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国网冀北电力有限公司刘辉、葛俊等:风电场参与电网一次调频最优方案选择与风储协调控制策略研究

原文发表在《全球能源互联网》2019年第1期,欢迎品读。


本文引文信息

刘辉, 葛俊, 巩宇, 刘汉民, 肖飞. 风电场参与电网一次调频最优方案选择与风储协调控制策略研究, 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:刘辉1,2,葛俊3,巩宇1,2,刘汉民4,肖飞5  

单位:1. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院 2. 风光储并网运行技术国家电网公司重点实验室 3 . 国网冀北电力有限公司 4. 国网新源张家口风光储示范电站有限公司  5. 西安许继电力电子技术有限公司



引言

随着中国能源结构改革的深化,新能源装机占比持续增加。风电、光伏等新型能源大多以电力电子设备并网,高比例新能源接入和高度电力电子化将成为电力系统的重要特征,由于新能源发电设备不具备响应系统频率变化的惯量和一次调频能力,当面临由于直流闭锁、故障切机或负荷突变等原因导致系统频率偏离时,其安全稳定运行将受到威胁。本文将对规模化储能联合新能源电站参与电网一次调频的可行性与经济性进行分析,并提出一种风电场一次调频最优方案


新能源电站一次调频必要性分析


1. 大电网频率特性分析

对华北电网某35kV母线PMU频率数据进行长期统计,随机抽取一天频率如图(a)所示,看出该地区电网正常运行工况下频率波动范围在 50±0.04Hz以内,频率日越过火电机组调频死区±0.033 Hz的总次数为1670次,其中越上限720次,越下限950次;图(b)为其中1小时的频率曲线,观察图中A区域,当电网频率越过一次调频死区上限,地区火电机组一次调频功能启动,频率被调整回正常范围。



某35kV母线频率曲线

为研究系统在功率缺额情况下电网的频率特性,统计了近十年内中国电力系统中较严重的频率波动事件。可以发现:功率缺额较小时(3%pu以内),频率降低值与缺额值成正比关系,1%的功率缺额将导致系统频率最低点下降约0.08Hz,频率最低值出现的时间在故障发生后的10s之内;功率缺额较大时,单位功率缺额引起的频率最低点下降越严重,最低点出现的时间越晚。


2. 高比例新能源电力系统频率特性仿真分析

为分析新能源装机占比提升后电力系统的频率特性,针对华北电网新能源装机占比为0%、21%和50%这3种系统进行仿真研究,得到了系统发生5%功率缺额后电网频率动态特性曲线图。说明如果新能源机组不具备一次调频能力,随着新能源装机占比的提升,电网对功率突变事件的抗干扰能力将大为削弱。

不同新能源占比场景下系统频率特性


新能源电站一次调频方案技术经济性分析


1. 新能源调频与火电调频的类比关系

由于光伏、风机等新能源机组一般运行在MPPT模式,类比火电一次调频原理可总结新能源机组参与电网一次调频需具备两个基本条件:① 采用类似调速器的虚拟同步发电机控制;② 预留备用功率。

火电一次调频原理

新能源机组与火电机组一次调频类比关系


2. 风电场一次调频方案技术经济性分析

通过仿真及对比分析得到,预留备用方案调频性能与火电相当且可长期有功支撑,但经济损失巨大;释放转子惯量控制方案只需修改机组控制软件不增加一次投资,但频率二次跌落无法消除且过大;相比之下,配置储能方案仅需一次性投入且投资额可接受,其调频性能优于火电,且在后续运行中储能可通过减少弃风弃光、平滑出力等综合应用模式为业主增加收益,所以新能源电站配置集中式储能是最佳的一次调频方案。

三种应用模式技术经济性对比


3. 风储协调控制策略

由于一次调频所需虚拟惯量具有尖峰特征,若仅由储能提供一次调频附加功率,储能峰值功率利用时间短,功率利用率低,由此提出风电转子惯量释放和储能稳态支撑的协调控制策略:虚拟惯量等短时功率尖峰由风电承担,一次调频所需要的稳态功率由储能承担,如图8所示。

风储协调控制策略示意图

基于本文所提风储协同调频控制策略,模拟风电装机容量占比为20%的电力系统中发生5%功率缺额事件后,在6.2 m/s,8.6 m/s和11.2 m/s 3种风速条件下时储能系统的调频容量需求,仿真得到风速11.2 m/s时储能容量需求最多,为风电场装机容量的5.9%,相比储能单独承担调频任务时8% pu时减少了26%。

风速11.2 m/s时风储协调策略一次调频曲线


结论


1)若新能源机组不具备一次调频功能,随着新能源装机占比的提升,电网对功率突变事件的抗干扰能力将被大大削弱,频率特性严重恶化;

2)类比火电机组一次调频原理,提出新能源机组参与电网一次调频需具备虚拟同步发电机控制和预留备用两个基本条件;

3)对比研究了风电机组预留备用、释放转子惯量、配置储能3种调频方案的可行性与经济性,集中配置储能是新能源电站最佳的调频方式;

4)提出了一种风储协调风电场一次调频控制策略,采用此策略可将储能容量配置减少26%,大大提高了储能参与一次调频的经济性。


作者简介

刘  辉


博士,国网冀北电力有限公司电力科学研究院新能源所所长,教授级高级工程师,主要研究方向为新能源并网技术及电力系统稳定性分析。

葛  俊


博士,国网冀北电力有限公司副总经理,教授级高级工程师,主要研究方向为电力系统运行管理、新能源并网技术。

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编辑张鹏

审核:白恺


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