張志斌 魏 強(qiáng)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

0 引言

隨著新能源的不斷接入，電網(wǎng)的頻率控制變得越來(lái)越復(fù)雜和困難。問(wèn)題不僅在于風(fēng)電/光伏的不確定性帶來(lái)的有功方面的缺額或不平衡，還在于如何將為數(shù)眾多的新能源發(fā)電納入一次調(diào)頻和自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）。此外，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)有的AGC在區(qū)域互聯(lián)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，還會(huì)引發(fā)更多的潛在問(wèn)題（如跨區(qū)域的110s周期的功率波動(dòng)）。這些都給有功調(diào)度和控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

在此背景下，能夠自動(dòng)準(zhǔn)確跟蹤負(fù)荷需求，而且不依賴AGC和調(diào)度干預(yù)直接恢復(fù)頻率的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角控制[1-2]成為一種可能的解決方案。這種控制模式的根本原理是引入全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）確定的以恒定工頻轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)系，并通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)出力將汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，由相位測(cè)量單元（phase measurement unit, PMU）測(cè)量得到，在絕對(duì)坐標(biāo)系中固定下來(lái)。由于角度不再持續(xù)變動(dòng)，轉(zhuǎn)速（角度的微分）被維持在額定轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)了無(wú)需干預(yù)的自動(dòng)頻率恢復(fù)。這種特性在分布式新能源廣泛接入后可以極大地減輕調(diào)度負(fù)擔(dān)，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)的機(jī)制也已經(jīng)通過(guò)了動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。

不過(guò)，由于提出轉(zhuǎn)子角控制的最初目的為抑制區(qū)域間低頻振蕩，所以轉(zhuǎn)子角控制器會(huì)通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)門開(kāi)度來(lái)提供阻尼轉(zhuǎn)矩。這種方法盡管具有多發(fā)電機(jī)間電氣解耦的優(yōu)點(diǎn)，但汽輪機(jī)調(diào)門的強(qiáng)非線性也會(huì)導(dǎo)致阻尼轉(zhuǎn)矩相位/大小偏差，影響低頻振蕩抑制效果。此外，在自動(dòng)跟蹤負(fù)荷時(shí)，過(guò)于頻繁的控制動(dòng)作會(huì)引起汽輪機(jī)調(diào)門的機(jī)械疲勞，降低機(jī)組壽命。所以，在轉(zhuǎn)子角控制提出之初，就給出了將利用儲(chǔ)能方案作為備選[4]。但是當(dāng)時(shí)的儲(chǔ)能價(jià)格昂貴，無(wú)法實(shí)用。

近年來(lái)，儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣 泛[5-6]。儲(chǔ)能不僅可以削峰填谷，解決新能源帶來(lái)的旋轉(zhuǎn)備用不足問(wèn)題，還可以參與一次調(diào)頻，提供短時(shí)快速的有功支援[7-8]。此外，還出現(xiàn)了不少利用儲(chǔ)能抑制低頻振蕩的方法[9-12]。這些研究都表明，在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用儲(chǔ)能的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，所以利用儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制有了進(jìn)一步研究的價(jià)值。尤其當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)安裝了負(fù)責(zé)消減峰谷差的儲(chǔ)能時(shí)更是如此（轉(zhuǎn)子角控制只要利用其中很小一部分儲(chǔ)能容量即可）。本文通過(guò)控制儲(chǔ)能出力間接影響/控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的機(jī)理，對(duì)新機(jī)理下的同步/阻尼轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析計(jì)算，并給出新模式下在負(fù)荷跟蹤時(shí)減少汽輪機(jī)調(diào)整的仿真效果。

1 結(jié)合儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制器

1.1 轉(zhuǎn)子角下垂控制的原理

轉(zhuǎn)子角控制器與汽輪機(jī)調(diào)速器相似，均通過(guò)控制汽輪機(jī)的閥門開(kāi)度來(lái)改變汽輪機(jī)的機(jī)械功率輸出。不同之處在于，調(diào)速器以轉(zhuǎn)速偏差為輸入，通過(guò)控制使轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)子角控制器以絕對(duì)轉(zhuǎn)子角為輸入，通過(guò)控制使絕對(duì)轉(zhuǎn)子角達(dá)到穩(wěn)定。

