仿真軟件中并未考慮鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)模型，若要精準(zhǔn)確定其影響性，可基于鎖相環(huán)基本原理，建立動(dòng)態(tài)模型，以Kp=1.5，Ki=10 為典型參數(shù)（Kp為比例參數(shù)，主要用于快速調(diào)節(jié)誤差；Ki為積分參數(shù)，主要用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間），以系統(tǒng)潮流為條件，模擬不同變化情況下的振蕩模式，同樣也是以并網(wǎng)容量變化時(shí)引起的頻率和阻尼比變化來(lái)對(duì)比有無(wú)考慮鎖相環(huán)的系統(tǒng)阻尼特性，并進(jìn)一步評(píng)估對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響（具體數(shù)據(jù)見(jiàn)下表3），有關(guān)學(xué)者和專家試驗(yàn)后得出，未考慮鎖相環(huán)時(shí)穩(wěn)定性會(huì)變差[5]。

表3 考慮鎖相環(huán)影響時(shí)的阻尼特性變化情況

3.5 附加阻尼控制的影響

綜上可知，大容量?jī)?chǔ)能接入時(shí)會(huì)引起電力系統(tǒng)阻尼特性的變化，為了進(jìn)一步穩(wěn)固系統(tǒng)，以一次調(diào)頻及慣量控制模型為基礎(chǔ)，研究大容量?jī)?chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)阻尼比產(chǎn)生的具體影響，通過(guò)模擬大容量?jī)?chǔ)能接入并網(wǎng)容量遞增時(shí)，系統(tǒng)振蕩模式的變化情況，在100MW 情況下有無(wú)附加阻尼控制時(shí)，出現(xiàn)三相瞬時(shí)短路故障時(shí)G3 有功功率響應(yīng)情況（詳見(jiàn)圖2），綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，附加阻尼控制可以改善系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。

圖2 G3 機(jī)組有功率響應(yīng)

4 結(jié)語(yǔ)

總之，面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和用電壓力，大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)勢(shì)不可擋，有關(guān)學(xué)者和該行業(yè)工作者理應(yīng)加強(qiáng)在該方面的研究，以促進(jìn)與電力系統(tǒng)的良好結(jié)合，該文所述的大容量?jī)?chǔ)能種類豐富且適用性和效果各不相同，但總體來(lái)說(shuō)只要控制得當(dāng)，應(yīng)用合理，對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，可以用于電量輸送、平滑電網(wǎng)負(fù)荷、調(diào)控供電量，也可用于發(fā)電自動(dòng)控制，提高電力設(shè)備利用率，從而提高供電質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，但是很多儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)發(fā)展還不成熟，為了促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，還需持續(xù)研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)后對(duì)各方面產(chǎn)生的影響，就儲(chǔ)能本體研發(fā)、與既有電力系統(tǒng)的融合和應(yīng)用成本等進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提升穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。