馬耀東,劉軍福,劉磐龍,雍少華,陳 金,劉財華,周 霞,劉懿詩
(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司 中衛(wèi)供電公司,寧夏 中衛(wèi) 755000;2.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;3.南京郵電大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院,江蘇 南京 210023;4.南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院 人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210023)
隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,以風(fēng)電為代表的新能源大規(guī)模并網(wǎng),新型電力系統(tǒng)的發(fā)電結(jié)構(gòu)中大量傳統(tǒng)同步慣量被取消[1]~[5]。由于風(fēng)電機(jī)組出力具有波動性等特點(diǎn)[6],加劇了電力系統(tǒng)功率傳輸?shù)牟黄胶?,增?qiáng)了電力系統(tǒng)頻率波動;另外,源側(cè)、荷側(cè)有功功率輕度不平衡,也使得電力系統(tǒng)頻率支撐能力下降[7]。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模有功功率缺額時,系統(tǒng)一次調(diào)頻能力已無法滿足有功功率支撐的需求[8]。風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合參與一次調(diào)頻并采用第三道防線,以防止電網(wǎng)頻率發(fā)生崩潰。UFLS作為第三道防線的典型控制策略[9],可快速有效恢復(fù)系統(tǒng)頻率,從而避免負(fù)荷的大規(guī)模切除。
風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻策略聯(lián)合UFLS,成為當(dāng)前應(yīng)對電力系統(tǒng)大功率有功擾動的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出一種轉(zhuǎn)子超速控制策略,分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在長時序擾動下的有功備用調(diào)頻能力。然而,文獻(xiàn)[10]只考慮了風(fēng)速位于低風(fēng)速區(qū)間的情況。文獻(xiàn)[11],[12]將風(fēng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域分為5個部分,并設(shè)置槳距角轉(zhuǎn)速目標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[13]指出,由于機(jī)械部件對頻率波動突變無法及時響應(yīng),因此大多數(shù)槳距角控制策略只適合風(fēng)速大于額定風(fēng)速的情況。此外,單獨(dú)使用槳距角控制策略,使得機(jī)組頻繁動作導(dǎo)致機(jī)械磨損[14]。因此,槳距角控制需要與虛擬慣性控制、VSG控制等頻率調(diào)節(jié)策略相結(jié)合[15]~[17]。虛擬慣性控制通過模擬同步機(jī)組的慣量支撐特性,將頻率變化率指標(biāo)引入頻率控制環(huán)節(jié),且當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落時,附加頻率控制將轉(zhuǎn)子動能釋放出來調(diào)節(jié)頻率[15]。文獻(xiàn)[16]提出虛擬電容以進(jìn)行虛擬慣性控制,從而利用轉(zhuǎn)子動能提供更多的有功支撐??紤]風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動能的有限性,研究人員提出了VSG控制策略,采用變流器參與頻率控制,通過模擬同步機(jī)組的轉(zhuǎn)子特性,從而實(shí)現(xiàn)虛擬慣量的支撐[17]。
電力系統(tǒng)受到大功率有功擾動時,單一的風(fēng)電機(jī)組頻率控制無法對頻率驟降進(jìn)行有效控制。相關(guān)文獻(xiàn)對UFLS頻率控制策略進(jìn)行了研究[18]~[20]。文獻(xiàn)[18]基于SFR模型并利用經(jīng)驗(yàn)法驗(yàn)證考慮UFLS方案下的頻率特性分析的可行性。文獻(xiàn)[19]提出了一種考慮UFLS的多階系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型,定量分析了UFLS控制策略下的頻率響應(yīng)特性?;谒岢龅亩噍啘p載方案頻率響應(yīng)模型,文獻(xiàn)[20]基于高比例新能源并網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)研究背景,提出了UFLS優(yōu)化方案,分析并對系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行優(yōu)化控制。
上述研究只針對考慮第三道防線UFLS控制策略下的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行研究,沒有考慮當(dāng)前新能源參與調(diào)頻的頻率控制策略趨勢。本文考慮風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合傳統(tǒng)火電機(jī)組參與調(diào)頻,并將UFLS方案通過頻率響應(yīng)模型,量化分析了其頻率響應(yīng)控制特性?;贛atlab/Simulink平臺對系統(tǒng)頻率特征進(jìn)行仿真,驗(yàn)證本文所提UFLS控制策略的新型電力系統(tǒng)頻率特性分析方法的有效性。
