朱建華 趙 啟 許立長 馮 斌 焦春雷

儲(chǔ)能對火電廠勵(lì)磁穩(wěn)定性影響分析

朱建華1趙 啟2許立長1馮 斌2焦春雷2

（1. 潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司電氣技術(shù)中心，鄭州 450000； 2. 新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，烏魯木齊 830011）

本文針對目前儲(chǔ)能接入電廠后對發(fā)電廠勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)、無補(bǔ)償相位特性、阻尼特性造成一系列影響的問題，研究了儲(chǔ)能接入電廠對勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。首先，建立考慮儲(chǔ)能影響的發(fā)電廠單機(jī)模型，給出了儲(chǔ)能與調(diào)差系數(shù)、無補(bǔ)償相位特性、阻尼特性的理論關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分析了不同儲(chǔ)能出力對上述三者的影響。仿真結(jié)果表明，儲(chǔ)能接入電廠后，對勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)、阻尼特性、勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償特性都產(chǎn)生了一定影響，需要對上述三者進(jìn)行安全性評估。

儲(chǔ)能；調(diào)差系數(shù)；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；無補(bǔ)償相位特性

0 引言

隨著我國風(fēng)電、光伏占能源系統(tǒng)的比例不斷增加，新能源消納問題變得越來越嚴(yán)峻。為提升新能源消納水平，提高傳統(tǒng)火電廠調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)，近年來部分火電廠采用電化學(xué)儲(chǔ)能接入高壓廠用電系統(tǒng)的方案[1-3]，改善火電廠的調(diào)頻性能。儲(chǔ)能接入火電廠后，一方面因其較快的充放電速率改善了火電廠AGC的響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度等指標(biāo)，同時(shí)也可以參與電力市場輔助服務(wù)市場[4-7]，為火電廠獲取一定調(diào)頻收益；另一方面，儲(chǔ)能的接入增加火電廠廠用電波動(dòng)，對勵(lì)磁系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了新的要求。廠用電負(fù)荷水平的變化首先對發(fā)電機(jī)機(jī)端潮流分配產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而改變了發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)等值連接阻抗，所以對現(xiàn)有發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)配置和計(jì)算都會(huì)造成一定影響。國內(nèi)研究表明，勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)對發(fā)電機(jī)阻尼、幅頻特性、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)都會(huì)造成一定影響[8-10]，而業(yè)界對火電廠的無補(bǔ)償相位特性及阻尼目前鮮有研究。

鑒于此，本文針對上述研究的不足，以儲(chǔ)能接入電廠后的調(diào)差系數(shù)配置、發(fā)電機(jī)無補(bǔ)償相位特性和阻尼變化為研究對象，應(yīng)用線性化分析方法對考慮儲(chǔ)能影響的發(fā)電廠勵(lì)磁系統(tǒng)模型特性進(jìn)行研究，通過模擬儲(chǔ)能充放電過程，計(jì)算發(fā)電廠的無補(bǔ)償相位特性和阻尼變化趨勢，通過不同工況下的計(jì)算對比，分析儲(chǔ)能接入對發(fā)電廠穩(wěn)定的影響，為儲(chǔ)能接入火電廠勵(lì)磁穩(wěn)定性分析提供參考。

1 儲(chǔ)能對火電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的影響

1.1 儲(chǔ)能對調(diào)差系數(shù)配置的影響

將儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)后，儲(chǔ)能工況對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差特性產(chǎn)生影響。為模擬對火電廠勵(lì)磁系統(tǒng)[11]的影響，建立包含儲(chǔ)能的模型。其對應(yīng)模型接線圖如圖1所示。

圖1 帶有機(jī)端負(fù)荷的單機(jī)-無窮大系統(tǒng)

式中：L為廠用電的一次等值電阻；L為廠用電的一次等值電抗；t為機(jī)端電壓。

應(yīng)用戴維南原理進(jìn)行等效，可以將機(jī)端廠用電等值到系統(tǒng)串聯(lián)阻抗中，對應(yīng)的表達(dá)式如下

（4）

再次應(yīng)用戴維南等值定理，可以將圖2簡化為圖3所示的一字型等值系統(tǒng)。

式中，1為圖3中等值電阻。圖3中，1為等值電抗；為系統(tǒng)等值電壓。

圖3 第二次等值單機(jī)-無窮大系統(tǒng)

