中國儲能網訊：
摘 要 隨著新能源滲透率的提高，電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題愈加嚴重。本文提出一種改進飛輪儲能輔助風電場一次調頻的控制策略，分析風儲系統(tǒng)的頻率特性和容量配置，風電場采用虛擬慣性控制參與一次調頻。由于風電場的輸出功率根據(jù)自然風速隨機變化，可能會導致飛輪長期運行至較高或較低轉速的狀態(tài)，在風速驟變時甚至會引起飛輪轉速越限。采用虛擬下垂控制結合模糊規(guī)則防止飛輪轉速越限，從而彌補風電場在一次調頻中的功率缺額。通過仿真分析及實驗驗證階躍擾動和連續(xù)擾動的工況下的頻率特性，得出改進控制策略在階躍擾動和連續(xù)負荷擾動2種工況下最大頻率偏差更小、響應速度更快的結論。
關鍵詞 風電場；一次調頻；飛輪儲能；最大頻率偏差；響應速度
國家能源局發(fā)布2023年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2023年12月底風電裝機容量約4.4億千瓦。在中央財經委員會第九次會議上提到“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源逐步取代煤電的主體地位”。但是新能源大規(guī)模并網勢必會影響電網內發(fā)電量與用電量的實時平衡，使輸出功率不穩(wěn)定，進而影響電力系統(tǒng)的有功功率與負荷需求的平衡，使系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。
傳統(tǒng)慣量支撐資源稀缺、慣量水平評估難度加大和多種頻率調整資源協(xié)調難度增加，使得系統(tǒng)在擾動下的頻率變化率增加、頻率最低點降低、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增加，發(fā)生頻率失穩(wěn)問題更頻繁。近年來，風力發(fā)電機組通過虛擬慣性控制、超速控制、變槳控制，進行有功功率控制，參與電網調頻。文獻[3]中風電場采用轉速和槳距角控制，將一次調頻死區(qū)設置得較常規(guī)機組偏大以解決機組振動的增大，進行頻率擾動實驗，驗證得出風電場一次調頻指標與傳統(tǒng)的水電機組一次調頻規(guī)定指標基本相同。但對風電場自身進行調頻控制，風電機組長時間出力，調頻動作頻繁。文獻[4]針對頻率的二次跌落問題，采用風電機組變比例系數(shù)調速控制策略和儲能協(xié)同風電機組提供調頻響應的兩層協(xié)同控制策略，提高系統(tǒng)恢復同步穩(wěn)定的動態(tài)特性，降低同步發(fā)電機參與有功調節(jié)速度要求。文獻[5-6]采用飛輪儲能輔助一次調頻可以減少電力系統(tǒng)頻率偏差變化量和聯(lián)絡線上交換功率的變化范圍并且減輕火電機組調頻負擔，減少火電機組輸出功率的變化范圍，延長機組壽命，飛輪儲能采用虛擬下垂控制，對頻率偏差值處于死區(qū)內和死區(qū)外的工況進行仿真驗證。研究基于火電機組，火電機組具有慣性，自身可進行調頻，但新能源需配合調頻控制進行調頻，且隨機性強，輸出功率不穩(wěn)定。在當今現(xiàn)代電力系統(tǒng)慣性效應和阻尼能力較弱的應用場景下，缺少輔助新能源調頻的應用。文獻[7]采用飛輪儲能輔助一次調頻可以減少電力系統(tǒng)頻率偏差變化量和聯(lián)絡線上交換功率的變化范圍并且減輕火電機組調頻負擔，縮小火電機組輸出功率的變化范圍，延長機組壽命。文獻[8]在3種場景下，飛輪儲能采用虛擬下垂控制，頻率偏差正則飛輪充電，頻率偏差負則飛輪放電，相比于無儲能頻率偏差減小。
針對以上問題，本文以新能源為背景研究飛輪儲能輔助風電場一次調頻控制，彌補風電場在一次調頻中的功率缺額。飛輪儲能參與一次調頻，模擬傳統(tǒng)同步電機特性，使系統(tǒng)的轉速與頻率耦合，進而減少最大頻率偏差和響應速度。飛輪儲能參考功率為濾波后的功率減去風電場實際輸出功率，但風電場的輸出功率根據(jù)自然風速隨機變化，可能會導致飛輪長期運行至較高或較低轉速的狀態(tài)，在風速驟變時甚至會引起飛輪轉速越限，高速旋轉的飛輪轉子振動會導致飛輪保護外殼損壞，高速旋轉的飛輪轉子飛出實驗平臺，缺少對飛輪轉速的限制。采用虛擬下垂控制結合模糊規(guī)則限制飛輪的轉速，使其轉速控制在給定的范圍內，進而輔助風電場一次調頻。