本文基于SFR原理利用低階線性化模型實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)火電頻率響應(yīng)控制[21],模型如圖1所示。
圖1 火電機(jī)組頻率響應(yīng)模型Fig.1 Frequency response model of thermal power
圖中:R為一次調(diào)頻下垂系數(shù);ΔPR為火電機(jī)組發(fā)電功率增量;FH為原動機(jī)高壓缸做功系數(shù);TR為再熱時間常數(shù);km為機(jī)械功率因數(shù);Δf為電力系統(tǒng)頻率變化量;s為頻域算子。
本文以電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性為分析目標(biāo),不考慮傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定指標(biāo)中的電壓、功角穩(wěn)定性。傳統(tǒng)火電機(jī)組附加頻率控制環(huán)節(jié)包括同步渦輪機(jī)、調(diào)速器控制模塊及機(jī)械功率增益系數(shù)。
當(dāng)前,風(fēng)電參與調(diào)頻的主要方式為有功功率備用控制和轉(zhuǎn)子動能控制。其中,風(fēng)電機(jī)組有功功率備用控制包括超速控制和槳距角控制[10]~[12],轉(zhuǎn)子動能控制包括慣性控制[15]和VSG控制[16]。
本文以雙饋風(fēng)電機(jī)組為例,考慮槳距角控制與轉(zhuǎn)子慣性控制參與風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻。風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性響應(yīng)速度較快且持續(xù)時間較短,輸出的虛擬慣量取決于風(fēng)機(jī)自身慣量、并網(wǎng)同步角速度及慣性響應(yīng)調(diào)頻前后的角速度變化。假設(shè)頻率變化處于死區(qū)外且有功變化量處于限幅范圍內(nèi),當(dāng)風(fēng)機(jī)經(jīng)過最大功率跟蹤控制,忽略非線性因素,風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)調(diào)頻有功變化的線性化特點(diǎn)與同步發(fā)電機(jī)組的慣性控制類似。因此,采用同步發(fā)電機(jī)組慣性響應(yīng)的低階模型代替風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)控制[22]。慣性控制調(diào)頻執(zhí)行結(jié)束后到達(dá)高風(fēng)速區(qū)間,槳距角控制調(diào)制功率提供風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻。首先,槳距角控制模塊接收慣性響應(yīng)后的轉(zhuǎn)子角速度,并設(shè)定為控制模塊的角速度參考值。槳距角控制單元負(fù)反饋輸入的槳距角與經(jīng)過PI控制及槳距角調(diào)節(jié)器輸出實(shí)時風(fēng)速下的槳距角。風(fēng)速、槳距角、調(diào)速控制后的角速度作為輸入量參與雙饋風(fēng)機(jī)的功率控制模型,輸出該運(yùn)行工況下的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。由于槳距角受機(jī)械特性影響,該調(diào)頻控制模塊響應(yīng)時間較長,因此采用常規(guī)電源一次調(diào)頻響應(yīng)模型代替[23]。
綜合二者調(diào)頻控制工況條件及運(yùn)行方式可知,當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)速處于中風(fēng)速區(qū)間及額定風(fēng)速區(qū)間時,風(fēng)電機(jī)組針對風(fēng)速改變轉(zhuǎn)子角速度,實(shí)現(xiàn)虛擬慣性控制響應(yīng);當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)速處于高風(fēng)速區(qū)間時,槳距角上升,通過控制槳距角大小以獲得機(jī)械功率并參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。圖2為風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)模型。
圖2 風(fēng)電頻率響應(yīng)模型Fig.2 Frequency response model of wind farm
圖中:Tω為轉(zhuǎn)子慣性響應(yīng)時間常數(shù);kdf為慣性響應(yīng)系數(shù);ΔPWω為轉(zhuǎn)子慣性控制的功率變化量;Tβ為變槳距響應(yīng)時間常數(shù);kpf為一次調(diào)頻系數(shù);ΔPWβ為變槳距控制提供的功率變化量;ΔPWind為風(fēng)電發(fā)電功率增量。
當(dāng)電力系統(tǒng)受到大功率擾動時,為保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在一定安全范圍內(nèi),第三道防線進(jìn)行工作。UFLS作為典型控制方案,對于電力系統(tǒng)大功率擾動后頻率穩(wěn)定調(diào)制起到重要作用。電力系統(tǒng)UFLS控制流程如圖3所示。圖中:ΔPn為UFLS第n輪的頻率整定值;Δtn為UFLS第n輪的延時;ΔPLn為UFLS第n輪的切負(fù)荷量;ΔPUFLS為UFLS控制單元調(diào)頻有功功率變化量。
