陳超，劉海濱，葛景，邱雪俊，陳磊，王新寶，付俊波

雙饋變速抽蓄機組參與平抑風電功率波動研究

陳超1，劉海濱1，葛景2，邱雪俊1，陳磊1，王新寶2，付俊波2

（1．華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省 滁州市 239000；2．南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省 南京市 211102）

由于風電功率存在間歇性、波動性，大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)。為此，提出了基于雙饋變速抽蓄機組的風電功率波動平抑控制策略。首先，基于DIgSILENT/PowerFactory軟件，建立了雙饋變速抽蓄機組發(fā)電、抽水狀態(tài)下的仿真模型，驗證其快速功率控制能力。其次，基于低通濾波原理，結(jié)合風電預測功率，建立雙饋變速抽蓄機組在發(fā)電、抽水2種工況下參與平抑風電功率波動的控制模型。最后，通過仿真算例進行驗證，結(jié)果表明：雙饋變速抽蓄機組具有快速功率響應特性；在發(fā)電和抽水2種工況下，均可有效平抑風電功率波動，減小常規(guī)機組調(diào)節(jié)壓力，改善地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性。

雙饋變速抽蓄機組；低通濾波；預測功率；風電功率波動

0 引言

近年來，由于環(huán)境惡化、化石能源日益枯竭，以風電、光伏為代表的新能源發(fā)電獲得了快速發(fā)展[1]。據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，截至2018年年底，我國并網(wǎng)風電累計18426萬kW，同比增長12.4%，光伏并網(wǎng)發(fā)電17463萬kW，同比增長33.9%，風電、光伏裝機規(guī)模繼續(xù)穩(wěn)居世界首位。然而，新能源發(fā)電出力具有波動性、間歇性，隨著地區(qū)電網(wǎng)中新能源滲透率的提高，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定面臨威脅[2-5]。

可變速抽水蓄能機組因轉(zhuǎn)速可調(diào)，相比于常規(guī)抽水蓄能機組，在電網(wǎng)運行中更容易實現(xiàn)精細化控制。目前，可變速抽水蓄能機組參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的應用主要體現(xiàn)在2方面：一是參與電網(wǎng)頻率、電壓控制，豐富電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段；二是參與新能源協(xié)調(diào)控制，提升新能源消納水平。根據(jù)勵磁回路的差異，可變速抽水蓄能機組主要分為全功率型和雙饋型。相較于全功率型，雙饋變速抽蓄機組變頻器容量可做到更小，其變頻器容量僅占機組容量的一部分，容量比值與轉(zhuǎn)差率成正比，轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率及相位可控，因此，可以實現(xiàn)機組運行功率快速控制。

國內(nèi)外針對可變速抽水蓄能機組的研究主要集中于系統(tǒng)建模、頻率控制等方面。文獻[6]基于MATLAB/Simulink對日本大河內(nèi)電站#4機組進行建模，驗證了其動態(tài)響應特性。在此基礎上，文獻[7-9]分別基于不同仿真平臺搭建了可變速抽水蓄能機組各運行狀態(tài)下的仿真模型。文獻[10-11]分別提出了可變速抽水蓄能機組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的控制策略，并進行了驗證。文獻[12]提出了基于全功率變流器的可變速抽水蓄能機組的有功、無功功率控制策略。文獻[13]建立了基于全功率變流器的可變速抽水蓄能機組綜合控制模型。以上研究更多關注基于全功率變流器的可變速抽水蓄能機組，針對雙饋變速抽蓄機組的研究較少。尤其是對于新能源富集地區(qū)電網(wǎng)，如何充分發(fā)揮雙饋變速抽蓄機組的調(diào)節(jié)能力，現(xiàn)有文獻仍鮮見報道。因此，有必要深入研究雙饋變速抽蓄機組如何有效參與平抑地區(qū)電網(wǎng)新能源功率波動、改善電能質(zhì)量。

為了改善地區(qū)電網(wǎng)中以風電為代表的新能源消納水平，提出基于雙饋變速抽蓄機組的風電功率波動平抑控制策略。首先，基于DIgSILENT/ PowerFactory軟件，建立了雙饋變速抽蓄機組在發(fā)電、抽水工況下的動態(tài)仿真模型。其次，基于低通濾波原理，并結(jié)合風電預測功率，建立了雙饋變速抽蓄機組參與平抑地區(qū)電網(wǎng)風電功率波動的控制模型。最后，通過仿真算例進行了驗證。

