韓如磊,樊子銘,王 粟,聶子攀,邱清泉,葉 華,肖立業(yè)

(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所,北京 100190; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引言

大力發(fā)展以光伏、風(fēng)電為主的新能源是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”、解決我國(guó)能源戰(zhàn)略安全問題以及推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑。根據(jù)有關(guān)研究報(bào)告,到2060年“碳中和”場(chǎng)景下,預(yù)計(jì)我國(guó)的能源消費(fèi)總量約為50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,將回到2020年的水平[1]。綜合來自不同部門和專家的測(cè)算報(bào)告[2-5],預(yù)計(jì)2060年我國(guó)光伏、風(fēng)電裝機(jī)容量可達(dá)80億千瓦,將遠(yuǎn)大于火電、水電、核電等傳統(tǒng)電源的裝機(jī)容量。新能源電源出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn),且大多為非同步機(jī)電源,通過電力電子裝置并網(wǎng),普遍采用最大功率跟蹤點(diǎn)的控制方式,不具備傳統(tǒng)電源對(duì)電網(wǎng)的慣量支撐特性(雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接并網(wǎng),轉(zhuǎn)子勵(lì)磁通過電力電子變換器控制,其原理不具備本征慣量支撐的特性)。隨著新能源電源滲透率的逐漸增高,傳統(tǒng)電源容量占比逐漸降低,電力系統(tǒng)所面臨的頻率暫態(tài)穩(wěn)定性問題變得愈發(fā)嚴(yán)重。

2016年在澳大利亞中南部發(fā)生大規(guī)模停電事故,事故前,系統(tǒng)總功率為1.8 GW,風(fēng)電和光伏功率占比48.36%、燃?xì)廨啓C(jī)占比18.07%、聯(lián)絡(luò)線功率占比33.57%[6]。事故的主要原因是新能源機(jī)組功率占比高,導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量支撐不足[7]。

2019年英國(guó)發(fā)生“8.9”大停電事故,事故前,系統(tǒng)功率為29 GW,其中風(fēng)電占比30%、同步機(jī)電源占比52%、聯(lián)絡(luò)線輸入功率占比9%、其他電源占比9%[6]。故障的主要原因是系統(tǒng)總慣量較弱,在發(fā)生較嚴(yán)重發(fā)電功率損失情況下,頻率變化率超過新能源電源的保護(hù)閾值,造成新能源電源脫網(wǎng),繼而引發(fā)后續(xù)一系列的電源損失和切負(fù)荷操作,造成大規(guī)模的停電事故[8]。

在我國(guó),隨著新能源滲透率的提高,特高壓容量占比增加,同步電網(wǎng)的慣量和一次調(diào)頻的能力不斷下降,特高壓直流發(fā)生故障后功率損失占比高,帶來嚴(yán)重的大電網(wǎng)頻率安全問題[9]。

2015年,一條饋入華東的特高壓直流出現(xiàn)雙極閉鎖故障,瞬時(shí)損失功率5 400 MW,華東頻率最低跌至49.56 Hz,近10年來首次跌破49.8 Hz,頻率越限長(zhǎng)達(dá)數(shù)百秒[10]。