圖3 UFLS控制流程Fig.3 The control process of UFLS
電力系統(tǒng)受大功率擾動后,多資源參與調(diào)頻下的電力系統(tǒng)調(diào)頻單元提供一定的有功功率支撐。由于考慮UFLS參與頻率控制策略,切除部分負(fù)荷以減小源荷兩端的有功功率不平衡量。通過多調(diào)頻資源的聯(lián)合調(diào)頻及UFLS控制策略實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)大功率有功失衡下的頻率穩(wěn)定調(diào)制。參考文獻(xiàn)[22]提出的頻率控制策略,通過引入調(diào)頻系數(shù)實(shí)現(xiàn)各附加頻率控制模塊的定量有功支撐控制。圖4為本文改進(jìn)的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型,考慮火電、風(fēng)電聯(lián)合調(diào)頻,并引入UFLS控制模塊。
圖4 電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型Fig.4 Power system frequency response model
為更精確反映電力系統(tǒng)的頻率調(diào)制動態(tài)過程,加入了限幅模塊及死區(qū)控制模塊。圖中:ρR,ρWind,ρUFLS分別為傳統(tǒng)火電調(diào)頻系數(shù)、風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻系數(shù)和UFLS調(diào)頻單元調(diào)頻系數(shù);分別為經(jīng)調(diào)頻分配后的傳統(tǒng)火電、風(fēng)電機(jī)組、UFLS調(diào)頻單元有功支撐量;ΔPL為電力系統(tǒng)有功擾動大??;ΔP為電力系統(tǒng)有功功率變化量;H為電力系統(tǒng)等效慣性時間常數(shù);D為電力系統(tǒng)等效阻尼常數(shù)。
本文分別對火電機(jī)組調(diào)頻單元、風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻單元及考慮UFLS控制策略下多資源參與調(diào)頻的電力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定,量化分析電力系統(tǒng)各調(diào)頻單元的頻率響應(yīng)流程,表征電力系統(tǒng)的頻率控制邏輯結(jié)構(gòu)。
作為傳統(tǒng)同步慣量的主要來源形式,火電機(jī)組頻率控制模塊保留了主要慣量支撐模塊,并利用增益系數(shù)進(jìn)行頻率響應(yīng)修正。參考圖1所建立的火電機(jī)組頻率響應(yīng)模型,根據(jù)電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型傳遞函數(shù)定義,系統(tǒng)頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為有功變化量與頻率變化量的比值。火電機(jī)組頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為
由圖2可知,在風(fēng)電機(jī)組頻率調(diào)制過程中,風(fēng)電機(jī)組功率變化ΔPWind由轉(zhuǎn)子慣性控制的有功變化量ΔPWω和風(fēng)機(jī)變槳距控制有功變化量ΔPWβ兩部分組成,從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻功能。鑒于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)頻率響應(yīng)速度較快,結(jié)合其頻率相應(yīng)控制特性,本文采用傳統(tǒng)電源的頻率響應(yīng)控制代替風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)控制。慣性響應(yīng)控制模塊的有功支撐變化量為ΔPWω(s)=-[kdfs/(1+Tωs)]·Δf(s),則風(fēng)電機(jī)組慣性響應(yīng)控制模塊的頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為
考慮到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械特性,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子無法對源荷兩端有功擾動及時響應(yīng),采用傳統(tǒng)同步機(jī)組一次調(diào)頻控制方式模擬替代風(fēng)機(jī)一次響應(yīng)能力。以風(fēng)機(jī)變槳距頻率控制為例,其控制模塊有功功率支撐變化量為ΔPWβ(s)=-[kpf/(1+Tβs)]·Δf(s),則變槳距控制模塊頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為
由于考慮風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略為慣性控制和變槳距控制,風(fēng)機(jī)有功支撐變化量為慣性控制頻率變化與變槳距控制頻率變化之和,即:
結(jié)合式(2)~(4)可得:
風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為