1 風儲聯(lián)合系統(tǒng)頻率特性及容量配置
風力發(fā)電具有波動性、隨機性和間歇性的特點，電力電子裝置接入電網會導致電網的慣性降低，變頻器的存在會使轉子轉速與電網頻率解耦，阻斷風力發(fā)電機組對系統(tǒng)頻率變化的響應，使得風電機組無法實現(xiàn)慣性響應和一次頻率調節(jié)。對比其他功率型儲能，例如超級電容器、超導磁儲能、抽水儲能，飛輪儲能持續(xù)釋能時間為1 s到15 min，響應負荷為毫秒級，具有持續(xù)釋能時間長、響應負荷快速的特點，可以有效平緩風電場的輸出功率，進而調節(jié)電網頻率。
1.1 系統(tǒng)頻率特性模型
一次調頻屬于秒級，電力系統(tǒng)中的調速器及原動機來不及響應，則忽略發(fā)電機組調速器和原動機模型，簡化頻率響應模型如圖1。
圖 1 簡化頻率響應模型
得出簡化頻率響應模型中系統(tǒng)頻率特性模型傳遞函數(shù)為：
式中，M=2H0為慣性時間常數(shù)，慣性常數(shù)H0取4；負荷有功頻率響應系數(shù)D0取2。
風電機組虛擬慣性控制技術提供類似于傳統(tǒng)機組的轉動慣量。其頻率模型傳遞函數(shù)為：
式中，krf為慣性響應系數(shù)；Tr為虛擬慣性響應時間常數(shù)；圖片Pr為虛擬慣性提供功率。
飛輪儲能輔助風電場的系統(tǒng)頻率模型傳遞函數(shù)為：
式中，GE(s)為飛輪儲能的傳遞函數(shù)，儲能系統(tǒng)的慣性響應系數(shù)與一次調頻系數(shù)和風電場的慣性響應系數(shù)保持一致。
飛輪儲能輔助風電場的系統(tǒng)頻率控制模型如圖2，其中fref為系統(tǒng)額定頻率、圖片pW為風電機組功率增量、圖片PF為飛輪儲能功率增量、圖片PG為除風儲系統(tǒng)外其他能源參與一次調頻的有功功率增量、圖片PL為負荷功率增量、圖片f為實際頻率與額定頻率偏差。
圖 2 系統(tǒng)頻率控制模型
風儲聯(lián)合系統(tǒng)和有功負荷的功率偏差導致系統(tǒng)頻率偏差，當圖片P為正時，系統(tǒng)頻率低于額定頻率；圖片P為負時，系統(tǒng)頻率高于額定頻率，見式(4)。
1.2 風儲聯(lián)合系統(tǒng)容量配置
根據(jù)系統(tǒng)頻率特性，風電場和儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)頻率調節(jié)的容量配比，采用風電場額定功率發(fā)電，滿足任意風速下風電場對儲能功率和容量的需求。
風電場(額定功率為PW，單位MW)提供類似傳統(tǒng)電源的慣性響應H時，其提供功率Ph和需求容量Eh分別為：
在固定的儲能SOC運行區(qū)間范圍內，儲能系統(tǒng)ηsocmin=30%，ηsoc(0)=50%時，圖片=15%PW(MW)，Er=0.2085 PW(kWh)。
根據(jù)上述計算50 MW的風電場，儲能調頻功率和容量需求為7.5 MW和75 kWh，額定功率下充放電時間為36 s。風儲聯(lián)合系統(tǒng)結構拓撲如圖3，系統(tǒng)額定風速為12 m/s，風電場額定容量為50 MW，同步機模擬電網，額定容量為400 MW，飛輪儲能額定容量為7.5 MW，負荷為112.5 MW。系統(tǒng)功率達到平衡，頻率保持在0.05 Hz調頻死區(qū)范圍內。其中風電場一次調頻容量為額定容量的16%，飛輪儲能額定容量為風電場額定容量的15%，同步機輸出功率為55 MW。
圖 3 風儲聯(lián)合系統(tǒng)結構拓撲
2 一次調頻控制策略
2.1 風電場調頻控制器設計
風電并網的電力系統(tǒng)慣性常數(shù)為:
