储能参与调频的高比例风电电力系统运行经济性分析潘星余

储能参与调频的高比例风电电力系统运行经济性分析潘星余

广东电网有限责任公司清远清新供电局，广东清远，511800

摘要：目前，常用风力发电机主要分为鼠笼式恒速风力发电机组和变速恒速风力发电机组。与电网紧密相连的鼠笼式恒速机组可自动为电力系统提供惯性响应支撑。目前，最广泛使用的发电机组是变速恒频风力发电机组。变速恒频风力发电机组应采用附加控制模式应对系统变频，实现方法主要是:采用风力发电机组主动功率控制本身，并对附加储能系统进行控制。其中，风力发电机组的主动功率控制本身分为转子动能控制(kec)和后备功率控制(PRC)。用于控制转子动能的方法有虚拟惯性控制、垂直控制和综合惯性控制；电源应急命令采用螺旋桨角度控制、转子转速控制和两种控制的协调控制方法；补充储能系统分为惰性飞轮、电池、超导、超级电容器和燃料电池储能系统等不同的储能模式。为了实现系统中风电场不同单位之间以及风电场与其他发电厂之间的协调控制，将智能算法和虚拟同步发电机技术逐步应用于电力系统。

关键词：储能参与调频；风电电力系统；运行经济性

引言

可变速风电机组可以灵活调节有功功率，其参与电网调频被认为是解决风电随机性影响的有效方法。目前关于风电参与调频的研究主要集中在以下两个方面：一种是通过转子动能控制，使得风电机组具备与同步发电及类似的转动惯量，在系统频率变化时，提供短时功率支撑，现有方法主要包括虚拟惯量控制、下垂控制以及虚拟惯量和下垂综合控制。但是由于转子动能控制只能提供短时间的频率支撑，无法为系统提供长时间的调频备用，因此无法满足调度要求。另一种是通过超速控制和桨距角控制使变速风机运行于非最大功率跟踪方式下，使风机能够预留一部分的功率用于调频。

1系统惯量降低及一次调频能力减弱

传统发电机对系统频率变化的反应主要有两种:惯性反应和一次调频。惯性反应是该组对系统频率突然变化的自然反应，利用涡轮和发电机的旋转动能保持电力需求与机械输出之间的平衡，以稳定该组的速度至新的同步速度。在目前的电力市场环境下，大规模接入电网将取代部分传统的并网发电机，从而降低系统的惰性水平，而且这些发电机的积极贡献无法积极应对频率的变化因此，尽管风力发电机本身具有惯性、旋转质量和动能储存能力，但它们不能对频率变化作出自然反应，因为风力发电机的电气和电子接口由于电气和电气设备的迅速反应而使电网的频率受阻。

2风机减载控制原理

由风机输出功率的公式可知，在风速恒定的情况下，风机输出的功率取决于CP的大小，而CP直接与叶尖速比和桨距角有关，又是关于转子转速r的函数，因此变速风机可通过调节转子转速和桨距角，改变风电机组的运行点，使其减载运行。为了使风能利用效率最高，风电机组一般以最大功率跟踪策略运行，如图1所示。可以看出，从切入风速到切出风速，变速风机运行策略可以分为以下3个区域：1）最大功率跟踪区(ωmin≤ωr≤ω1)在这一区域风电机组根据风速变化控制风机转速跟踪最大功率点轨迹。2）转速恒定区(ω1≤ωr≤ωmax)随着风速增加，风机的转速也随之增加，达到限幅值，进入转速恒定区。3）功率恒定区(ωmax≤ωr)风速继续增大，风机转速已达到最大值，引入桨距调节，减少风能捕获，维持风机转速以及输出功率恒定。

根据风机最大功率跟踪控制策略的不同区域，提出以下减载控制策略，超速控制以及桨距角控制都可使风机改变运行点，脱离最大功率跟踪控制，实现减载运行，桨距角控制可在全风速段实现减载控制，但是大型风机体型巨大，频繁调节桨距角会对其寿命产生一定影响。超速控制在转子转速达到限幅值时便失去作用，因此仅适用于中低风速区。为实现风电机组在全风况下的减载运行，采用超速控制与桨距角控制协调的方法，在中低风速下优先采用超速控制，当转子转速达到限幅值时，启用桨距角控制。风电机组减载控制策略示意图如图2所示。在此控制策略下，风电机组可以长期运行于减载情况下，且具备双向调频能力，由此风电可参与系统调频备用。