鑒于此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)新能源對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性影響進(jìn)行建模和研究,并提出了一些解決方案。文獻(xiàn)[11]研究了傳統(tǒng)同步機(jī)電源被大規(guī)模新能源以及直流跨區(qū)輸電代替的條件下,系統(tǒng)慣量變化的機(jī)理和規(guī)律,分析了不同慣量的形式以及響應(yīng)時(shí)間尺度,并預(yù)測(cè)了未來電網(wǎng)慣量的演化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[12]考慮系統(tǒng)功角穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、電力電子多頻段振蕩的因素,論述了高比例新能源滲透的新型電力系統(tǒng)仿真研究過程中對(duì)新能源場(chǎng)站建模的需求。文獻(xiàn)[13]綜合考慮系統(tǒng)頻率變化率和頻率最低點(diǎn)約束,提出系統(tǒng)最小慣量需求的評(píng)估方法。文獻(xiàn)[14]提出了通過退役火電機(jī)組改造成同步調(diào)相機(jī)用來為高比例風(fēng)能滲透的電力系統(tǒng)提供慣量支撐的方法,結(jié)合變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻率支撐的功能,可以提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]介紹了影響電網(wǎng)慣量水平的相關(guān)因素,總結(jié)了慣量變化的趨勢(shì),從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)、儲(chǔ)能等角度介紹了提高新能源高滲透率的新型電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定方法,分析了電池儲(chǔ)能用于電力系統(tǒng)頻率暫態(tài)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的策略以及優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[16-18]描述了新能源并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)慣量的影響、未來低慣量電力系統(tǒng)的特征、頻率穩(wěn)定性方法等。文獻(xiàn)[19]考慮了高比例新能源接入電網(wǎng)并且新能源電源采用附加控制手段提供虛擬慣量的情況,分析了系統(tǒng)頻率的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布,提出了節(jié)點(diǎn)等效慣量的概念用來量化系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的研究表明,新型電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率主要由慣量支撐和調(diào)頻特性決定,因此,對(duì)系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻的建模以及特性分析成為新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性研究以及解決方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。雖然,新能源的發(fā)展十分迅速,但是,在當(dāng)下以及雙碳目標(biāo)的進(jìn)程中,我國(guó)電網(wǎng)仍然會(huì)保持一定容量的煤電、水電等傳統(tǒng)能源作為保障性、應(yīng)急性或者備用性電源。因此,在研究高比例可再生能源新型電力系統(tǒng)相關(guān)問題時(shí),傳統(tǒng)電源的建模與新能源建模同等重要。

2 電源建模與仿真技術(shù)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,電源主要由火電、水電以及核電等傳統(tǒng)電源組成,以光伏、風(fēng)電為主的新能源在電網(wǎng)中的滲透率逐漸增加,傳統(tǒng)電源容量占比逐漸減小,但是,短期之內(nèi)傳統(tǒng)電源并不會(huì)被取而代之,而是與新能源電源共存。因此,研究新型電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻特性,需同時(shí)重點(diǎn)考慮傳統(tǒng)電源和新能源電源的響應(yīng)特性。

2.1 傳統(tǒng)電源建模

2.1.1 蒸汽輪機(jī)和水輪機(jī)建模

文獻(xiàn)[20]詳細(xì)描述了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中蒸汽輪機(jī)機(jī)組和水輪機(jī)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)以及透平與能量系統(tǒng)的模型。圖1包含了調(diào)速系統(tǒng)(Speed Governing System,SGS)、透平與能量系統(tǒng)(Turbine and Energy System,TES)、自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)系統(tǒng)的整體功能框圖,并標(biāo)明了調(diào)速系統(tǒng)以及透平與能量系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系。需要指出的是,在新型電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻的研究中,一般重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)暫態(tài)頻率的特性,屬于暫態(tài)穩(wěn)定性研究的范疇,假設(shè)頻率暫態(tài)過程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度較小,電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制指令在此過程中并不發(fā)生變化,調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率,即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來響應(yīng)并調(diào)節(jié)機(jī)組出力大小,維持同步電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)以及渦輪和能量系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系[20]

蒸汽輪機(jī)機(jī)組和水輪機(jī)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)通用模型[20]

圖2中,Δω為轉(zhuǎn)速擾動(dòng);K為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)總有效增益;Po為初始機(jī)械功率;Pup、Pdown分別為汽輪機(jī)閥門或者水輪機(jī)導(dǎo)葉輸出流體功率變化率的上下限幅;Pmax、Pmin分別為汽輪機(jī)閥門或者水輪機(jī)導(dǎo)葉輸出流體功率的上下限幅;PGV為汽輪機(jī)閥門或者水輪機(jī)導(dǎo)葉輸出流體功率;T1、T2、T3分別為調(diào)速系統(tǒng)時(shí)間常數(shù),s;為了計(jì)算方便,不同變量一般采取標(biāo)幺值的形式。