1 雙饋變速抽蓄機組數(shù)學模型

1.1 雙饋變速抽蓄機組結(jié)構(gòu)

雙饋變速抽蓄機組主要由雙饋異步電機、水泵水輪機、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、定子側(cè)變流器、勵磁變壓器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 水泵水輪機

發(fā)電狀態(tài)下，水泵水輪機用作水輪機控制。對于水輪機，其模型主要描述水輪機輸出功率T與導水葉開度間的關系[14]，如圖2所示，其中：0為水門開度初始值；?為水門開度變化量；max、min分別水門開度最大值、最小值；W為水開啟時間。

圖1 雙饋變速抽蓄機組示意圖

圖2 水輪機模型控制框圖

由式(1)—(3)可以看出，水泵入力與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。

1.3 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器

對于轉(zhuǎn)子側(cè)換流器，采用定子電壓定向，定子輸出的有功功率s、無功功率s與轉(zhuǎn)子注入電流的有功、無功分量的關系[15]可表示如下：

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制框圖

1.4 定子側(cè)換流器

圖4 定子側(cè)換流器控制框圖

2 雙饋變速抽蓄機組功率控制特性仿真

基于上述分析，在DIgSILENT/PowerFactory軟件中搭建一臺300MW雙饋變速抽蓄機組模型，其中：機端母線額定電壓為15.8kV；額定頻率為50Hz；定轉(zhuǎn)子電阻均為1.4mW；定轉(zhuǎn)子電抗均為0.6mH；定轉(zhuǎn)子互感為9.5mH；轉(zhuǎn)速變化范圍為±10%。

2.1 發(fā)電工況下功率控制

正常運行情況下，雙饋變速抽蓄機組運行在發(fā)電工況，發(fā)電功率為270MW。在第5s接收調(diào)度指令，發(fā)電功率增加至300MW。第30s功率指令恢復為270MW。發(fā)電工況下，系統(tǒng)的有功、無功功率響應曲線分別如圖5、6所示，可變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速響應曲線如圖7所示。其中：ref、ref和gen、gen分別為可變速抽水蓄能機組輸出有功、無功功率參考值和實際值。

由圖5可知，發(fā)電工況下系統(tǒng)有功功率具備快速響應能力，約0.2s即可實現(xiàn)0.1pu有功功率變化量控制。由圖6可知，無功功率波動很小，實現(xiàn)了有功、無功功率獨立解耦控制。由圖7可知，相比于電磁功率的快速響應，由于慣量的存在，機組轉(zhuǎn)速變化相對較慢，響應時間為秒級。

圖5 發(fā)電工況有功功率響應

圖6 發(fā)電工況無功功率響應

圖7 發(fā)電工況可變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速響應

2.2 抽水工況下功率控制

正常運行情況下，可變速抽水蓄能機組運行在抽水工況，抽水功率為225MW。在第5s接收調(diào)度指令，抽水功率增大至額定功率300MW。第30s功率指令恢復為225MW。抽水工況下，系統(tǒng)的有功、無功功率響應曲線分別如圖8、9所示，可變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速響應曲線如圖10所示。由圖8可知，抽水工況下系統(tǒng)有功功率具備快速響應能力，約0.2s即可實現(xiàn)0.25pu有功功率變化量控制，相比于發(fā)電工況，其控制速度更快。由圖9可知，無功功率波動很小，同樣實現(xiàn)了有功、無功功率獨立解耦控制。該快速響應能力能夠很好地應用于新能源富集地區(qū)功率波動平抑控制。由圖10可知，可變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速變化相對較慢，響應時間同樣為秒級。

圖8 抽水工況有功功率響應

圖9 抽水工況無功功率響應

圖10 抽水工況可變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速響應

2.3 功率控制特性

由上述仿真結(jié)果可以看出：雙饋變速抽蓄機組在發(fā)電、抽水工況下均可實現(xiàn)快速功率控制。相比于常規(guī)同步機組，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1）常規(guī)同步機組功率控制響應時間為秒級，其爬坡率也存在限制，而雙饋變速抽蓄機組響應時間為百毫秒級，響應速度更快，可以快速響應新能源功率波動。

