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劉輝, 葛俊, 鞏宇, 劉漢民, 肖飛. 風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻最優(yōu)方案選擇與風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略研究, 2019, 2(1): 44-52
Liu Hui, Ge Jun, Gong Yu, Liu Hanmin, Xiao Fei. Optimization Scheme Selection of Wind Farm Participation in Grid Primary Frequency Regulation and Study of Wind-Storage Coordination Control Strategy. 2019, 2(1): 44-52(in Chinese).
作者：劉輝1,2，葛俊3，鞏宇1,2，劉漢民4，肖飛5
單位：1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院 2. 風(fēng)光儲(chǔ)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3 . 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 4. 國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司 5. 西安許繼電力電子技術(shù)有限公司
引言
隨著中國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的深化，新能源裝機(jī)占比持續(xù)增加。風(fēng)電、光伏等新型能源大多以電力電子設(shè)備并網(wǎng)，高比例新能源接入和高度電力電子化將成為電力系統(tǒng)的重要特征，由于新能源發(fā)電設(shè)備不具備響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的慣量和一次調(diào)頻能力，當(dāng)面臨由于直流閉鎖、故障切機(jī)或負(fù)荷突變等原因?qū)е孪到y(tǒng)頻率偏離時(shí)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行將受到威脅。本文將對(duì)規(guī)模化儲(chǔ)能聯(lián)合新能源電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的可行性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并提出一種風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻最優(yōu)方案。
新能源電站一次調(diào)頻必要性分析
1. 大電網(wǎng)頻率特性分析
對(duì)華北電網(wǎng)某35kV母線PMU頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)抽取一天頻率如圖（a）所示，看出該地區(qū)電網(wǎng)正常運(yùn)行工況下頻率波動(dòng)范圍在 50±0.04Hz以內(nèi)，頻率日越過火電機(jī)組調(diào)頻死區(qū)±0.033 Hz的總次數(shù)為1670次，其中越上限720次，越下限950次；圖（b）為其中1小時(shí)的頻率曲線，觀察圖中A區(qū)域，當(dāng)電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻死區(qū)上限，地區(qū)火電機(jī)組一次調(diào)頻功能啟動(dòng)，頻率被調(diào)整回正常范圍。
? 某35kV母線頻率曲線
為研究系統(tǒng)在功率缺額情況下電網(wǎng)的頻率特性，統(tǒng)計(jì)了近十年內(nèi)中國(guó)電力系統(tǒng)中較嚴(yán)重的頻率波動(dòng)事件?？梢园l(fā)現(xiàn)：功率缺額較小時(shí)（3%pu以內(nèi)），頻率降低值與缺額值成正比關(guān)系，1%的功率缺額將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)下降約0.08Hz，頻率最低值出現(xiàn)的時(shí)間在故障發(fā)生后的10s之內(nèi)；功率缺額較大時(shí)，單位功率缺額引起的頻率最低點(diǎn)下降越嚴(yán)重，最低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間越晚。
2. 高比例新能源電力系統(tǒng)頻率特性仿真分析
為分析新能源裝機(jī)占比提升后電力系統(tǒng)的頻率特性，針對(duì)華北電網(wǎng)新能源裝機(jī)占比為0%、21%和50%這3種系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，得到了系統(tǒng)發(fā)生5%功率缺額后電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性曲線圖。說明如果新能源機(jī)組不具備一次調(diào)頻能力，隨著新能源裝機(jī)占比的提升，電網(wǎng)對(duì)功率突變事件的抗干擾能力將大為削弱。
? 不同新能源占比場(chǎng)景下系統(tǒng)頻率特性
新能源電站一次調(diào)頻方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
1. 新能源調(diào)頻與火電調(diào)頻的類比關(guān)系
由于光伏、風(fēng)機(jī)等新能源機(jī)組一般運(yùn)行在MPPT模式，類比火電一次調(diào)頻原理可總結(jié)新能源機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻需具備兩個(gè)基本條件：① 采用類似調(diào)速器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制；② 預(yù)留備用功率。
2. 風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
通過仿真及對(duì)比分析得到，預(yù)留備用方案調(diào)頻性能與火電相當(dāng)且可長(zhǎng)期有功支撐，但經(jīng)濟(jì)損失巨大；釋放轉(zhuǎn)子慣量控制方案只需修改機(jī)組控制軟件不增加一次投資，但頻率二次跌落無(wú)法消除且過大；相比之下，配置儲(chǔ)能方案僅需一次性投入且投資額可接受，其調(diào)頻性能優(yōu)于火電，且在后續(xù)運(yùn)行中儲(chǔ)能可通過減少棄風(fēng)棄光、平滑出力等綜合應(yīng)用模式為業(yè)主增加收益，所以新能源電站配置集中式儲(chǔ)能是最佳的一次調(diào)頻方案。
三種應(yīng)用模式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
3. 風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略
由于一次調(diào)頻所需虛擬慣量具有尖峰特征，若僅由儲(chǔ)能提供一次調(diào)頻附加功率，儲(chǔ)能峰值功率利用時(shí)間短，功率利用率低，由此提出風(fēng)電轉(zhuǎn)子慣量釋放和儲(chǔ)能穩(wěn)態(tài)支撐的協(xié)調(diào)控制策略：虛擬慣量等短時(shí)功率尖峰由風(fēng)電承擔(dān)，一次調(diào)頻所需要的穩(wěn)態(tài)功率由儲(chǔ)能承擔(dān)，如圖8所示。
? 風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略示意圖
基于本文所提風(fēng)儲(chǔ)協(xié)同調(diào)頻控制策略，模擬風(fēng)電裝機(jī)容量占比為20%的電力系統(tǒng)中發(fā)生5%功率缺額事件后，在6.2 m/s，8.6 m/s和11.2 m/s 3種風(fēng)速條件下時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻容量需求，仿真得到風(fēng)速11.2 m/s時(shí)儲(chǔ)能容量需求最多，為風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的5.9%，相比儲(chǔ)能單獨(dú)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)時(shí)8% pu時(shí)減少了26%。
? 風(fēng)速11.2 m/s時(shí)風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)策略一次調(diào)頻曲線
結(jié)論
1）若新能源機(jī)組不具備一次調(diào)頻功能，隨著新能源裝機(jī)占比的提升，電網(wǎng)對(duì)功率突變事件的抗干擾能力將被大大削弱，頻率特性嚴(yán)重惡化；
2）類比火電機(jī)組一次調(diào)頻原理，提出新能源機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻需具備虛擬同步發(fā)電機(jī)控制和預(yù)留備用兩個(gè)基本條件；
3）對(duì)比研究了風(fēng)電機(jī)組預(yù)留備用、釋放轉(zhuǎn)子慣量、配置儲(chǔ)能3種調(diào)頻方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，集中配置儲(chǔ)能是新能源電站最佳的調(diào)頻方式；
4）提出了一種風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻控制策略，采用此策略可將儲(chǔ)能容量配置減少26%，大大提高了儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性。