調(diào)速系統(tǒng)的功能在于控制汽輪機(jī)閥門或者水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度,從而控制蒸汽或者水流的流量,達(dá)到控制進(jìn)入透平或者水輪機(jī)機(jī)械功率的目的(由圖2中的PGV表示),在完成蒸汽透平或者水輪機(jī)葉片的功率轉(zhuǎn)化后,最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并靈活調(diào)節(jié)其輸出功率。為了維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定,當(dāng)Δω為負(fù)時(shí),控制PGV增發(fā)功率;當(dāng)Δω為正時(shí),控制PGV減發(fā)功率。汽輪機(jī)透平和水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,圖3為汽輪機(jī)透平的機(jī)械功率響應(yīng)模型,該模型為通用的汽輪機(jī)透平模型,可以通過改變模型中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)透平的建模。圖4為水輪機(jī)的機(jī)械功率響應(yīng)模型以及簡(jiǎn)化模型。其中,PM為輸出的機(jī)械功率;TW為水流慣性時(shí)間常數(shù);其他參數(shù)的定義可見文獻(xiàn)[20]。

圖3 汽輪機(jī)透平的機(jī)械功率響應(yīng)模型[20]

圖4 水輪機(jī)的機(jī)械功率響應(yīng)模型[20]

此外,文獻(xiàn)[21]提供了更為詳細(xì)的蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)的頻率暫態(tài)響應(yīng)模型,由于建模過于詳細(xì),一般適用于分析電廠內(nèi)部的機(jī)電暫態(tài)過程,而其提供的模型簡(jiǎn)化結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中的模型結(jié)構(gòu)和外特性相似。

文獻(xiàn)[22]提出了一種核電機(jī)組參與調(diào)頻的模型,將動(dòng)力來源的核汽輪機(jī)進(jìn)行建模。大型壓水堆核汽輪機(jī)通常包括一個(gè)高壓缸、三個(gè)低壓缸、汽水分離再熱器、凝汽器和回?zé)峒訜崞鞯?。壓水堆核電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型主要由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成:一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)、汽輪發(fā)電機(jī)功率控制環(huán)節(jié)、電液轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、高壓調(diào)閥油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)和管道及容器的容積時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)。其模型如圖5所示。其中μ為主蒸汽閥處主蒸汽的流通截面積;Ps為蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸飽和汽壓力;Tm為蒸汽發(fā)生器中U形管壁平均溫度;Ts為主蒸汽溫度;Ws為蒸汽發(fā)生器生成飽和蒸汽的質(zhì)量流量;Whp為流出再熱器殼側(cè)、流入低壓缸的蒸汽質(zhì)量流量;τhp為汽輪機(jī)高壓缸的容積效應(yīng)時(shí)間常數(shù);τrh為汽輪機(jī)汽水分離再熱器的容積效應(yīng)時(shí)間常數(shù);τlp為汽輪機(jī)低壓缸容積效應(yīng)時(shí)間常數(shù);Fhp為高壓缸功率占汽輪機(jī)機(jī)械功率的比例;Flp為低壓缸功率占汽輪機(jī)機(jī)械功率的比例;λ為高壓缸過調(diào)系數(shù),表征汽輪機(jī)高壓缸動(dòng)態(tài)過載現(xiàn)象。

圖5 核汽輪機(jī)模型[22]

2.1.2 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型

文獻(xiàn)[20,23]中的模型較為詳細(xì)和準(zhǔn)確地描述了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中蒸汽輪機(jī)和水輪機(jī)的暫態(tài)頻率響應(yīng)模型,其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,在應(yīng)用的過程中需要聚合不同的蒸汽輪機(jī)和水輪機(jī)模型組成一個(gè)完整電力系統(tǒng),并通過計(jì)算機(jī)模擬仿真和計(jì)算的方式分析其暫態(tài)頻率響應(yīng)特性。雖然這種方法的計(jì)算準(zhǔn)確性較高且充分考慮了不同蒸汽輪機(jī)和水輪機(jī)各自的參數(shù)以及暫態(tài)響應(yīng)特性,但是并不利于對(duì)系統(tǒng)頻率暫態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行解析分析以及快速計(jì)算。

