劉奇琦 許曉峰

摘 要：大規(guī)模新能源接入對(duì)電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量與穩(wěn)定提出了挑戰(zhàn)，為保證新能源高滲透下電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù)提出技術(shù)要求。本課題從對(duì)電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量和穩(wěn)定性影響調(diào)頻，針對(duì)風(fēng)電高滲透下電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)需求，火電機(jī)組、風(fēng)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性，提出了傳統(tǒng)火電-風(fēng)電-廣域儲(chǔ)能調(diào)頻中的協(xié)調(diào)控制方法。

關(guān)鍵詞：廣域儲(chǔ)能系統(tǒng);調(diào)頻;風(fēng)電場(chǎng);調(diào)頻特性

0 引言

為應(yīng)對(duì)環(huán)境污染和能源危機(jī)，世界各國(guó)采取了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率、發(fā)展可再生能源等措施。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源中技術(shù)最成熟、可靠性最高、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，越來越受到世界各國(guó)的重視并得到廣泛的開發(fā)和利用。風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)也得到快速發(fā)展，據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)2017年度市場(chǎng)報(bào)告，2017年中國(guó)風(fēng)電上網(wǎng)電量3057億kW·h，占全部發(fā)電量的4.8%。根據(jù)國(guó)家能源局組織制定的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中的風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)電2020年并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到2億kW。

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)調(diào)頻問題，傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組由于比例的逐步下降以及調(diào)頻性能的局限和不足，難以應(yīng)對(duì)未來電力系統(tǒng)調(diào)頻需要。儲(chǔ)能作為參與電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制的新元素，因其準(zhǔn)確、快速的功率響應(yīng)能力，被認(rèn)為是輔助提高電網(wǎng)風(fēng)電接納規(guī)模的有效手段。一方面可以通過風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行，輔助風(fēng)電場(chǎng)提供一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等輔助服務(wù)，另一方面也可以在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置獨(dú)立的儲(chǔ)能電站也能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供全方面的頻率支撐。

對(duì)廣域儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)化運(yùn)行與控制研究，目前還比較少，并面臨一系列難點(diǎn)。如應(yīng)用風(fēng)電、儲(chǔ)能與傳統(tǒng)電源共同聯(lián)合參與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻時(shí)，多類電源聯(lián)合系統(tǒng)將出現(xiàn)新的亟待解決的問題，即調(diào)頻指令在三類調(diào)頻電源間如何進(jìn)行合理分配才能發(fā)揮各類調(diào)頻電源的優(yōu)勢(shì)，多類電池源聯(lián)合系統(tǒng)如何優(yōu)化控制才能達(dá)到資源的有效利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化等。

1 風(fēng)電調(diào)頻的分析以及儲(chǔ)能在電網(wǎng)調(diào)頻的應(yīng)用

新能源發(fā)電由不可控的自然風(fēng)力、太陽能或潮汐等驅(qū)動(dòng)，機(jī)組的輸出功率隨氣候因素頻繁波動(dòng)，大規(guī)模接入電網(wǎng)后，將成為引發(fā)電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)的新因素。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)已對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要電網(wǎng)能提供更多的調(diào)頻支持。

由于傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組出力不夠精確，傳統(tǒng)調(diào)頻電廠不靈敏區(qū)的存在，頻率波動(dòng)加劇的可能性增大，大規(guī)模風(fēng)電的接入會(huì)導(dǎo)致頻率波動(dòng)更加頻繁，而且也導(dǎo)致了傳統(tǒng)調(diào)頻電廠的頻繁動(dòng)作，嚴(yán)重影響機(jī)組壽命。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)的一、二次調(diào)頻，將減少傳統(tǒng)調(diào)頻電廠的頻繁動(dòng)作，其精確出力、無差調(diào)節(jié)，也可很大程度的減輕頻率的波動(dòng)輻度，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)頻率的一次調(diào)節(jié)是利用其電池能量的雙向流動(dòng)性，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式。

2 傳統(tǒng)火電-風(fēng)電-廣域儲(chǔ)能聯(lián)合一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制研究

