风储联合调频下的电力系统频率特性分析-高电压技术.pdf
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1、第 41 卷 第 7 期: 2209-2216 高电压技术Vol.41, No.7: 2209-2216 2015 年 7 月 31 日 High Voltage Engineering July 31, 2015 DOI : 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.07.013 风储联合调频下的电力系统频率特性分析 苗福丰,唐西胜,齐智平 (中国科学院电工研究所,北京100190) 摘 要:风电高渗透率下,电力系统对风电场频率调节能力提出了技术要求。考虑风机惯性控制和变桨距控制的 频率响应能力,提出将储能与风电自身调频手段相结合,参与系统频率调节。利用储能的柔性控制作用,
2、弥补风 电机组自身惯性控制时间短和变桨控制响应慢的不足,提高了电力系统频率稳定性。在风电场和储能系统频率特 性模型的基础上,建立了风储联合调频下电力系统的频率特性模型,对比分析了风电调频、储能调频和风储联合 调频下的电力系统频率特性,以及储能的容量配置需求。算例分析表明,风储联合调频需求的功率和容量仅为储 能单独调频的67%和 11.1%,降低了储能配置成本,提高了储能参与风电调频的经济可行性。 关键词 :风力发电;储能;频率特性;频率调节;惯性控制;变桨距控制 Analysis of Frequency Characteristics of Power System Based on Win
3、d Farm-energy Storage Combined Frequency Regulation MIAO Fufeng, TANG Xisheng, QI Zhiping (Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract :The technical requirements of wind plant frequency regulation will be drafted by power system operators with i
4、ts penetration level growing high. Considering frequency response capacity of wind turbine (WT) inertia control and pitch control, we presented a wind farm-energy storage combined frequency regulation (WSCFR) method which utilizes the flexible control characteristics of energy storage system (ESS) t
5、o complement the frequency regulation operation of WT. In such a way, the short duration of inertia control and slow response of pitch control can be avoided and the fre- quency stability of power grid can be improved. Firstly, we established the frequency characteristics models of the corresponding
6、 frequency regulation units, such as WT, ESS, and traditional generator units. Secondly, we set up the fre- quency characteristics model of power system with WSCFR. Finally, the power system frequency characteristic is comparatively analyzed with different frequency regulation method including WT ba
7、sed FR, ESS based FR, and WSCFR based FR along with ESS power and capacity requirements. Result verifies that power and capacity of WSCFR are 67% and 11.1% of only ESS frequency regulation, which reduces the cost of ESS and improves the economic feasibility of wind plants with ESS participating to f
8、requency regulation. Key words :wind power; energy storage; frequency characteristics; frequency regulation; inertial control; pitch control 0引言 1 风力发电在电力系统中的渗透率不断提升 1-2 , 对电网的频率安全提出了挑战:1)变速风电机组采 用电力电子控制和最大功率运行,使其自身基本不 具备惯性响应和一次调频的能力 3-4 ;2)风力发电 的大规模并网,取代了提供调频能力的传统发电机 组,使系统的惯性常数和调频备用容量降低 5。为 保证系统安全稳