圖1為一種基于汽輪機(jī)控制的轉(zhuǎn)子角下垂控制器的控制結(jié)構(gòu)。其中，δ為發(fā)電機(jī)的絕對(duì)轉(zhuǎn)子角，其值可以通過(guò)PMU裝置進(jìn)行測(cè)量得到[13]。δaim為調(diào)度中心提供的絕對(duì)轉(zhuǎn)子角的目標(biāo)值，其數(shù)值可以從潮流計(jì)算結(jié)果間接獲取[2]?？梢杂^察到，如果忽略模型的后半部分，該模型的控制部分為一個(gè)常見(jiàn)的比例微分（proportional derivative, PD）控制器，Kp為PD控制中的比例系數(shù)，Kd為PD控制中的微分系數(shù)。

圖1 基于汽輪機(jī)控制的轉(zhuǎn)子角下垂控制結(jié)構(gòu)

大電網(wǎng)中轉(zhuǎn)子角控制策略的基本實(shí)現(xiàn)方法可以概述為：測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在GPS決定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子角偏離目標(biāo)值的情況，增減汽輪機(jī)的出力，以此增大或減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子角逐漸向設(shè)置的目標(biāo)值復(fù)歸，以實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)子在GPS坐標(biāo)系中的角度固定下來(lái)的目的。當(dāng)所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角在絕對(duì)坐標(biāo)系中都固定下來(lái)以后，各個(gè)發(fā)電機(jī)以坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)了頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。

加入轉(zhuǎn)子角控制器后，并未引進(jìn)新的電氣量，但是其控制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角卻成為連接發(fā)電機(jī)機(jī)械部分和電氣部分的渠道。依據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角偏離目標(biāo)值的情況，便可以得知電網(wǎng)的變化，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷變化的跟蹤和功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.2 結(jié)合儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制器結(jié)構(gòu)

目前的轉(zhuǎn)子角控制器的命令都會(huì)發(fā)往汽輪機(jī)調(diào)門執(zhí)行，即用汽輪機(jī)作為執(zhí)行設(shè)備，讓汽輪機(jī)同時(shí)承擔(dān)負(fù)荷跟蹤并提供阻尼轉(zhuǎn)矩功能。但是這種做法會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)頻繁動(dòng)作，尤其是控制器內(nèi)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)相位矯正的目的，會(huì)給出先超調(diào)再回調(diào)的控制指令，導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)門頻繁動(dòng)作，對(duì)機(jī)械壽命不利且會(huì)提高故障率。

近年來(lái)，儲(chǔ)能成本的下降使結(jié)合儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角控制成為可能。這是因?yàn)?，通過(guò)在發(fā)電機(jī)出口母線處安裝儲(chǔ)能裝置，可以間接地通過(guò)控制儲(chǔ)能出力來(lái)影響發(fā)電機(jī)軸系上的力矩。儲(chǔ)能發(fā)電增多，則發(fā)電機(jī)輸出電氣功率減少，軸系上負(fù)荷力矩隨之減少（等效為汽輪機(jī)輸出力矩增加），反之則負(fù)荷力矩增多。也就是說(shuō)，使用儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)和控制汽輪機(jī)開(kāi)度等效的效果。由于儲(chǔ)能不僅可以提供精確的輸出變化（對(duì)應(yīng)精準(zhǔn)的阻尼轉(zhuǎn)矩方向），還可以方便地在發(fā)電/充電狀態(tài)間切換，減少汽輪機(jī)跟蹤負(fù)荷時(shí)的不必要?jiǎng)幼?，所以結(jié)合儲(chǔ)能來(lái)實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制成為更好的選擇。

