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劉輝, 葛俊, 鞏宇, 劉漢民, 肖飛. 風電場參與電網(wǎng)一次調頻最優(yōu)方案選擇與風儲協(xié)調控制策略研究, 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. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院 2. 風光儲并網(wǎng)運行技術國家電網(wǎng)公司重點實驗室 3 . 國網(wǎng)冀北電力有限公司 4. 國網(wǎng)新源張家口風光儲示范電站有限公司 5. 西安許繼電力電子技術有限公司
引言
隨著中國能源結構改革的深化，新能源裝機占比持續(xù)增加。風電、光伏等新型能源大多以電力電子設備并網(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)電設備不具備響應系統(tǒng)頻率變化的慣量和一次調頻能力，當面臨由于直流閉鎖、故障切機或負荷突變等原因導致系統(tǒng)頻率偏離時，其安全穩(wěn)定運行將受到威脅。本文將對規(guī)?；瘍δ苈?lián)合新能源電站參與電網(wǎng)一次調頻的可行性與經(jīng)濟性進行分析，并提出一種風電場一次調頻最優(yōu)方案。
新能源電站一次調頻必要性分析
1. 大電網(wǎng)頻率特性分析
對華北電網(wǎng)某35kV母線PMU頻率數(shù)據(jù)進行長期統(tǒng)計，隨機抽取一天頻率如圖（a）所示，看出該地區(qū)電網(wǎng)正常運行工況下頻率波動范圍在 50±0.04Hz以內，頻率日越過火電機組調頻死區(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小時的頻率曲線，觀察圖中A區(qū)域，當電網(wǎng)頻率越過一次調頻死區(qū)上限，地區(qū)火電機組一次調頻功能啟動，頻率被調整回正常范圍。
? 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)計了近十年內中國電力系統(tǒng)中較嚴重的頻率波動事件。可以發(fā)現(xiàn)：功率缺額較小時（3%pu以內），頻率降低值與缺額值成正比關系，1%的功率缺額將導致系統(tǒng)頻率最低點下降約0.08Hz，頻率最低值出現(xiàn)的時間在故障發(fā)生后的10s之內；功率缺額較大時，單位功率缺額引起的頻率最低點下降越嚴重，最低點出現(xiàn)的時間越晚。
2. 高比例新能源電力系統(tǒng)頻率特性仿真分析
為分析新能源裝機占比提升后電力系統(tǒng)的頻率特性，針對華北電網(wǎng)新能源裝機占比為0%、21%和50%這3種系統(tǒng)進行仿真研究，得到了系統(tǒng)發(fā)生5%功率缺額后電網(wǎng)頻率動態(tài)特性曲線圖。說明如果新能源機組不具備一次調頻能力，隨著新能源裝機占比的提升，電網(wǎng)對功率突變事件的抗干擾能力將大為削弱。
? 不同新能源占比場景下系統(tǒng)頻率特性
新能源電站一次調頻方案技術經(jīng)濟性分析
1. 新能源調頻與火電調頻的類比關系
由于光伏、風機等新能源機組一般運行在MPPT模式，類比火電一次調頻原理可總結新能源機組參與電網(wǎng)一次調頻需具備兩個基本條件：① 采用類似調速器的虛擬同步發(fā)電機控制；② 預留備用功率。
2. 風電場一次調頻方案技術經(jīng)濟性分析
通過仿真及對比分析得到，預留備用方案調頻性能與火電相當且可長期有功支撐，但經(jīng)濟損失巨大；釋放轉子慣量控制方案只需修改機組控制軟件不增加一次投資，但頻率二次跌落無法消除且過大；相比之下，配置儲能方案僅需一次性投入且投資額可接受，其調頻性能優(yōu)于火電，且在后續(xù)運行中儲能可通過減少棄風棄光、平滑出力等綜合應用模式為業(yè)主增加收益，所以新能源電站配置集中式儲能是最佳的一次調頻方案。
三種應用模式技術經(jīng)濟性對比
3. 風儲協(xié)調控制策略
由于一次調頻所需虛擬慣量具有尖峰特征，若僅由儲能提供一次調頻附加功率，儲能峰值功率利用時間短，功率利用率低，由此提出風電轉子慣量釋放和儲能穩(wěn)態(tài)支撐的協(xié)調控制策略：虛擬慣量等短時功率尖峰由風電承擔，一次調頻所需要的穩(wěn)態(tài)功率由儲能承擔，如圖8所示。
? 風儲協(xié)調控制策略示意圖
基于本文所提風儲協(xié)同調頻控制策略，模擬風電裝機容量占比為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種風速條件下時儲能系統(tǒng)的調頻容量需求，仿真得到風速11.2 m/s時儲能容量需求最多，為風電場裝機容量的5.9%，相比儲能單獨承擔調頻任務時8% pu時減少了26%。
? 風速11.2 m/s時風儲協(xié)調策略一次調頻曲線
結論
1）若新能源機組不具備一次調頻功能，隨著新能源裝機占比的提升，電網(wǎng)對功率突變事件的抗干擾能力將被大大削弱，頻率特性嚴重惡化；
2）類比火電機組一次調頻原理，提出新能源機組參與電網(wǎng)一次調頻需具備虛擬同步發(fā)電機控制和預留備用兩個基本條件；
3）對比研究了風電機組預留備用、釋放轉子慣量、配置儲能3種調頻方案的可行性與經(jīng)濟性，集中配置儲能是新能源電站最佳的調頻方式；
4）提出了一種風儲協(xié)調風電場一次調頻控制策略，采用此策略可將儲能容量配置減少26%，大大提高了儲能參與一次調頻的經(jīng)濟性。
