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        光伏發(fā)電接入柔直互聯(lián)區(qū)域調(diào)頻措施研究

        2022-09-14 06:16:56王寶
        電器工業(yè) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:受端慣量控制參數(shù)

        王寶

        (陜西德源府谷能源有限公司)

        0 引言

        在傳統(tǒng)煤炭資源日益枯竭的背景下,人們開(kāi)始試圖用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源的分布式發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)電,光伏是分布式能源的重要形式,光伏發(fā)電技術(shù)將會(huì)有十分廣闊的發(fā)展前景。柔性直流輸電(VSC-HVDC)有潮流快速逆轉(zhuǎn)、有功無(wú)功解耦調(diào)控等特點(diǎn),為能源并網(wǎng)、電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域互聯(lián)等提供可靠的技術(shù)支持。近年,VSC-HVDC輸送功率比例持續(xù)增加,端電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組開(kāi)機(jī)影響著實(shí)際壓縮情況,增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性維持的難度。故而,應(yīng)積極探究頻率調(diào)控措施,確保不同區(qū)域之間形成相互支持的強(qiáng)大能力。

        1 分析電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)屬性

        構(gòu)建電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型(SFR),其能輔助分析發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常量給頻率動(dòng)態(tài)屬性帶來(lái)的影響。

        可以利用下式表示由負(fù)荷擾動(dòng)△PL至△f的傳遞函數(shù)G(s)[1]:

        如果系統(tǒng)負(fù)荷存在階躍擾動(dòng)的情況時(shí),用下式表示頻率f:

        式中,ζ表示阻尼比;ωn、ωd分別表示無(wú)阻尼阻尼震蕩頻率。

        運(yùn)用以上公式,可以較順利地計(jì)算出能呈現(xiàn)電力系統(tǒng)頻率屬性的指標(biāo),分析各指標(biāo)的改變規(guī)律,對(duì)頻率動(dòng)態(tài)屬性做出更合理的評(píng)估結(jié)論。

        圖1 頻率響應(yīng)模型

        在光伏發(fā)電接進(jìn)柔直互聯(lián)區(qū)的分析情景下,伴隨VSC-HVDC 輸送功率比例持續(xù)增加,減縮受端電網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)電源的開(kāi)機(jī),減少等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值,會(huì)造成系統(tǒng)的頻率屬性不斷下降,以致在干擾因素作用下受端電網(wǎng)的頻率改變率提高、最低點(diǎn)位下降、穩(wěn)態(tài)偏差加大等,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作。

        2 系統(tǒng)構(gòu)造

        光伏發(fā)電接進(jìn)柔直互聯(lián)區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[2]。

        圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        3 頻率附加控制措施

        3.1 頻率-直流電壓(f-Udc)

        觀察圖2,可用下式表示VSC-HVDC內(nèi)電容的動(dòng)態(tài)特性[3]:

        式中,Pg為傳送至受端電網(wǎng)的有功功率。為精簡(jiǎn)分析過(guò)程,不考慮有功功率損耗。

        運(yùn)用Cdc模擬發(fā)電機(jī)組的慣量響應(yīng)情況,則有:

        式中,Hdc為VSC2的慣性時(shí)間常數(shù)。

        將f-Udc附加控制整合到VSC2的控制器內(nèi),受端電網(wǎng)頻率被干擾時(shí),調(diào)整電壓參考值Udcref,以把受端電網(wǎng)頻率干擾信號(hào)傳送到電壓擾動(dòng)信號(hào)。

        3.2 VSC1 附加控制

        附加控制的宗旨在于把VSC-HVDC內(nèi)電壓擾動(dòng)信號(hào)傳送至光伏發(fā)電側(cè),提升受端電網(wǎng)頻率人工耦合效率,附加控制公式[4]:

        式中,fPV0、KA分別表示VSC1側(cè)的原始頻率、控制參數(shù)。

        3.3 虛擬慣量控制

        參照逆變器鎖相環(huán)的工作機(jī)制,推導(dǎo)出電網(wǎng)頻率f公式,能夠運(yùn)算出光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)過(guò)程內(nèi)增發(fā)的有功功率△PPV:

        式中,Utq代表發(fā)電單元端的電壓矢量;kppll、kipll分別是控制器的比例、積分系數(shù)。

        虛擬慣量的調(diào)控策略見(jiàn)圖3,和其他調(diào)頻控制方法相比,本文設(shè)計(jì)的這種策略操作過(guò)程簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng),不會(huì)提高硬件成本投入。