2）常規(guī)同步機組僅可工作于發(fā)電工況；常規(guī)抽蓄機組雖可工作于抽水狀態(tài)，但抽水工況下功率不可調(diào)節(jié)；而雙饋變速抽蓄機組可工作于發(fā)電、抽水2種工況，均可實現(xiàn)快速功率調(diào)節(jié)。

3）在穩(wěn)態(tài)情況下，常規(guī)同步機組轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，同步于電網(wǎng)頻率；而雙饋變速抽蓄機組轉(zhuǎn)速可在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)靈活變化，使其工作于最優(yōu)轉(zhuǎn)速，機組工作效率更高。

因此，相比于常規(guī)同步發(fā)電機組，雙饋變速抽蓄機組的動態(tài)響應特性更優(yōu)，運行方式更為靈活，可滿足電網(wǎng)中功率快速調(diào)節(jié)需求。

3 雙饋變速抽蓄機組平抑功率波動控制策略

為了平抑風電場功率波動，借鑒低通濾波思想[16-20]，其主要原理是：通過低通濾波器濾除輸入數(shù)據(jù)中包含的高頻分量，保留低頻分量并實現(xiàn)對功率曲線的平滑作用。本文提出基于雙饋變速抽蓄機組的有功功率控制策略，其控制框圖如圖11所示。

圖11 有功功率控制框圖

由圖11可以得到雙饋變速抽蓄機組有功功率控制指令：

圖12 低通濾波器幅頻特性曲線

4 仿真算例

4.1 算例系統(tǒng)

基于DIgSILENT/PowerFactory軟件，搭建如圖13所示仿真算例系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在經(jīng)典的3機9節(jié)點系統(tǒng)[21]基礎上做適當修改而成。其中，G1、G2、G3均含有勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)。風電場含60臺容量2MW的DFIG機組，為了便于仿真，采用單機倍乘法建模[22]。雙饋變速抽蓄機組容量300MW，可工作于發(fā)電、抽水2種工作狀態(tài)，采用第2節(jié)所述參數(shù)。

圖13 算例系統(tǒng)單線圖

4.2 雙饋風電場功率曲線分析

以某風電場為例，其風速、有功功率波動曲線分別如圖14、15所示。可以看出，在觀測期間內(nèi)，風功率具有明顯的波動性，波動幅度達25.5MW。通過對風功率數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換分析[23]，得到該風電場輸出功率幅頻特性曲線，如圖16所示。可以看出，風電場功率波動頻率集中分布在0.002~0.2Hz范圍內(nèi)，且隨著頻率的增加，其波動幅值降低。因此，雙饋變速抽蓄機組應作用于平抑0.2Hz以下的風電場功率波動。

圖14 風速波動曲線

圖15 風功率波動曲線

圖16 風功率幅頻特性曲線

4.3 發(fā)電工況下平抑效果仿真

基于4.2節(jié)所述風電場功率波動數(shù)據(jù)，對雙饋變速抽蓄機組在發(fā)電工況下的風功率波動平抑效果進行仿真。在無平抑功能、濾波時間常數(shù)=15，50s時，系統(tǒng)頻率響應、風場近區(qū)同步發(fā)電機組G1有功功率響應分別如圖17、18所示。在雙饋變速抽蓄機組不參與平抑功率波動的情況下，風電場功率波動產(chǎn)生的不平衡量全部由系統(tǒng)中同步發(fā)電機組承擔。相較于雙饋變速抽蓄機組，傳統(tǒng)同步發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)依賴調(diào)速器完成，且控制響應速度較慢。由圖17、18可見，系統(tǒng)頻率、同步發(fā)電機組功率隨著風功率變化而波動，且波動幅度較大；而在雙饋變速抽蓄機組投入平抑功能后，系統(tǒng)頻率波動情況明顯改善，且隨著濾波時間常數(shù)的增加(截止頻率的降低)，改善效果更好。在=50s時，系統(tǒng)頻率波動顯著減小，且同步發(fā)電機組的功率變化很小，系統(tǒng)穩(wěn)定性改善效果明顯，驗證了前述分析結(jié)論。