圖2所示為結(jié)合儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制器及汽輪機(jī)和儲(chǔ)能模型。圖2中包括汽輪機(jī)控制路徑和儲(chǔ)能控制路徑。可以看出，兩個(gè)控制路徑輸入相同，但是輸出指令分別發(fā)送到汽輪機(jī)和儲(chǔ)能執(zhí)行。此外，和圖1相比，汽輪機(jī)控制部分增加有動(dòng)作死區(qū)環(huán)節(jié)，以盡可能地減少汽輪機(jī)調(diào)門不必要的動(dòng)作，同時(shí)取消了補(bǔ)償環(huán)節(jié)。儲(chǔ)能控制部分則加入隔直環(huán)節(jié)，以保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電或放電功率為零。從運(yùn)行上看，汽輪機(jī)部分主要負(fù)責(zé)對(duì)負(fù)荷的變化進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)負(fù)荷跟蹤的功能。儲(chǔ)能部分則主要負(fù)責(zé)應(yīng)對(duì)相對(duì)頻繁的負(fù)荷波動(dòng)（避免此時(shí)汽輪機(jī)動(dòng)作），同時(shí)為抑制低頻振蕩提供阻尼轉(zhuǎn)矩。

圖2 結(jié)合儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制器及汽輪機(jī)和儲(chǔ)能模型

圖2中，Pmo和Peso分別為汽輪機(jī)輸出功率和儲(chǔ)能充電功率的指令值。在圖2中，汽輪機(jī)控制路徑的Kp、Kd系數(shù)一般取0.1和20，這是因?yàn)楹笳吆蛡鹘y(tǒng)一次調(diào)頻的意義相似，而一次調(diào)頻的對(duì)應(yīng)系數(shù)為20或25。前者則通過(guò)PID參數(shù)調(diào)整過(guò)程，綜合超調(diào)幅度、振蕩時(shí)間等確定為0.1。此外，在儲(chǔ)能路徑中，這兩個(gè)參數(shù)都乘以了一個(gè)系數(shù)Kes，這個(gè)系數(shù)和儲(chǔ)能容量相關(guān)。Kes越大，儲(chǔ)能分擔(dān)汽輪機(jī)調(diào)門波動(dòng)的效果越好，提供低頻振蕩阻尼的效果越好，但相應(yīng)的對(duì)儲(chǔ)能容量要求也越高。隔直環(huán)節(jié)的Tw可取為1～5s，若Tw太小，則負(fù)荷波動(dòng)引起的儲(chǔ)能變化會(huì)很快消退，會(huì)影響儲(chǔ)能分擔(dān)汽輪機(jī)波動(dòng)的效果，若Tw太大，則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能在一個(gè)時(shí)段的平均出力不為0，引起持續(xù)的充電或放電，進(jìn)而影響儲(chǔ)能利用峰谷差價(jià)盈利。

2 新模式下的同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩

2.1 同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩

由圖2可得，在進(jìn)行小擾動(dòng)分析時(shí)，汽輪機(jī)控制路徑和儲(chǔ)能控制路徑的傳遞函數(shù)分別為

式中，GDP為死區(qū)環(huán)節(jié)。此外，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)Hes(s)依據(jù)文獻(xiàn)[14]簡(jiǎn)化為一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)，即

除此之外，儲(chǔ)能系統(tǒng)還應(yīng)有相關(guān)限制，如儲(chǔ)能的容量限制、充放電功率限制及逆變器的容量限制等。在分析小干擾穩(wěn)定時(shí)可以不考慮這些。

文獻(xiàn)[15]中分析得到，在小干擾穩(wěn)定中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功控制主要通過(guò)直接影響發(fā)電機(jī)電磁功率來(lái)參與發(fā)電機(jī)有功/頻率的調(diào)節(jié)。因此，結(jié)合儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)子角控制器接入Heffron-Philips單機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化線性化模型如圖3所示。

圖3 控制器接入單機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化線性化模型

其中，Heffron-Philips模型的各參數(shù)定義可以參考文獻(xiàn)[16]。ΔPes為儲(chǔ)能設(shè)備的充電功率變化量，參數(shù)C12為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率轉(zhuǎn)化為影響發(fā)電機(jī)電磁功率ΔPe3的系數(shù)，該系數(shù)與發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的參數(shù)有關(guān)。在單機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子角偏離目標(biāo)值時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備可以通過(guò)充電或放電來(lái)改變有功分布，間接影響發(fā)電機(jī)的電磁功率，提供使角度回歸的轉(zhuǎn)矩。如果忽略有功損耗，可以近似認(rèn)為儲(chǔ)能設(shè)備提供的有功功率全部用于改變機(jī)組的電磁功率。