由于電力電子變流器裝置的接入，當風力發(fā)電機組無法提供慣性響應時，JDFIG,jwr2=0，則電網慣性時間常數(shù)減少。
由于風力發(fā)電機組工作在最大功率跟蹤狀態(tài)下，不具備備用容量，無法為電網提供一次頻率響應。風電機組的并網，替代了傳統(tǒng)同步發(fā)電機組，電力系統(tǒng)頻率偏差增大。
系統(tǒng)負荷突變，隨著風電滲透率的逐漸提高，系統(tǒng)頻率下跌幅度逐漸增大。電網頻率由轉子轉速決定，變流器兩端的風力發(fā)電機組的輸入機械功率與電網側輸出電磁功率解耦，無法通過轉子釋放或吸收能量響應電網頻率變化。附加虛擬慣性控制，在擾動發(fā)生前，針對短期頻率控制，采用虛擬慣性控制，釋放風力發(fā)電機組旋轉系統(tǒng)中存儲的動能，補償有功功率缺額；虛擬慣性控制框圖如圖4。
圖 4 虛擬慣性控制框圖
有功功率輸出為：
式中，Kp為比例系數(shù)，其大小決定風電機組慣性控制的調頻效果。此時瞬時電網頻率為：
慣性控制為系統(tǒng)頻率提供支撐，慣性控制系數(shù)越大，系統(tǒng)頻率變化越小，但過大會使風電機組失速。風力發(fā)電機偏離最大功率模型，采用飛輪儲能在電網出現(xiàn)功率波動時，提供穩(wěn)定的有功功率支持，實現(xiàn)風力發(fā)電機減載運行。
2.2 飛輪儲能調頻控制器設計
飛輪儲能系統(tǒng)輔助風電機組一次調頻是通過跟隨電網頻差信號實現(xiàn)的。當頻率偏差未超過一次調頻死區(qū)時，飛輪保持在額定轉速附近，處于保持狀態(tài)，等待接收控制信號，此時飛輪儲能不出力。
當頻率偏差超過一次調頻死區(qū)時，飛輪儲能接收控制信號，快速彌補風電機組一次調頻功率缺額，改善風電機組調頻性能。當頻率偏差為正值時，飛輪處于釋能狀態(tài)，飛輪轉子拖動發(fā)電機發(fā)電，電能經雙向AC/DC變換器流向電網，動能轉化為電能。當頻率偏差為負值時，飛輪處于儲能狀態(tài)，電能經雙向AC/DC變換器驅動電機加速，電機帶動飛輪轉子，電能轉化為動能。
本文研究的飛輪儲能系統(tǒng)采用表貼式永磁同步電機作為飛輪電機，采用圖片控制。機側變流器采用轉速外環(huán)的控制方式對飛輪轉速進行限制，由于系統(tǒng)頻率和功率相關，則根據(jù)能量關系，即對功率積分，飛輪儲能的參考儲存能量為：
同時為提高機側變流器電能質量減少轉矩脈動，采用電流控制作為控制內環(huán)。飛輪儲能機側控制框圖如圖5。
圖 5 飛輪儲能機側控制框圖
飛輪儲能補償風電場的輸出功率，使得風電場輸出功率減少，補償風電場的有功出力，其中飛輪儲能參考功率為：
當系統(tǒng)頻率超過調頻死區(qū)時，對儲能增加虛擬下垂控制調節(jié)系統(tǒng)頻率，控制框圖如圖6。
圖 6 虛擬下垂控制框圖
其中Kp1為下垂系數(shù)，Kp為虛擬慣性系數(shù)，其大小關系著儲能系統(tǒng)的調頻能力。
當在大于5 s的時間間隔里，出現(xiàn)2次連續(xù)同向的負荷擾動，且第2次擾動功率比第1次低時，功率缺額會出現(xiàn)反調問題。此時系統(tǒng)的功率缺額為：
3 計及模糊邏輯控制器的風儲聯(lián)合調頻策略
系統(tǒng)在慣性響應階段，風機的虛擬慣性控制進行動作，當頻率偏差超過調頻死區(qū)時，飛輪儲能參與一次調頻。飛輪儲能參考功率為濾波后的功率減去風電場實際輸出功率，但風電場的輸出功率根據(jù)自然風速隨機變化，可能會導致飛輪長期運行至較高或較低轉速的狀態(tài)，在風速驟變時甚至會引起飛輪轉速越限。在虛擬下垂控制中加入模糊邏輯控制器，以限制飛輪轉速。
改進虛擬下垂控制框圖如圖7。模糊邏輯控制器中輸入為頻率偏差圖片∈[-0.1,0.1]和轉速V∈[0,1]；輸出為功率參考值圖片P1∈[-1,1]。根據(jù)接近平衡點采用偏差小陡峭的高分辨率隸屬度函數(shù)，遠離平衡點采用偏差大平滑的低分辨率隸屬度函數(shù)的原則。隸屬度函數(shù)如圖8所示。
圖 7 改進虛擬下垂控制框圖
圖 8 輸入和輸出變量的隸屬度函數(shù)