在線性化電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中,UFLS以延時策略等效實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制作用。參考文獻(xiàn)[19],在系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中加入延時環(huán)節(jié),即UFLS頻率控制單元有功功率變化量ΔPUFLS(s)=e-τs·Δf(s)。
UFLS頻率控制單元頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為
式中:τ為延時時間常數(shù)。
本文基于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻,并考慮UFLS頻率控制策略,量化分析電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。由圖4可得電力系統(tǒng)頻率變化量為
為了精準(zhǔn)分配各調(diào)頻模塊的有功調(diào)制大小,引入調(diào)頻系數(shù)對調(diào)頻單元的有功調(diào)制大小進(jìn)行量化控制。當(dāng)發(fā)生有功功率擾動(ΔPL<0)ΔPL(s)時,定義電力系統(tǒng)頻率特性傳遞函數(shù)為頻率變化量與有功擾動大小的比值,則電力系統(tǒng)頻率特性傳遞函數(shù)為
其中,調(diào)頻系數(shù)滿足ρR+ρWind+ρUFLS=1。根據(jù)式(9)可得電力系統(tǒng)頻率變化量為
調(diào)頻資源整體頻率響應(yīng)能力由火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和UFLS頻率控制單元組成。調(diào)頻有功功率變化量為
基于式(12)并利用拉普拉斯逆變換原理,計算得到電力系統(tǒng)頻率變化時域表達(dá)式為
通過式(13)可計算具體某時間區(qū)間下的電力系統(tǒng)頻率變化特性,驗(yàn)證系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻的效果,并分析UFLS控制策略的有效性。
根據(jù)終值定理可得火電、風(fēng)電、UFLS控制聯(lián)合調(diào)頻下的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差為
由式(15)可知,電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與UFLS延時調(diào)頻控制參數(shù)無關(guān),即UFLS頻率控制延時時間常數(shù)的變化不會影響電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差。
本章基于Matlab/Simulink模擬某區(qū)域電網(wǎng)采用火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻,并在大功率擾動下實(shí)施第三道防線的單輪UFLS控制策略,電力系統(tǒng)仿真拓?fù)涫疽鈭D如圖5所示。本文分析不同工況下電力系統(tǒng)的頻率特性變化,負(fù)荷為1 000 MW,風(fēng)電額定功率為200 MW,負(fù)荷大功率有功擾動為60 MW(0.06 p.u)。
圖5 電力系統(tǒng)仿真拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Power system simulation topology schematic
為驗(yàn)證UFLS頻率控制聯(lián)合多機(jī)組調(diào)頻控制策略的可行性,本節(jié)對3種情況下頻率特性進(jìn)行定量分析,考察不同調(diào)頻方式下電力系統(tǒng)的頻率偏差情況。
設(shè)置風(fēng)電場風(fēng)速恒定且為額定風(fēng)速,各機(jī)組參數(shù)如表1所示。
表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定值Table 1 System parameter setting value
分別對火電單獨(dú)調(diào)頻、風(fēng)電參與調(diào)頻及考慮UFLS 3種調(diào)頻方式進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同調(diào)頻方式下的電力系統(tǒng)頻率曲線Fig.6 Power system frequency curve with different frequency regulation methods
表2 為3種調(diào)頻方式下的電力系統(tǒng)頻率特征仿真結(jié)果。
表2 電力系統(tǒng)頻率特征仿真值Table 2 Simulated values of power system frequency characteristics
根據(jù)圖6及表2可知:風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略的加入使得電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性提升;基于火電、風(fēng)電聯(lián)合調(diào)頻的控制策略,當(dāng)實(shí)施UFLS頻率控制策略時,頻率穩(wěn)定性得到提升;相較于火電、風(fēng)電聯(lián)合調(diào)頻,考慮UFLS策略的調(diào)頻控制方式下電力系統(tǒng)最大頻率偏差絕對值減小0.010 9 Hz,穩(wěn)態(tài)頻率偏差絕對值減小0.004 3 Hz。因此,基于風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的控制策略聯(lián)合UFLS控制策略具有可行性。