主變高壓側(cè)發(fā)電機(jī)變壓器組的調(diào)差率T計(jì)算公式如下

式中：T為主變高壓側(cè)電壓調(diào)差率；K為主變的短路阻抗百分比；為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差率；GN為發(fā)電機(jī)額定定子電流；TN為主變額定電流；GN為發(fā)電機(jī)額定定子電壓；TN為主變額定電壓。

標(biāo)準(zhǔn)要求并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)差率在5%～10%之間整定，則發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)需滿足下面條件（忽略系統(tǒng)電阻1）。

式中：1min為儲(chǔ)能充電最大出力時(shí)發(fā)電機(jī)到系統(tǒng)等值電抗；1max為儲(chǔ)能放電最大出力時(shí)發(fā)電機(jī)到系統(tǒng)等值電抗。

從式（8）可以看出，當(dāng)儲(chǔ)能接入發(fā)電廠后，需要根據(jù)儲(chǔ)能的兩種極限出力來確定調(diào)差系數(shù)的變化范圍。

1.2 儲(chǔ)能對勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相位特性和阻尼的影響

將儲(chǔ)能接入后改變了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)連接的等效電阻和電抗，特別是儲(chǔ)能可以充電和放電，儲(chǔ)能雙向特性使得發(fā)電廠與系統(tǒng)之間的等效電阻和電抗變化范圍變大。研究發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)穩(wěn)定性常用的模型為Phillips-Heffron模型，其示意圖如圖4所示。

圖4 Phillips-Heffron模型示意圖

根據(jù)圖4所示的邏輯關(guān)系，可以推導(dǎo)得出勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相位特性表達(dá)式[13]，即

勵(lì)磁系統(tǒng)的無補(bǔ)償相位特性是1—6和發(fā)電機(jī)參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)儲(chǔ)能出力發(fā)生變化時(shí)，無補(bǔ)償相位特性產(chǎn)生也會(huì)對應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響發(fā)電廠的阻尼特性。

2 仿真分析

廠用電負(fù)荷（不含儲(chǔ)能）容量為35MW，功率因數(shù)為0.8。PSS模型為PSS2B型，其模型見文獻(xiàn)[12]。對應(yīng)參數(shù)為：w1=w2=w3=10，w4=0，1=0.15，2=0.025，3=0.15，4=0.02，S1=20，S2=0.99，S3=1.0，=1，=5，7=10，8=0.5，9=0.1，10=0。

2.1 儲(chǔ)能對調(diào)差系數(shù)范圍的影響

儲(chǔ)能的最大出力在正16MW和負(fù)16MW之間，原有的廠用電負(fù)荷水平在35MW水平，考慮儲(chǔ)能后廠用電的負(fù)荷水平在19～51MW之間。根據(jù)式（1）—式（8），計(jì)算并比較儲(chǔ)能接入前和接入后的調(diào)差系數(shù)范圍，其對應(yīng)圖形如圖5所示。

從圖5可以看出，考慮廠用電的算法與常規(guī)算法相比，調(diào)差系數(shù)降低了1%左右，說明考慮廠用電和儲(chǔ)能影響后，對調(diào)差系數(shù)的影響基本不大。

2.2 儲(chǔ)能對勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相位特性的影響

在對發(fā)電廠系統(tǒng)進(jìn)行PSS參數(shù)測試時(shí)，通常會(huì)在PSS接入前，在PSS接入點(diǎn)加入白噪聲信號，同時(shí)測量機(jī)端電壓，通過頻譜分析儀辨識(shí)出機(jī)端電壓與PSS接入點(diǎn)之間相頻信號，通常也被稱為無補(bǔ)償相位特性。搭建單機(jī)系統(tǒng)的線性模型，通過線性化函數(shù)辨識(shí)出機(jī)端電壓與PSS接入點(diǎn)之間傳遞函數(shù)的相頻特性。圖6所示為=0.9、=0.43時(shí)的相頻特性，從圖6可以看出，儲(chǔ)能在充電和放電狀態(tài)時(shí)，兩者之間的相頻特性差別不大，差別最大的點(diǎn)在=2Hz時(shí)，相位差值在1.3°左右。

圖5 儲(chǔ)能對調(diào)差系數(shù)的影響

圖6 P=0.9最大滯相運(yùn)行時(shí)無補(bǔ)償相位

圖7所示為=0.9、=-0.05時(shí)的勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性。與=0.9時(shí)滯相工況相比，儲(chǔ)能在充電和放電狀態(tài)時(shí)，兩者之間頻率差異更大，在=2Hz時(shí)最大，相位差值在3°左右。