由于汽輪機(jī)控制路徑增加了調(diào)門動(dòng)作死區(qū)，同時(shí)取消了補(bǔ)償環(huán)節(jié)，無(wú)法產(chǎn)生正確的阻尼力矩，而且一般不會(huì)考慮汽輪機(jī)的阻尼作用，所以計(jì)算同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以只考慮儲(chǔ)能控制部分。

由于需要偏轉(zhuǎn)的角度不多，所以補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用m=1的一階超前模塊，由圖2可得儲(chǔ)能控制路徑產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的傳遞函數(shù)（Kes取1）為

將s=jωd（ωd為系統(tǒng)的某一個(gè)振蕩頻率）代入式（4）中，可得

其中

因?yàn)閟=jωd，Δω=sΔδ/ω0，可將式（5）表示為

式（7）表明，儲(chǔ)能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以分為兩個(gè)部分，前者與Δδ成比例，為同步轉(zhuǎn)矩，后者與Δω成比例，為阻尼轉(zhuǎn)矩。其中，KS3和KD3分別為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

2.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電磁轉(zhuǎn)矩的路徑中存在兩個(gè)環(huán)節(jié)，高通環(huán)節(jié)和儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，其中前者會(huì)導(dǎo)致相位領(lǐng)先，而后者導(dǎo)致相位滯后。在進(jìn)行相位補(bǔ)償時(shí)，需對(duì)兩個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相位延遲總和進(jìn)行補(bǔ)償。

假設(shè)需要抑制的低頻振蕩頻率為ωd。高通和儲(chǔ)能偏轉(zhuǎn)的相位和為esφ。然后可以求得超前環(huán)節(jié)的參數(shù)為

在實(shí)際設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)需要補(bǔ)償?shù)慕嵌群碗娏ο到y(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer, PSS）相比小得多（在±10°內(nèi)）。這主要是因?yàn)閮?chǔ)能響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)很小。而傳統(tǒng)的PSS需要通過(guò)勵(lì)磁器和勵(lì)磁繞組間接發(fā)揮作用，這兩者時(shí)間常數(shù)大，所以引起的轉(zhuǎn)矩角度偏轉(zhuǎn)大，需要補(bǔ)償?shù)慕嵌染痛蟆?/p>

進(jìn)一步分析還會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管PSS可以通過(guò)角度補(bǔ)償在指定頻率得到最佳的效果，但是頻率一旦偏離（無(wú)論是由于參數(shù)不準(zhǔn)確或者運(yùn)行狀態(tài)變化，還是對(duì)系統(tǒng)中存在的其他振蕩頻率），補(bǔ)償環(huán)節(jié)偏轉(zhuǎn)后的力矩角度就會(huì)偏離期望值，阻尼轉(zhuǎn)矩就會(huì)顯著下降。若使用儲(chǔ)能提供阻尼轉(zhuǎn)矩，由于時(shí)間常數(shù)小，即使頻率偏離計(jì)算頻率，引起的角度偏差也不會(huì)太大，所以這種方式對(duì)各種工況變化或參數(shù)變化的適應(yīng)性也更好。

2.3 阻尼比的影響

根據(jù)前述分析，由式（8）和式（9）可以對(duì)同一個(gè)頻率范圍計(jì)算同步和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，分別如圖4和圖5所示。

圖4 儲(chǔ)能控制器提供的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)

圖5 儲(chǔ)能控制器提供的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)

從圖4和圖5可以看出，利用儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子角控制可以在0.1～0.5Hz范圍內(nèi)提供相對(duì)平坦的阻尼轉(zhuǎn)矩。

此外，在得到單機(jī)系統(tǒng)總的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)KS和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)KD后，可計(jì)算阻尼比為