為了簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)模型并進(jìn)行解析分析,文獻(xiàn)[24]提出了一種低階簡(jiǎn)化模型——系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型(System Frequency Response model,SFR),假設(shè)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組以中間再熱式汽輪機(jī)為主,該模型忽略了系統(tǒng)非線性以及其他對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)影響很小的時(shí)間常數(shù),只保留了電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)方程中最大的時(shí)間常數(shù),即發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)和中間再熱過程時(shí)間常數(shù)。同時(shí)該模型忽略了發(fā)電機(jī)組的分布特性以及頻率暫態(tài)響應(yīng)過程中不同機(jī)組之間暫態(tài)功率響應(yīng)差異,可以對(duì)系統(tǒng)頻率暫態(tài)響應(yīng)的平均值實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單且較為準(zhǔn)確的估計(jì)。

低階系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖6所示,Psp為功率給定變化量標(biāo)幺值;Pm為渦輪機(jī)機(jī)械功率變化量標(biāo)幺值;Pe為電力系統(tǒng)擾動(dòng)功率標(biāo)幺值;Pa為加速度功率變化量標(biāo)幺值,Pa=Pm-Pe;Δω為轉(zhuǎn)速擾動(dòng)標(biāo)幺值;FH為高壓渦輪機(jī)功率占總功率的比例;TR為中間再熱過程時(shí)間常數(shù),s;H為慣性常數(shù),s;D為阻尼系數(shù);Km為機(jī)械功率增益系數(shù);R為下垂系數(shù)。

圖6 低階系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型[24]

需要說明的是,該模型為擾動(dòng)信號(hào)模型,其中,輸入信號(hào)Pe、Psp分別為暫態(tài)過程中電力系統(tǒng)擾動(dòng)功率以及功率給定變化量,模型中的中間過程變量如Pm、Pa也是暫態(tài)響應(yīng)變化量,從而,模型的輸出量Δω也為擾動(dòng)輸入Pe和功率給定Psp變化后的暫態(tài)響應(yīng)結(jié)果,即電力系統(tǒng)頻率擾動(dòng),或者發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速擾動(dòng)。

如前所述,暫態(tài)穩(wěn)定性主要針對(duì)電力系統(tǒng)的慣量支撐和一次調(diào)頻響應(yīng)效果進(jìn)行分析,因此輸入信號(hào)中只保留電力系統(tǒng)擾動(dòng)功率Pe,把二次調(diào)頻開始后自動(dòng)發(fā)電控制對(duì)應(yīng)的Psp的變化量設(shè)為0,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖7所示。在簡(jiǎn)化后的模型中,引入新的變量Pd作為擾動(dòng)功率代替Pe,Pd的符號(hào)具有如下的定義:Pd>0表示發(fā)電功率突增;Pd<0表示負(fù)荷功率突增。在此基礎(chǔ)上,可以對(duì)頻率暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行解析分析。

圖7 擾動(dòng)輸入條件下簡(jiǎn)化系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型[24]

轉(zhuǎn)速擾動(dòng)標(biāo)幺值Δω的響應(yīng)方程為:

(1)

其中

一般而言,本文關(guān)注階躍信號(hào)的擾動(dòng),即:

Pd(t)=PStepu(t)

(2)

式中,PStep為擾動(dòng)幅值的標(biāo)幺值,基準(zhǔn)值為系統(tǒng)伏安基準(zhǔn)值SSB;u(t)為單位階躍方程,在拉普拉斯域中,階躍信號(hào)擾動(dòng)可以寫成:

(3)

代入式(1)可得:

(4)

改寫成時(shí)域頻率響應(yīng):

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

將頻率響應(yīng)對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分,可得頻率的變化率為:

(9)

(10)

(11)

(12)

從而得到最大頻率偏移量對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為:

(13)

從而完成電力系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)分析中兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的解析計(jì)算——擾動(dòng)開始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最大頻率變化率(Rate of Change of Frequency,RoCoF),以及最大頻率偏移量。整個(gè)建模的過程和分析針對(duì)的是一個(gè)蒸汽輪機(jī)的參數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,文獻(xiàn)[24]也提到了可以把系統(tǒng)中多個(gè)蒸汽輪機(jī)等效建模為單個(gè)蒸汽輪機(jī),構(gòu)成單機(jī)頻率響應(yīng)模型,從而簡(jiǎn)化整個(gè)電網(wǎng)的頻率響應(yīng)模型,但是,并未清楚地提出解析簡(jiǎn)化的方法,也沒有給出相應(yīng)的證明過程。