圖7 P=0.9最大進(jìn)相運(yùn)行時(shí)無補(bǔ)償相位

圖8所示為=0.48、=0.16時(shí)的勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性。與=0.9時(shí)滯相工況相比，儲(chǔ)能在充電和放電工況下位置恰好相反，在=2Hz時(shí)最大，相位差值在7°左右。

圖8 P=0.48最大滯相運(yùn)行時(shí)無補(bǔ)償相位

圖9所示為=0.48、=-0.16時(shí)的勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性。與=0.48時(shí)滯相工況相比，在=2Hz時(shí)最大，相位差值在10°左右。

圖9 P=0.48最大進(jìn)相運(yùn)行時(shí)無補(bǔ)償相位

綜合上述4種典型工況可以看出，儲(chǔ)能最大充電和最大放電在低頻時(shí)相位差異較小，隨著頻率的增大，相位差逐漸增大，在2Hz時(shí)達(dá)到最大相位差。

高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行和滯相運(yùn)行相位差異較??；低工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行和滯相運(yùn)行的相位差異較大。

2.3 儲(chǔ)能對阻尼的影響

當(dāng)儲(chǔ)能接入系統(tǒng)后，配置的PSS需要在不同工況下都具有較好補(bǔ)償效果，一種常見檢驗(yàn)補(bǔ)償效果的計(jì)算方法為不同工況對應(yīng)的阻尼，本文選取4種典型工況：①工況一=0.9p.u.，=-0.05p.u.；②工況二=0.9p.u.，=0.05p.u.；③工況三=0.48 p.u.，=0.2p.u.；④工況四=0.48p.u.，=-0.2p.u.。這4種工況對應(yīng)的阻尼見表1。

表1 不同工況的阻尼

從表1可以看出，在不同工況和儲(chǔ)能充電和放電情況下，PSS接入后阻尼稍有變化，但阻尼基本上滿足PSS標(biāo)準(zhǔn)要求，說明現(xiàn)有的PSS參數(shù)配置可以滿足儲(chǔ)能接入后工況變化要求。

3 結(jié)論

本文考慮了儲(chǔ)能接入廠用電影響以及對勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差的影響，并將其寫入Phillips-Heffron模型，分析了儲(chǔ)能在不同充放電工況下的相位變化規(guī)律，分析結(jié)果表明：

1）儲(chǔ)能接入后對火電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的相位特性有一定影響，頻率越高，對應(yīng)的相位差異越大，最大相位差在7°左右。

2）儲(chǔ)能接入后對調(diào)差系數(shù)計(jì)算造成一定影響，與原有算法最大差異在1%左右。

本文建議在帶有儲(chǔ)能的發(fā)電廠PSS試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該考慮儲(chǔ)能的充電和放電過程的影響。發(fā)電廠調(diào)差參數(shù)整定時(shí)也應(yīng)考慮發(fā)電廠的儲(chǔ)能影響。

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Influence analysis of energy storage on the stability for exciting system of thermal power plant

ZHU Jianhua1ZHAO Qi2XU Lichang1FENG Bin2JIAO Chunlei2

(1. Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450000; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830011)

Aiming at the problems caused by the adjustment coefficient, amplitude-frequency characteristics and damping characteristics of the excitation system of the power plant after the energy storage was currently connected to the power plant. Therefore, the effects of connecting energy storage to the power plant on the stability of the utility power and the excitation system were studied. First, a single-machine infinite-bus model of a power plant considering the impact of energy storage was established, and the theoretical relationship between the energy storage coefficient of adjustment, uncompensated phase characteristics, and damping characteristics was derived. Based on this, the impact of different energy storage outputs on the three was analyzed. The simulation results show that after the energy storage was connected to the power plant, it will have a certain impact on the adjustment coefficient, damping characteristics, and uncompensated characteristics of the excitation system. After the energy storage is connected to the power plant, the safety assessment of the above three needs to be performed.

energy storage; compensation coefficient; power system stabilizer; no angle com- pensation characteristic

2020-05-07

2020-07-03

朱建華（1986—），男，工程師，河南洛陽人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閯?lì)磁穩(wěn)定和電能質(zhì)量分析。