設計模糊邏輯的基本思想：飛輪最高轉速為20000 r/min，當飛輪轉速在2000 r/min到4000 r/min范圍內時，若頻率偏差為正，則減少飛輪的參考功率，即多充電少放電；當飛輪轉速在16000 r/min到18000 r/min范圍內時，若頻率偏差為負，則增加飛輪的參考功率，即多放電少充電。即始終保持飛輪轉速在最高轉速的20%~80%范圍內。頻率偏差圖片的模糊語言為{NB(負大),NM(負中),NS(負小),ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域為[-0.1, -0.06, -0.02, 0.02, 0.06, 0.1]；轉速圖片的模糊語言為{NB(負大), NM(負中), NS(負小), ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域為[0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1]；功率參考值圖片的模糊語言為{NB(負大), NM(負中), NS(負小), ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域為[0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1]。
根據(jù)輸入量和輸出量的規(guī)則制定模糊規(guī)則表如表1所示。觀測曲線圖如圖9所示。
表1 模糊規(guī)則表
圖 9 觀測曲線圖
4 仿真分析及實驗驗證
4.1 系統(tǒng)描述
由于無窮大系統(tǒng)中，理想電壓源模擬電網，電網電壓被鉗位，無動態(tài)特性；且無窮大系統(tǒng)輸出功率為無窮大，不能用改變負載來決定頻率變化。根據(jù)上述限制和實際情況，可用同步機模擬電網，此時電網電壓存在動態(tài)特性，可以模擬出增減負載而引起的頻率下降和上升的工況。
風機額定風速為12 m/s，風電場額定容量為50 MW。采用同步機模擬電網，額定容量為400 MW，飛輪儲能額定容量為7.5 MW，負荷為112.5 MW。系統(tǒng)功率達到平衡，頻率保持在0.05 Hz調頻死區(qū)范圍內。其中風電場一次調頻容量為額定容量的16%，飛輪儲能額定容量為風電場額定容量的15%，同步機輸出功率為55 MW。分別在階躍負荷擾動和連續(xù)負荷擾動2種典型工況下，對風電系統(tǒng)、虛擬下垂控制下的飛輪儲能輔助風電系統(tǒng)、改進策略下的飛輪儲能輔助風電系統(tǒng)進行對比調頻效果，驗證所提策略的有效性。實驗結構圖如圖10，實驗設備如圖11。
圖 10 實驗結構圖
圖 11 硬件在環(huán)實驗設備
實驗采用具有高性能Intel Xeco CPU和Xilinx UltraScaleFPGA的實時仿真器Modeling Tech8020連接具有模擬量輸入接口和PWM輸出接口以及寬范圍的數(shù)字電平接入的快速控制原型機Modeling Tech1070，通過上位機進行控制，使用示波器實時觀察數(shù)據(jù)，搭建硬件在環(huán)實驗平臺。
4.2 階躍擾動工況
系統(tǒng)突加7MW的負荷，當飛輪儲能采用虛擬下垂控制時，突增負荷時系統(tǒng)頻率及電流如圖12，系統(tǒng)頻率及總輸出功率如圖13，圖14和圖15為圖13的局部放大圖。當飛輪儲能采用改進控制時，系統(tǒng)頻率及總輸出功率如圖16，圖17和圖18為圖16的局部放大圖。
圖 12 系統(tǒng)頻率及電流Ia
圖 13 虛擬下垂控制的頻率和功率圖
圖 14 頻率放大10倍效果圖
圖 15 功率放大20倍效果圖
圖 16 改進控制的頻率和功率圖
圖 17 頻率放大10倍效果圖
圖 18 功率放大20倍效果圖
由圖12~圖18可知，在系統(tǒng)頻率跌落時，電流Ia通過20 ms由1450 A上升到1650 A，母線電壓保持35 kV不變，輸出功率為7 MW，與突增負荷量相同，此時系統(tǒng)輸出功率與輸入功率達到平衡狀態(tài)，但負荷特性曲線上升，發(fā)電機特性曲線不變，導致系統(tǒng)頻率下降。通過實驗結果對階躍負荷擾動工況下虛擬下垂控制和改進控制的頻率評價指標進行分析，表2為階躍負荷擾動下的頻率評價指標，其中|圖片fmax|為最大頻率偏差，圖片fs為穩(wěn)態(tài)頻率偏差。