3虚拟惯性控制

为了使风扇具有与同步发电机相似的惯性作用，将变频主动参考信号DP引入风扇的主动控制部分，建立风扇输出功率和频率控制关系，使风扇的贡献能够响应变频通过虚拟惯性检查获得的主动参考信号是

Kf是样式中的比例因子。提出了利用风机转子转动惯量提高系统稳定性的第一个设想。2006年首次引入了虚拟惯性概念，支持使用虚拟控制链进行频率调节，使风机释放转子动能，实现风扇转子减速后，由于最大功率跟踪模块的作用，转子可以吸收有功功率返回到原来的转速，容易引起频率二次下降。在惯性控制的基础上添加转子转速保护模块，防止转速超过转速限制，消除频率二次下降；采用转子动能评估系数，可以量化各单元的频率调制能力，根据各单元的频率调制能力协调各单元参与系统的频率调制控制，避免系统的二次跳频。虚拟惯性检查适用于消除由系统中的负载扰动引起的快速频率变化。转速变化后转子动能控制失去调节能力，调节时间通常不超过6s。

4不同调度模式下的对比分析

为分析储能参与调频与不参与调频、风电参与调频与不参与调频、风电动态减载与固定减载方式下的优劣，对比分析以下2种调度模式下的优化结果模式1：风电不参与调频，储能不参与调频。模式2：风电不参与调频，储能参与调频。模式3：风电固定减载10%，储能参与调频。模式4：风电动态减载，储能参与调频。4种模式下的调度结果如表1所示。

模式3、4下风电减载参与调频，将原本就无法消纳的风电一部分用于系统调频备用，减少了系统的被动弃风，在负荷低谷时段分担火电机组调频压力，使得火电机组能够以更小出力方式运行，增加了风电的消纳，减少了弃风成本以及火电调频备用成本，因此总成本低于模式2。

图3不同模式下的火电出力

模式2下储能参与调频虽然带来了调频备用成本，但是在负荷低谷时段分担火电机组的调频压力，减少了火电机组的向下调频备用容量，使得火电机组能够以更小出力运行，增加了风电的消纳，从而减少了弃风惩罚，总成本低于模式1。由此可见，风电和储能参与调频为系统带来了更多的调频电源的选择，能够有效减小在风电出力波动大、负荷小时的火电机组调频压力，促进风电的消纳。模式3与模式4相比，风电机组的控制模式由固定减载10%变为动态减载。对比两种控制模式，在负荷低谷时，风电减载参与调频可以减小传统机组调频压力，促进风电的消纳，但是在负荷高峰时期，风电能够完全被消纳，传统机组的调频容量也足够满足系统需求，因此不需要风电减载参与调频，所以动态减载方式在此时可以让风电以最大功率跟踪方式运行，相较于固定减载，可以减少不必要的弃风。储能装置可以凭借自己的优势，在负荷低谷时充电，在负荷高峰时放电，减小系统负荷的峰谷差，在负荷低谷时充电也可以促进一部分风电的消纳。

5风电场与系统传统常规发电机组之间的协调

风电场集成到电气系统中，需要考虑风电场与传统发电机之间的协调。目前关于这个问题的研究较少。为了利用各个发电厂的变频器功率，通过风电等常规发电机组之间的通信系统控制风扇的频率控制，提高了系统的频率控制。变频器的电源见下表:通过快速的风力发电响应来解决车轮旋转响应缓慢的问题，从而缩短了系统频率。一种惯性控制策略，与能量服务一起开发，用于控制风力、折射、柴油等发电机混合系统的频率，限制了频率波动和基于风速的负荷波动的及时响应。风能和其他形式能源的频率协调研究刚刚进行，相互作用基础尚不清楚，需要进一步研究。

结束语

当电网越来越大，风力流量越来越大时，获得风能等可再生能源带来了许多问题。为确保系统安全运行，风电场组参与系统频率调整控制准则并与电力或电机组协调十分重要。相较于风电固定减载备用，控制更加灵活，能够有效减少不必要的弃风。减载率提升，更多的分担系统调频压力，调频容量充足时，减载率减小，保证风电消纳。

参考文献

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