        圖3 虛擬慣量的調(diào)控策略

        3.4 調(diào)頻控制策略對(duì)頻率動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生的影響

        將調(diào)頻、附加控制策略用在光伏發(fā)電、VSCHVDC內(nèi)以后,建立相應(yīng)的頻率響應(yīng)模型,采用表示系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù),有[5]:

        可見(jiàn)運(yùn)用調(diào)頻測(cè)量會(huì)影響系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)H,H變化會(huì)作用于系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性,產(chǎn)生一定影響。

        系統(tǒng)處于被負(fù)荷干擾的工況時(shí),發(fā)現(xiàn)伴隨、數(shù)值的增加,系統(tǒng)等效相應(yīng)增長(zhǎng),頻率改變率的原始值域超調(diào)量均緩慢降低,最小頻率跌落值逐漸變大,相應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng),整體分析有益于提升系統(tǒng)運(yùn)行的安穩(wěn)性[6]。

        3.5 不同控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響

        伴隨參數(shù)HPV、kdc數(shù)值的增加過(guò)程,系統(tǒng)主導(dǎo)特征根會(huì)緩緩朝向?qū)嵼S的正半軸方向發(fā)生移動(dòng),表明系統(tǒng)運(yùn)行的可靠程度下降。這就預(yù)示著在對(duì)系統(tǒng)選擇調(diào)頻控制參數(shù)時(shí),要明確不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻屬性產(chǎn)生的影響,在此基礎(chǔ)上追求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的最大化。

        4 仿真驗(yàn)證

        于EMTDC/PSCAD內(nèi)建模,已知發(fā)電輸出的額定有功功率200MW。光伏發(fā)電仿真參數(shù):額定輸出功率500kW,400個(gè)發(fā)電單元,逆變器有功功率外環(huán)、有功及無(wú)功電流內(nèi)環(huán)分別是(2,200)、(1,100)、(1,100)。柔性直流輸電的仿真:額定輸出功率300MW,直流電壓、電容分別是160kV、2000μF,頻控制參數(shù)0.08。

        通過(guò)仿真分析,發(fā)現(xiàn)處于變動(dòng)狀態(tài)下的受端電網(wǎng)頻率信號(hào)以換流站直流電壓為載體被運(yùn)輸?shù)剿投穗娋W(wǎng),光伏發(fā)電系統(tǒng)感知到電網(wǎng)頻率被干擾以后,運(yùn)用虛擬慣量調(diào)控方式去增加輸電功率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)受端電壓頻率下落過(guò)程的有效抑制;光伏發(fā)電的等效慣量和數(shù)值大小變化過(guò)程維持同步,不斷增加時(shí),頻率動(dòng)態(tài)改變過(guò)程能給更多的功率提供支持作用。

        發(fā)電輸出功率處于限功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(對(duì)應(yīng)值180MW),t=30s時(shí),受端電網(wǎng)負(fù)荷降至50MW,即負(fù)荷減少,在這樣的工況下,換流站VSC1、VSC2統(tǒng)一運(yùn)用頻率附加控制、光伏發(fā)電運(yùn)用虛擬慣量調(diào)控時(shí),對(duì)受端電網(wǎng)頻率的增高過(guò)程能產(chǎn)生有效抑制作用[7]。

        發(fā)電輸出功率是180MW,t=30s時(shí),受端電網(wǎng)負(fù)荷提高 50MW,伴隨控制參數(shù)kdc數(shù)值增加,受端電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)改變的過(guò)程內(nèi),VSC-HVDC內(nèi)電容的放電功率相應(yīng)增多,有助于減少系統(tǒng)的最小頻率掉落幅度即頻率改變率,但是伴隨電流電壓數(shù)值減小過(guò)程的推進(jìn),兩個(gè)換流站發(fā)生過(guò)調(diào)制現(xiàn)象的概率相應(yīng)增加,對(duì)直流輸電過(guò)程可靠性產(chǎn)生一定影響。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        光伏發(fā)電是電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)進(jìn)程中的主要能量控制單元,虛擬慣量控制情況影響受端頻率變動(dòng)幅度,增加Hpv,有益于維持即固定系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。利用受端換流站的頻率控制策略,能人工耦合電網(wǎng)頻率和光伏發(fā)電過(guò)程。關(guān)于系統(tǒng)調(diào)頻控制參數(shù)的選擇問(wèn)題,不僅要明確不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻屬性產(chǎn)生的影響,也要追求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的最大化。

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