9、定运行,一些风电渗透率高的国家 基金资助项目 : 国家重点基础研究发展计划(973 计划) (2012CB215200); 中科院知识创新工程重要方向项目(KGCX2-EW-330) 。 Project supported by National Basic Research Program of China(973 Pro- gram) (2012CB215200), Key Project of the Chinese Academy of Sciences Knowledge Innovation Program(KGCX2-EW-330). 或地区对风电场的频率响应和调节能力提出了技术
10、 要求 6-7 ,如丹麦、德国、加拿大魁北克省等。变速 风电机组通过自身调频方式具备一定的调频能力, 但受转子转速约束和变桨控制响应慢的影响,难以 满足系统调频需求 8 。 大规模储能系统应用于风电场 9-10 ,以保证风 力发电大规模接入后的电力系统安全稳定运行。储 能系统具有响应快速、控制灵活、运行稳定和不受 风电机组运行状态约束的技术特性。因此,在风电 场配置适量储能参与频率调节,可以满足电网对风 电场惯性响应和一次调频的需求。 风电高渗透下电力系统频率特性已引起国内 2210 高电压技术 2015, 41(7) 外学者的广泛关注。文献11基于加权综合的思路 建立了负荷频率特性模型,分析
11、了风电出力波动对 电网频率的影响,但没有考虑风电机组自身的调频 能力。文献 12-13建立了含风电的电力系统频率调 节模型,其中考虑了风电机组的转子惯性控制或变 桨距控制,但转子惯性控制受转速约束调频持续时 间较短,变桨距控制响应速度较慢难以快速提供调 频功率,因此仅依靠机组自身调频方式,难以保证 风电场的调频可信度。文献14建立了含储能和风 电场的电力系统负荷频率特性模型,分析了储能对 系统频率波动的改善作用,由于没有考虑风电调频 手段,造成储能容量配置较高,降低了其工程实用 性。文献 15根据储能荷电状态依次启动储能系统、 风机变桨或传统电源参与系统频率调节,没有利用 不同调频技术的互补特
12、性,降低了其频率调节的技 术经济性。 基于上述分析,本文提出将储能与风电自身调 频相结合的风储联合调频方法,利用二者在响应速 度、可用功率和能量、 运行成本等方面的互补优势, 以较少的储能容量配置使风电场具备类似传统电源 的惯性响应和频率调节能力,提高了风储联合调频 的工程适用性。 1 风储联合调频下的电力系统频率特性 频率控制模型是电力系统频率特性分析的基 础,本文首先介绍风储联合调频下电力系统频率控 制模型。 1.1 风储联合调频下系统频率控制模型 风储联合调频下的系统频率控制模型如图1 所 示,包含传统电源(水电机组、火电机组)、风电场、 储能系统和负荷等调频单元,其中R 为一次调频下
13、垂系数, PL为负荷功率增量, PR为火电机组发 电功率增量, PH为水电机组发电功率增量, PW 为风电场发电功率增量, E P 为储能系统发电功率 增量, f 为实际频率与额定频率偏差, P 为系统 内发电功率与负荷功率偏差。 不同调频单元的频率特性模型是电力系统频 率特性建模和分析的基础。系统频率变化相比于电 压和转子功角动态过程较慢,采用简化的线性频率 控制模型适用于分析功率扰动下的系统频率响应特 性 16 。下文分别介绍风电和储能系统等调频单元的 频率特性模型, 其中汽轮机频率特性模型GR(s)和水 轮机频率特性模型GH(s),请参考文献 17。 图 1电力系统频率控制模型 Fig.
14、1Primary frequency control model of power system 1.1.1 系统频率特性模型 在不考虑发电机组调速器情况下,系统频率特 性模型传递函数 17 为 1 ( ) f G s PMsD = + (1) 式中: M=2H,H 为惯性常数; D 为阻尼常数。 假设风电同比例取代火电和水电机组,风电渗 透渗透率为p 时系统等效惯性常数和其频率特性模 型传递函数分别为: (1)Mp M = - (2) 1 ( ) f Gs PM sD = + (3) 1.1.2 风电频率特性模型 变速风电机组通过增加频率环节对转子惯性 和桨距角控制,可具备惯性响应和一次频率
15、调节能 力。 本文研究转子惯性和变桨距控制两种调频手段, 风电机组模型采用简化一阶滞后传递函数表示 14。 转子惯性通过控制转子侧变流器控制转子速 度的变化, 短时释放 /吸收贮存在风电机组旋转质体 的动能,以快速响应系统频率变化 18。与一次调频 和二次调频相比,转子惯性的时间尺度较小,响应 速度快。另外,惯性响应不需要留有备用功率,受 转速限制其持续时间较短(10 s),而一次调频和二 次调频有备用功率,且持续时间较长 (几十 s到几 min)。 因此,风电机组转子惯性控制技术特性适合模拟传 统电源的惯性响应,其频率模型的传递函数为 df ( ) 1 Pks Gs fT s = - + (
16、4) 式中: df k 为惯性响应系数; T 为转子惯性响应时 间常数; P为转子惯性提供功率。变桨距控制是 通过控制风力机的桨距角,使其处于最大功率点之 下的某一运行点,以留出一定的备用容量。变桨距 控制调节能力较强,调节范围较广,但受机械特性 影响,其响应速度相对较慢,有一定的延迟 13 。因 苗福丰,唐西胜,齐智平:风储联合调频下的电力系统频率特性分析 2211 此,风电机组变桨距控制技术特性适合模拟传统电 源的一次调频,其频率模型的传递函数为 pf ( ) 1 kP Gs fT s = - + (5) 式中: pf k为一次调频系数; T 为变桨距响应时间 常数; P 为变桨距控制提供