式中，TJ為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)圖4可知，在0.1～0.5Hz頻域中，轉(zhuǎn)子角控制提供的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)KS3都相對(duì)很小。由于同步電網(wǎng)會(huì)提供一個(gè)相對(duì)很大的KS，所以KS3對(duì)式（12）中的KS影響很小，故對(duì)阻尼比計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有影響，即盡管新模式提供的同步轉(zhuǎn)矩會(huì)降低低頻振蕩抑制效果，但是其影響微乎其微。

3 負(fù)荷跟蹤的仿真驗(yàn)證

從前述分析可知，使用轉(zhuǎn)子角控制抑制低頻振蕩時(shí)，提供阻尼的原理與類似研究[15]本質(zhì)相同，差別主要在于轉(zhuǎn)子角控制會(huì)提供額外的同步轉(zhuǎn)矩（本質(zhì)上是為了進(jìn)行負(fù)荷跟蹤）。由于這種額外的同步轉(zhuǎn)矩基本不影響阻尼比，所以在擾動(dòng)后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為會(huì)與其他利用儲(chǔ)能抑制振蕩的研究類似，為此，本文不再對(duì)擾動(dòng)后的振蕩和抑制效果進(jìn)行仿真分析，主要對(duì)負(fù)荷跟蹤過(guò)程中減少汽輪機(jī)動(dòng)作的效果進(jìn)行仿真。

3.1 負(fù)荷沖量擾動(dòng)響應(yīng)

圖6所示為單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)加裝轉(zhuǎn)子角控制器。初始狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)輸出功率為0.549p.u.，與負(fù)荷保持平衡，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，儲(chǔ)能輸出功率為零。假設(shè)在t=5s時(shí)，負(fù)荷需求突然增加0.006p.u.，且持續(xù)時(shí)間為2s（這是一個(gè)ΔP×Δt= 0.012的單向負(fù)荷沖量）。仿真得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子角、汽輪機(jī)輸出指令和儲(chǔ)能輸出變化分別如圖7所示。

圖6 單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)

圖7 單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)模擬負(fù)荷沖量

從圖7可以看出，負(fù)荷增加后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)速都開(kāi)始下降，隨后轉(zhuǎn)子角控制器給儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出指令，增加儲(chǔ)能輸出，分擔(dān)了發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度開(kāi)始回歸。2s后，負(fù)荷沖量結(jié)束，儲(chǔ)能輸出也隨之消退。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速最終停留在額定轉(zhuǎn)速。整個(gè)過(guò)程中，汽輪機(jī)路徑的PD控制輸出未越死區(qū)所以不會(huì)給汽輪機(jī)調(diào)門發(fā)出指令，汽輪機(jī)輸出沒(méi)有改變。

如果負(fù)荷變化沒(méi)有在2s后消失，則儲(chǔ)能的輸出會(huì)因?yàn)楦糁杯h(huán)節(jié)的作用而逐漸消退，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角繼續(xù)變化，使汽輪機(jī)處的轉(zhuǎn)子角控制發(fā)揮作用，汽輪機(jī)增發(fā)功率同樣可以實(shí)現(xiàn)功率平衡和頻率的自動(dòng)恢復(fù)。這些動(dòng)態(tài)過(guò)程已經(jīng)在文獻(xiàn)[1-3]中描述，在此不再贅述。

還可以對(duì)新模式和傳統(tǒng)模式（一次調(diào)頻模式）進(jìn)行比較。首先，根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可知，如果汽輪機(jī)一次調(diào)頻死區(qū)為2轉(zhuǎn)，則僅當(dāng)負(fù)荷沖量不大于ΔP×Δt=(2/3 000)×TJ=0.000 66TJ時(shí)才可以僅利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能彌補(bǔ)有功缺額。只要負(fù)荷需求大于這一數(shù)值就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)死區(qū)，進(jìn)而觸發(fā)調(diào)門動(dòng)作。而這一數(shù)值遠(yuǎn)小于前述仿真使用的負(fù)荷沖量大小。其次，即使負(fù)荷沖量較小，沒(méi)有觸發(fā)一次調(diào)頻動(dòng)作，所述擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)在擾動(dòng)后的轉(zhuǎn)速不是額定轉(zhuǎn)速（只有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子改變速度，才能釋放出能量）。由此可見(jiàn)，新模式可以有效減少汽輪機(jī)的調(diào)整次數(shù)，并提高電能質(zhì)量。