進(jìn)一步地,文獻(xiàn)[25]指出當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)機(jī)組時(shí),一般通過數(shù)值仿真或者根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)驗(yàn)來建立等效的單機(jī)頻率響應(yīng)模型,但是,仍缺少通用的多機(jī)組系統(tǒng)頻率解析模型。因此,文獻(xiàn)[25]提出了一種解析方法,用于將系統(tǒng)中不同的蒸汽機(jī)組聚合,將整個(gè)系統(tǒng)等效為單個(gè)蒸汽機(jī)組的頻率響應(yīng)模型,即聚合單機(jī)頻率響應(yīng)模型(Aggregated Single-machine Frequency Response model,ASFR),該模型如圖8所示,通過改變參數(shù)的取值,該模型可以將多個(gè)再熱式和非再熱式的蒸汽輪機(jī)聚合為一個(gè)等效的單機(jī)頻率響應(yīng)模型。圖8中,TC為蒸汽柜時(shí)間常數(shù);TG為調(diào)速器時(shí)間常數(shù)。該文對(duì)解析簡(jiǎn)化的過程進(jìn)行了詳細(xì)的步驟推導(dǎo),并且通過與存在多個(gè)機(jī)組的SFR模型以及全階仿真模型的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了ASFR建模的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[25]還將ASFR模型用于自動(dòng)發(fā)電控制以及需求側(cè)響應(yīng)的分析,獲得了與多機(jī)組SFR模型相一致的結(jié)果,其模型如圖9所示。除此之外,文獻(xiàn)[26]也通過SFR模型的改進(jìn),融合了需求側(cè)響應(yīng)功能,對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)進(jìn)行分析。

圖8 系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型的聚合[25]

圖9 包含二次調(diào)頻的多機(jī)組負(fù)荷側(cè)頻率控制響應(yīng)模型[25]

實(shí)際的大電網(wǎng)由多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)而成,不同的區(qū)域電網(wǎng)之間通過聯(lián)絡(luò)線相連,正常情況下,不同區(qū)域電網(wǎng)之間的頻率以及聯(lián)絡(luò)線上的功率是恒定的。每個(gè)區(qū)域電網(wǎng)中,AGC系統(tǒng)監(jiān)視電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率,計(jì)算所需發(fā)電功率的靜差(Area Control Error,ACE),通過改變區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)的給定值使ACE平均值維持在低值。因此,ACE同時(shí)與區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率交換值和頻率偏移量相關(guān),且呈線性關(guān)系。在AGC的作用下ACE的值變?yōu)?,即兩區(qū)域電網(wǎng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差均為0。文獻(xiàn)[27-36]建模了頻率響應(yīng)暫態(tài)窗口中兩不同區(qū)域電網(wǎng)的響應(yīng)特性,包括各自的慣量支撐功率、相互之間的慣量支撐功率、一次調(diào)頻和AGC響應(yīng)特性等,并且通過不同的算法,優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上的功率流。

進(jìn)一步,文獻(xiàn)[37]建模了兩個(gè)互聯(lián)的區(qū)域電網(wǎng)的頻率暫態(tài)響應(yīng),其中一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)中包含風(fēng)力發(fā)電電源。文獻(xiàn)[38]對(duì)三個(gè)互聯(lián)的區(qū)域電網(wǎng)的頻率暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行建模,其中每一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)中均包含一個(gè)聚合的風(fēng)力發(fā)電電源,該系統(tǒng)采用分布式模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行負(fù)荷側(cè)響應(yīng),系統(tǒng)性能獲得了提升。文獻(xiàn)[39]建模了兩個(gè)通過HVDC互聯(lián)的區(qū)域電網(wǎng)的頻率暫態(tài)響應(yīng)特性,并對(duì)其可靠性進(jìn)行分析。