圖17 發(fā)電工況下系統(tǒng)頻率響應

圖18 發(fā)電工況下同步發(fā)電機G1有功功率響應

4.4 抽水工況下平抑效果仿真

同樣地，基于4.2節(jié)所述風電場功率波動數(shù)據(jù)，對雙饋變速抽蓄機組在抽水工況下的風功率波動平抑效果進行仿真。在無平抑功能、濾波時間常數(shù)=15，50s時，系統(tǒng)頻率響應、風場近區(qū)同步發(fā)電機組G1有功功率響應分別如圖19、20所示。與發(fā)電工況類似，在雙饋變速抽蓄機組不投入平抑功率波動功能時，風電功率波動需全部由系統(tǒng)中的同步發(fā)電機組承擔，由于同步發(fā)電機組調(diào)節(jié)速度較慢，系統(tǒng)頻率波動明顯。與傳統(tǒng)水電機組不同，雙饋變速抽蓄機組在抽水工況下同樣具備快速功率控制能力。因此，雙饋變速抽蓄機組即使在抽水工況下仍能夠滿足平抑風電功率波動的需求。從圖19、20可以看出，隨著濾波時間常數(shù)的增加，系統(tǒng)頻率曲線、同步發(fā)電機組出力曲線更加平滑，波動性明顯減小，驗證了前述分析結(jié)論。

圖19 抽水工況下系統(tǒng)頻率響應

圖20 抽水工況下同步發(fā)電機G1有功功率響應

5 結(jié)論

基于DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，搭建了雙饋變速抽蓄機組在發(fā)電、抽水狀態(tài)下的仿真模型，提出了雙饋變速抽蓄機組參與平抑地區(qū)電網(wǎng)風電功率波動的控制策略，主要結(jié)論如下：

1）在發(fā)電、抽水2種工況下，雙饋變速抽蓄機組均具備快速功率控制能力，且實現(xiàn)了有功、無功解耦控制；

2）借鑒低通濾波思想，結(jié)合風電功率預測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)基于雙饋變速抽蓄機組的風電功率波動平抑控制；

3）增大低通濾波時間常數(shù)，功率波動平抑的效果更好，時間常數(shù)的選取需結(jié)合風電功率波動的幅頻特性進行綜合考慮。

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Wind Power Fluctuation Suppression by Doubly-fed Variable-speed Pumped Storage Unit

CHEN Chao1, LIU Haibin1, GE Jing2, QIU Xuejun1, CHEN Lei1, WANG Xinbao2, FU Junbo2

(1. Huadong Langyashan Pumped Storage Co., Ltd., Chuzhou 239000, Anhui Province, China;2. Nanjing Nanri-relays Engineering Technique Co., Ltd., Nanjing 211102, Jiangsu Province, China)

Due to the intermittent and fluctuant of wind power, large-scale wind power grid-connected poses a challenge to the safe and stable operation of the power grid. Therefore, a wind power fluctuation suppression control strategy based on doubly-fed variable-speed pumped storage unit was proposed. Firstly, based on DIgSILENT/PowerFactory software, the simulation models of doubly-fed variable-speed pumped storage unit under the conditions of power generation and pumping were established to verify its fast power control capability. Secondly, based on the principle of low-pass filtering, combined with the wind power prediction, the control models of the doubly-fed variable-speed pumped storage unit were established to suppress wind power fluctuation under the conditions of power generation and pumping. Finally, a simulation example was given to verify the control strategy. The results show that the doubly-fed variable-speed pumped storage unit has fast power response characteristics. Under the conditions of power generation and pumping, the fluctuation of wind power can be effectively suppressed, the regulation pressure of conventional units can be reduced, and the stability of regional power grid can be improved.

doubly-fed variable-speed pumped storage unit; low-pass filtering; prediction power; wind power fluctuations

10.12096/j.2096-4528.pgt.19099

TM74

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFB0904600)；國網(wǎng)新源控股有限公司科技項目(572727170006)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0904600); Research Program of State Grid Xinyuan Company Ltd. (572727170006).

2019-06-14。

(責任編輯 尚彩娟)