表 2 階躍負荷擾動下的系統(tǒng)頻率評價指標
相比虛擬下垂控制策略，改進控制策略對系統(tǒng)的頻率偏差抑制作用更強，最大頻率偏差降低了0.005 Hz，在頻率恢復方面，改進控制策略與虛擬下垂控制策略的穩(wěn)態(tài)頻率偏差一致，可見改進控制策略下風儲聯(lián)合系統(tǒng)可以更好地保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
表3為階躍負荷擾動下的出力評價指標，其中td為滯后時間、tup為上升時間、ts為調節(jié)時間。
表 3 階躍負荷擾動下的出力評價指標
改進控制策略相較于虛擬下垂控制，滯后時間、上升時間、調節(jié)時間分別縮短了0.004 s、0.036 s、0.04 s，改進控制策略下飛輪儲能輔助風電系統(tǒng)輸出功率響應速度更快。綜合以上指標，改進控制策略下的頻率評價指標優(yōu)于虛擬下垂控制策略。
改進控制策略的評價指標優(yōu)于虛擬下垂控制的原因為：當頻率變化時，飛輪快速響應，短時間內釋放出存儲的能量。在虛擬下垂控制下，頻率經過640 ms由50 Hz下降到48.85 Hz，總輸出功率經過39 ms由112.5 MW增加至119.5 MW；在改進控制下，頻率經過600 ms由50 Hz下降到48.85 Hz，總輸出功率經過2 ms由112.5 MW增加至119.5 MW。
4.3 連續(xù)擾動工況
為驗證風電場在連續(xù)負荷擾動工況下的系統(tǒng)調頻效果，選取一天內風電場內隨機風速作為負荷擾動。連續(xù)擾動下系統(tǒng)頻率、風機輸出功率、飛輪儲能的電磁轉矩、飛輪儲能的q軸電流、飛輪儲能的轉速、飛輪儲能的輸出功率如圖19~圖24所示。
圖19 系統(tǒng)頻率偏差曲線
圖 20 風機輸出功率曲線
圖 21 飛輪儲能電磁轉矩
圖 22 飛輪儲能q軸電流曲線
圖 23 飛輪儲能轉速曲線
圖 24 飛輪儲能輸出功率曲線
由圖19可知，無儲能、虛擬下垂控制策略、改進控制策略下系統(tǒng)頻率偏差峰值分別為-49.93 Hz、-49.94 Hz、-49.97 Hz，虛擬下垂和改進策略下頻率偏差峰值分別下降了0.01 Hz、0.03 Hz。說明利用飛輪輔助風電場調頻可以有效減少頻率波動，改進控制策略的調頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
頻率偏差峰值下降的原因由圖20~圖24可知，當頻率變化時，飛輪儲能快速響應，釋放存儲的能量，對比無儲能方式，虛擬下垂控制策略和改進控制策略下的風機輸出功率分別減少了100 kW、200 kW。且可看出q軸電流與電磁轉矩成正比關系，電磁轉矩乘以轉速為輸出功率。
5 結 論
在新能源逐漸取代以火電為代表的傳統(tǒng)能源，新能源滲透率逐漸提高的場景下，討論風電場調頻措施及飛輪儲能對電網頻率的影響。仿真分析及實驗驗證了飛輪儲能輔助風電場調頻的準確性以及可行性。得到以下結論：
（1）飛輪儲能具有持續(xù)釋能時間長、響應負荷快速的特點，輸入功率根據(jù)風電場輸出功率變化，在風速驟變時會引起飛輪轉速越限。在虛擬下垂控制中加入模糊邏輯控制器，限制飛輪轉速，通過驗證改進方法的調頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
（2）實驗中分別針對階躍負荷擾動和連續(xù)負荷擾動2種典型工況下進行對比分析，對比結果證明飛輪儲能可以有效調頻，且本文控制策略的調頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
（3）當前研究對飛輪儲能的控制策略采用傳統(tǒng)的控制方式，可對系統(tǒng)控制策略進行改進，增加系統(tǒng)的抗擾性。