當(dāng)電力系統(tǒng)受到一定有功擾動時,UFLS調(diào)頻控制策略可為其提供一定的有功功率。為更加直觀地分析風(fēng)電機(jī)組增加的有功功率及UFLS提供的有功功率支撐特性,本文對風(fēng)電機(jī)組及UFLS調(diào)頻控制單元的有功調(diào)制進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示。
圖7 不同調(diào)頻方式下的電力系統(tǒng)頻率曲線Fig.7 Power system frequency curve with different frequency regulation methods
當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)有功擾動時,作為調(diào)頻資源的風(fēng)電機(jī)組及時參與調(diào)頻作用。由圖7(a)可知,風(fēng)電機(jī)組慣性響應(yīng)控制首先動作,并增加有功功率,在短時間內(nèi)風(fēng)電機(jī)組提供的有功功率基本為慣性響應(yīng)調(diào)頻功率。由于槳距角的機(jī)械特性導(dǎo)致頻率響應(yīng)較慢,因此,當(dāng)慣性響應(yīng)控制基本結(jié)束時,槳距角有功調(diào)制為主要調(diào)頻部分。此時,風(fēng)電機(jī)組提供的有功功率基本為槳距角響應(yīng)調(diào)頻功率。由圖7(b)可知,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)60 MW的有功功率擾動時,風(fēng)電機(jī)組提供32.21 MW的有功支撐,UFLS提供2.36 MW的有功支撐。因此,UFLS可作為可再生能源高滲透電力系統(tǒng)的輔助調(diào)頻方式。
本節(jié)討論在各調(diào)頻控制模塊調(diào)頻系數(shù)確定時,UFLS控制模塊延時時間參數(shù)對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)火電、風(fēng)電、UFLS控制參數(shù)參考表1,設(shè)置UFLS延時時間常數(shù)分別為1,2,3 s,考察不同UFLS延時系數(shù)下,電力系統(tǒng)最大頻率偏差及穩(wěn)態(tài)頻率偏差等相關(guān)頻率穩(wěn)態(tài)指標(biāo),如圖8所示。
圖8 不同延時系數(shù)下的電力系統(tǒng)頻率曲線Fig.8 Power system frequency curves with different delay factors
表3為電力系統(tǒng)頻率特征指標(biāo)仿真結(jié)果。
表3 電力系統(tǒng)頻率特征仿真值Table 3 Simulated values of power system frequency characteristics
由圖8及表3可知,隨著延時時間常數(shù)的增加,最大頻率偏差由-0.345 3 Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?0.353 4 Hz,頻率動態(tài)穩(wěn)定性降低。然而,隨著UFLS延時系數(shù)的增加,穩(wěn)態(tài)頻率偏差不發(fā)生變化,即電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的頻率穩(wěn)定性與UFLS延時系數(shù)無關(guān),與式(15)結(jié)論一致。
針對新型電力系統(tǒng)受到大功率擾動下的頻率穩(wěn)定性問題,本文提出了一種考慮UFLS頻率響應(yīng)特性的改進(jìn)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型。通過仿真驗(yàn)證了UFLS策略聯(lián)合多資源調(diào)頻策略下,系統(tǒng)頻率特性分析的可行性,結(jié)果表明:①改進(jìn)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型在經(jīng)典頻率響應(yīng)模型基礎(chǔ)上,增加了風(fēng)電機(jī)組附加頻率控制單元及UFLS控制模塊,有效反映了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下各調(diào)頻單元的頻率響應(yīng)特性,及UFLS頻率控制單元的響應(yīng)特性;②大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)在受到大功率有功擾動下,考慮風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻且聯(lián)合UFLS頻率控制策略下的電力系統(tǒng)頻率調(diào)制策略,比傳統(tǒng)單一火電調(diào)頻控制模式可提升電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性,因此計及UFLS的新型電力系統(tǒng)多資源調(diào)頻控制策略是可行的;③本文所用UFLS控制策略,其頻率響應(yīng)特性本質(zhì)為對新型電力系統(tǒng)調(diào)頻控制效果提供延時控制,且電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與UFLS頻率控制延時控制時間常數(shù)無關(guān)。