3.2 長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷跟蹤

和負(fù)荷沖量擾動(dòng)相比，更有意義的是長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷跟蹤時(shí)的效果。為此，假設(shè)圖6中負(fù)荷從t=60s開(kāi)始按照0.007 5p.u./min的速率爬升，同時(shí)給負(fù)荷施加適當(dāng)?shù)陌自肼晛?lái)模擬實(shí)際負(fù)荷波動(dòng)，進(jìn)行仿真。圖8為仿真得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）偏差、汽輪機(jī)有功輸出和儲(chǔ)能有功輸出變化。從圖8中可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速被時(shí)刻維持在額定頻率附近，而且頻差很?。ㄗ畲箢l差不到0.005Hz）。此外，儲(chǔ)能輸出不斷地在0值附近波動(dòng)，汽輪機(jī)輸出則表現(xiàn)出明顯的分段變化，充分體現(xiàn)了儲(chǔ)能減少汽輪機(jī)調(diào)整次數(shù)的效果。

圖8 機(jī)組輸出變化（轉(zhuǎn)子角控制模式）

如果負(fù)荷持續(xù)增加或減少，則僅依靠隔直環(huán)節(jié)無(wú)法保證儲(chǔ)能在調(diào)整過(guò)程中的充電/放電能量之和為零，導(dǎo)致儲(chǔ)能的電能減少或增加。雖然這種調(diào)整偏差也是在削峰填谷，但其未必處于最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)。因此，控制和優(yōu)化之間的協(xié)調(diào)工作還有待進(jìn)一步探索。

作為比較，還可以假設(shè)圖6中的發(fā)電機(jī)使用傳統(tǒng)方式（僅配置一次調(diào)頻和AGC）進(jìn)行仿真，將得到的頻率曲線圖9和使用轉(zhuǎn)子角控制模式得到的頻率曲線圖8進(jìn)行比較。從圖9中可以看出，一次調(diào)頻模式頻率波動(dòng)幅度明顯大得多，而且受制于AGC積分時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間不能回到額定頻率，而轉(zhuǎn)子角控制總能很快自動(dòng)回歸額定頻率。此外，圖9中越頻率死區(qū)（0.66×10-3p.u.）的時(shí)刻都會(huì)對(duì)應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作，調(diào)整次數(shù)顯然比圖8中調(diào)整次數(shù)多很多。

圖9 機(jī)組輸出變化（一次調(diào)頻和AGC模式）

4 結(jié)論

如果在發(fā)電機(jī)出口安裝儲(chǔ)能裝置，則可以通過(guò)改變儲(chǔ)能輸出間接影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子角控制的輸出指令可以發(fā)給汽輪機(jī)和儲(chǔ)能裝置一起執(zhí)行，前者負(fù)責(zé)自動(dòng)的負(fù)荷跟蹤，后者負(fù)責(zé)提供阻尼轉(zhuǎn)矩和應(yīng)對(duì)較小的負(fù)荷波動(dòng)，避免汽輪機(jī)調(diào)門頻繁調(diào)整。

分析表明，結(jié)合儲(chǔ)能的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角控制會(huì)同時(shí)提供額外的同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，其中阻尼轉(zhuǎn)矩在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)變化不大，能夠更好地適應(yīng)多種工況。同步轉(zhuǎn)矩會(huì)影響低頻振蕩抑制的效果（阻尼比），但影響相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。仿真結(jié)果表明，結(jié)合儲(chǔ)能后，轉(zhuǎn)子角控制可以自動(dòng)跟蹤負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)無(wú)需調(diào)度和AGC干預(yù)的自動(dòng)頻率恢復(fù)，汽輪機(jī)調(diào)門動(dòng)作次數(shù)比現(xiàn)有一次調(diào)頻模式少。這種組合克服了過(guò)去轉(zhuǎn)子角控制面臨的主要問(wèn)題，也使其廣泛實(shí)施部署成為可能。