BODE圖是進(jìn)行系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析有效方法，BODE圖可描繪在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位及其隨頻率變化的趨勢(shì)。下面將針對(duì)不同工況下系統(tǒng)的頻域特性，基于 MATLAB 仿真平臺(tái)繪制系統(tǒng)中各調(diào)頻源對(duì)于風(fēng)電功率波動(dòng)響應(yīng)BODE圖，研究不同頻段的電磁功率變化對(duì)電網(wǎng)頻率影響的相關(guān)性。

2.1 各調(diào)頻源不參與一次調(diào)頻

在火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和儲(chǔ)能裝置均不參與一次調(diào)頻的情況下，系統(tǒng)BODE圖如圖2。

2.2 僅風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻

接下來討論僅風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻，通過MATALAB建模輸入數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)論如圖3所示。

由圖3可看出，當(dāng)功率波動(dòng)特性為高頻波動(dòng)時(shí)，即波動(dòng)頻率在1Hz及以上時(shí)，傳遞函數(shù)的幅值相對(duì)與高頻段和中頻段來說相對(duì)較小。這表明風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)中的高頻波動(dòng)可以起到一定的抑制作用。對(duì)比圖3可以看出，風(fēng)電機(jī)組對(duì)高頻波動(dòng)的抑制作用不如系統(tǒng)本身對(duì)高頻波動(dòng)的抑制作用強(qiáng)，應(yīng)充分利用系統(tǒng)本身的慣性來抑制高頻的功率擾動(dòng)。

2.3 僅火電機(jī)組參與一次調(diào)頻

同理討論僅火電機(jī)組參與一次調(diào)頻，通過MATALAB建模輸入數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)論如圖4所示。

當(dāng)功率波動(dòng)為低頻波動(dòng)時(shí)，即波動(dòng)頻率在0-0.01Hz時(shí)，傳遞函數(shù)幅值很小;當(dāng)功率波動(dòng)為高頻波動(dòng)時(shí)，即波動(dòng)頻率在 1Hz 及以上時(shí)，傳遞函數(shù)的幅值接近于0;當(dāng)功率波動(dòng)為中頻波動(dòng)時(shí)，即波動(dòng)頻率在0.01-1Hz之間時(shí)，傳遞函數(shù)的幅值較大。這表明火電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)中的高頻波動(dòng)和低頻波動(dòng)都可以起到較好的抑制作用，對(duì)中頻段的功率波動(dòng)并不能起到很好的抑制作用。

2.4 風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)組、儲(chǔ)能裝置都參與一次調(diào)頻

當(dāng)風(fēng)電，火電以及儲(chǔ)能裝置同時(shí)參與調(diào)頻時(shí)，通過MATLAB計(jì)算可以得出BODE圖如圖5。

從圖5中的結(jié)果可以看出，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)高頻、低頻、中頻三個(gè)頻段的功率波動(dòng)引起的頻率偏差均起到良好的抑制作用。

3 結(jié)語

本報(bào)告基于傳統(tǒng)電源、風(fēng)電機(jī)組和儲(chǔ)能的功率-頻率特性，以及電網(wǎng)的慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻，探索了廣域儲(chǔ)能系統(tǒng)在調(diào)頻應(yīng)用中的參與時(shí)機(jī)與深度、及其與傳統(tǒng)電源、風(fēng)電機(jī)組間的協(xié)調(diào)聯(lián)合運(yùn)行控制，主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：

分析了風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組運(yùn)行特性及其參與調(diào)頻存在的問題;分析了儲(chǔ)能電池的運(yùn)行約束及其對(duì)調(diào)頻效果的影響;分析了風(fēng)電機(jī)組通過增加頻率控制環(huán)節(jié)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和槳距角控制，可具備慣性響應(yīng)和一次頻率調(diào)節(jié)能力的可行性;基于某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)電波動(dòng)特性建立了風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性仿真模型;研究了基于調(diào)頻源一次調(diào)頻性能與調(diào)節(jié)效果的擾動(dòng)量分配方法，儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳動(dòng)作頻率點(diǎn)，提出了火電-風(fēng)電-儲(chǔ)能聯(lián)合參與一次調(diào)頻自適應(yīng)協(xié)調(diào)運(yùn)行算法。

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