17、功率。将变速机组的 惯性控制和变桨距控制相结合,使风电场具备类似 于传统发电机组的惯性响应和一次调频能力,其频 率模型传递函数为 2 dfdfpfpf W 2 ()() ( ) ()1 + = - + k Tskk Tsk Gs T T sTT s (6) 1.1.3 储能系统频率特性模型 储能系统具有响应快速、灵活可控和运行稳定 的技术优势,在风电场配置适量的储能系统,以满 足电力系统对风电场的调频需求,使风电场具备类 似于传统电源的惯性响应和一次调频能力。因此, 储能系统的惯性响应系数kdf和一次调频系数kpf与 风电调频相应参数保持一致。储能模型可以采用一 阶传递函数表示 19-20 ,
18、其中TE为储能响应时间常 数, PE为仅采用储能时提供功率。储能系统频率 模型传递函数为 dfpf E E E ( ) ( ) ( )1 k sk Ps Gs f sT s + = - + (7) 1.1.4 风储联合调频的频率特性模型 储能系统参与风电频率调节,利用其响应快速 和运行稳定的技术特性,弥补风电场自身调频功率 的不足,使风储联合调频系统具备惯性响应和一次 调频能力,满足电力系统对风电场的调频需求,其 频率控制模型如图2。 储能系统频率模型传递函数为 E E 32 dfdfpfpf 32 EEEE ( ) ()() ()()1 P Gs f k T Tsk Tk T Tsk T s
19、 T TT sT TT TT TsTTTs = + - + (8) 风储联合系统频率模型传递函数为 WE WEWE ( )( )( ) PP GsGsGs f + =+ (9) 1.2 电力系统的频率特性 1.2.1 电力系统频率特性模型 基于上述不同调频单元的频率特性模型,依据 不同调频方式下各调频单元的参与度,建立电力系 统频率特性模型。 无风电接入时,系统调频单元为火电和水电机 图 2 风储联合频率特性模型 Fig.2 Frequency characteristics model of wind-storage combined system (WSCS) 组, 按照各自在系统中发电功
20、率比例提供调频服务, 假定 x为火电百分比,其频率特性函数为 s_0 LRH ( ) ( ) 1( )( )(1)( ) fG s Gs PG sxGsx Gs = - -+- (10) 风电不参与调频时,系统调频单元为火电和水 电机组,但系统等效惯性降低,调频单元出力减少, 假定 p为风电渗透率,其频率特性函数为 s_W RH ( ) ( ) 1( )(1)( )(1)( ) G s Gs G spxGsx Gs = - -+- (11) 风储联合调频时, 系统调频单元为火电、水电、 风电和储能,按各自发电功率提供调频服务,其频 率特性为 s_WEf SRHWE ( ) ( ) 1( )(1
21、)( )(1)( )( ) G s Gs GspxGsx GspGs = - -+-+ (12) 风电调频时, WEW ( )( )=GsGs ,其频率特性为 s_Wf SRHW ( ) ( ) 1( )(1)( )(1)( )( ) Gs Gs GspxGsx GspGs = - -+-+ (13) 储能调频时, WEE ( )( )=GsGs ,其频率特性为 s_Ef SRHE ( ) ( ) 1( )(1)( )(1)( )( ) G s Gs G sp xGsx GspG s =- -+-+ (14) 1.2.2 电力系统频率特性分析 采用终值定理(式 (15) 分析电力系统在受到负
22、荷扰动 PL时,稳态频率偏差为 fss_W,无风电接 入时稳态频率偏差为 fss_0,如式 (16),风电高渗透 下稳态频率偏差为 fss_W,如式 (17),风电参与调频 和风储联合调频时稳态频率偏差为 fss_Wf如式 (18): L sss 00 lim( )lim( ) ss P fs f ss G s s =? (15) ss_ 0L 1+ R fP DR = (16) ss_WL (1)+ R fP pDR = - (17) ss_WfL pf (1)+ R fP ppkRDR = -+ (18) 2212 高电压技术 2015, 41(7) 从式 (16)- (18)可以看出:
23、1)系统频率偏差与阻 尼特性 D 、下垂特性R 和扰动大小 L P 有关; 2) 风电不参与调频时,风电渗透率的提升造成系统稳 态频率偏差增大; 3)风电参与调频时, 可通过一次 调频系统kpf灵活调节稳态频率偏差, kpf=1/R 时, 风电接入后频率偏差不变;4) 风储联合调频的稳态 频率偏差与风电调频基本相同,表明受容量限制储 能系统难以持续提供调频功率,对稳态频率偏差基 本没有影响。 依据不同调频方式下的电力系统频率特性函 数(式(11)- (13),采用 Bode 图分析其幅频特性,如 图 3。 其中火电、水电参数参考文献17中的典型值, 火电与水电机组发电功率分别为80%和 20%
24、,即 80%x =;风电渗透率为20%,即 20%p = ;系统 等效惯性时间常数H 为 4 s,阻尼常数D 为 2;风 电惯性 kdf和一次调频系数kpf分别为 8 和 20,惯性 响应 T和变桨时间常数 T为 0.1 s 和 3 s; 储能时间 常数 TE取为 0.3 s。 在相同的系统功率不平衡条件下,由图 3 可知: 1)风电无调频Gs_W(s)的幅值比风电参与调频 s_Wf( ) Gs 和风储联合调频 s_WEf ( )Gs 高,表明风电无 调频时系统频率偏差较大;2)在0.2 Hzf 频段, 风电调频s_Wf( )Gs 与风储联合调频s_WEf( )Gs 的幅值 相等,说明在两种调
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- 联合 调频 电力系统 频率特性 分析 电压 技术
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