合理利用風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的能量儲備協(xié)同實(shí)現(xiàn)虛擬慣量支撐是新能源高滲透安全并網(wǎng)的關(guān)鍵。華北電力大學(xué)新能源并網(wǎng)課題研究團(tuán)隊(duì)通過分析風(fēng)電、儲能的虛擬慣性響應(yīng)特性，建立了風(fēng)儲系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，計(jì)算了系統(tǒng)慣性響應(yīng)時(shí)間，并以頻率變化率為安全約束，結(jié)合系統(tǒng)慣量需求，提出了風(fēng)儲協(xié)同慣性支撐控制策略。
研究背景
不具備主動(dòng)頻率支撐能力的新能源占比不斷提高，導(dǎo)致系統(tǒng)慣量水平下降，頻率安全已受到威脅。近年來，在新能源場站規(guī)劃中，響應(yīng)速度快、控制靈活的儲能受到了廣泛關(guān)注，成為了輔助新能源調(diào)頻的重要設(shè)備。在新能源高占比電網(wǎng)中，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能與儲能的存儲能量均可視為系統(tǒng)慣性支撐的能量儲備。通過風(fēng)儲協(xié)同充分發(fā)揮新能源的頻率支撐潛力，將是提升新型電力系統(tǒng)頻率安全的關(guān)鍵。
論文所解決的問題及意義
目前，虛擬慣量控制多以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，并未計(jì)算頻率跌落時(shí)間這一關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)致虛擬慣量評估難度較大，且控制器啟停需依賴頻率變化率，具有造成頻率二次跌落的風(fēng)險(xiǎn)。如何為新能源頻率控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，避免其誤動(dòng)作尚需進(jìn)一步探討。在風(fēng)電機(jī)組與儲能協(xié)同并網(wǎng)支撐模式中，須在虛擬慣量評估的基礎(chǔ)上，及時(shí)啟停附加控制，才能可靠提升新能源的頻率支撐性能。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
(1)慣性響應(yīng)時(shí)間計(jì)算
隨著風(fēng)電滲透率的提升，系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力逐漸降低，所以系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中需引入表征風(fēng)電滲透率的變量。風(fēng)電滲透率為ρ時(shí)，系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖1所示。
圖1 計(jì)及風(fēng)儲的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型
將系統(tǒng)典型參數(shù)代入模型，即可計(jì)算出慣性響應(yīng)時(shí)間大小。當(dāng)虛擬慣量設(shè)置不同時(shí)，系統(tǒng)遭受相同擾動(dòng)后的頻率動(dòng)態(tài)變化特性如圖2所示，由于虛擬慣量增大會(huì)減小系統(tǒng)頻率變化率，所以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時(shí)間隨之增加。
圖2 附加虛擬慣性控制時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)
(2)系統(tǒng)最小慣量需求評估
在低慣性風(fēng)電高占比系統(tǒng)中，頻率變化率將是衡量頻率安全的關(guān)鍵指標(biāo)。擾動(dòng)初期，沒有發(fā)電機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，系統(tǒng)頻率取決于慣量大小，此時(shí)頻率變化率最大，可依據(jù)最大頻率變化率允許值評估得到系統(tǒng)最小慣量需求，評估結(jié)果如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)慣量需求和最大頻率變化率及擾動(dòng)功率的關(guān)系
(3)風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略
為滿足系統(tǒng)最小慣量需求，在慣性響應(yīng)階段風(fēng)儲需聯(lián)合參與調(diào)頻以滿足系統(tǒng)最小慣量需求。其中，在頻率跌落階段，系統(tǒng)慣量不足時(shí)，優(yōu)先考慮風(fēng)機(jī)提供虛擬慣量。當(dāng)風(fēng)機(jī)出力無法滿足系統(tǒng)最小慣量需求時(shí)，儲能啟動(dòng)虛擬慣性控制滿足系統(tǒng)需求。在頻率恢復(fù)階段，將計(jì)算所得的慣性響應(yīng)時(shí)間作為風(fēng)機(jī)、儲能慣性響應(yīng)的閉鎖條件，避免風(fēng)、儲能吸收功率阻止頻率恢復(fù)。
圖4 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的虛擬慣性協(xié)同支撐控制器結(jié)構(gòu)
結(jié)論
為提升風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的慣量支撐性能，本文將慣性響應(yīng)時(shí)間作為虛擬慣性時(shí)間的啟停條件，并以系統(tǒng)慣量需求為前提，提出了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)虛擬慣量協(xié)同控制策略，合理分配風(fēng)電場與儲能慣量支撐任務(wù)，測試結(jié)果表明所提方法能使風(fēng)儲慣性支撐功率在規(guī)定時(shí)間內(nèi)退出，可以減小系統(tǒng)頻率恢復(fù)過程中的超調(diào)量，有利于系統(tǒng)頻率恢復(fù)，調(diào)頻效果優(yōu)于傳統(tǒng)頻率支撐控制。
本工作成果發(fā)表在2024年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的虛擬慣量需求與協(xié)同支撐”。本課題得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的支持。
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