2.2 新能源電源建模

文獻(xiàn)[24,25]討論的前提假設(shè)在于系統(tǒng)中的電源為蒸汽輪機(jī),且各機(jī)組模型結(jié)構(gòu)相同,參數(shù)可不同,因此,多個(gè)蒸汽輪機(jī)機(jī)組才可以聚合等效為單機(jī)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型,而現(xiàn)實(shí)中,不論是傳統(tǒng)電網(wǎng)還是新型電力系統(tǒng),其電源結(jié)構(gòu)都不能由單一的蒸汽輪機(jī)組成,還應(yīng)包括水電、核電、以風(fēng)電和光伏為主的新能源、以及各儲(chǔ)能機(jī)組。雖然,文獻(xiàn)[25]提到了風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)滲透造成的系統(tǒng)慣量數(shù)值上的影響表示方法,但是,這種簡(jiǎn)單的估計(jì)無法對(duì)新型電力系統(tǒng)中不同電源在頻率暫態(tài)響應(yīng)過程的特性。在很多研究中,更傾向于對(duì)電力系統(tǒng)中不同類型的電源分別建模,并且按照其各自容量占比設(shè)定其占整個(gè)系統(tǒng)容量的權(quán)重系數(shù),如文獻(xiàn)[40]的多機(jī)組SFR模型中,就包括蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī),其中,對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的虛擬慣量支撐以及一次調(diào)頻進(jìn)行了建模并簡(jiǎn)化,其模型如圖10所示。其中,慣量支撐通過對(duì)頻率變化的微分進(jìn)行控制,與文獻(xiàn)[41]中所述的電流源型虛擬同步機(jī)控制建模相同。多機(jī)組簡(jiǎn)化SFR模型的仿真結(jié)果與通過DIgSILENT PowerFactory軟件建模的IEEE 39節(jié)點(diǎn)新英格蘭測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了簡(jiǎn)化SFR模型的準(zhǔn)確性。

圖10 未來電力系統(tǒng)低階系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型[40]

風(fēng)電和光伏是兩大主要的新能源電源,其中,風(fēng)機(jī)以葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方式存儲(chǔ)一部分的動(dòng)能,可以作為電網(wǎng)慣量支撐和一次調(diào)頻用電源,協(xié)助維持頻率的穩(wěn)定性,光伏發(fā)電不具備本征能量存儲(chǔ)的機(jī)制,只能通過控制或者附加儲(chǔ)能的方式響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化以及協(xié)助維持電網(wǎng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電,文獻(xiàn)[42]提出了適合用于電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率建模的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和全功率變流器風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型,其模型如圖11所示,模型中各參數(shù)的定義見表1。根據(jù)該模型,文獻(xiàn)[43]對(duì)魯棒控制進(jìn)行電網(wǎng)一次調(diào)頻的方法進(jìn)行了研究,其對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模如圖12所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型參數(shù)

圖11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型[42]

圖12 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型[43]

以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例,其中:

(14)

Lss=Lls+Lm

(15)

Lrr=Llr+Lm

(16)

式中,Lm為勵(lì)磁電感;Rr為轉(zhuǎn)子電阻;Rs為定子電阻;Lls為定子漏電感;Llr為轉(zhuǎn)子漏電感;Lss為定子自感;Lrr為轉(zhuǎn)子自感;ωs為同步轉(zhuǎn)速;Ht為慣量常數(shù);

以一個(gè)2 MW的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)為例,其參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型參數(shù)

文獻(xiàn)[44]提出一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬慣量和一次調(diào)頻變系數(shù)控制策略,參與風(fēng)電-光伏-柴油發(fā)電機(jī)組微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié),其控制框圖如圖13所示。該文獻(xiàn)分析了不同風(fēng)速下的頻率響應(yīng)特性,不同風(fēng)速下虛擬慣量控制參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)變化。通過超速控制和俯仰角控制,保留了10%的風(fēng)機(jī)發(fā)電功率裕度——降額運(yùn)行,以消除最大功率點(diǎn)追蹤運(yùn)行模式下慣量支撐、一次調(diào)頻臨時(shí)超額功率輸出后發(fā)電功率下降的問題,為微電網(wǎng)提供永久的穩(wěn)定頻率支持。同時(shí),分析了不同風(fēng)速對(duì)下垂控制增益參數(shù)設(shè)置的影響。通過根據(jù)風(fēng)速變化不斷調(diào)整控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)可變系數(shù)方法,可以保證該策略在時(shí)變條件下的有效實(shí)施。最后,在具有太陽能、風(fēng)能和柴油發(fā)電機(jī)的微電網(wǎng)中測(cè)試并實(shí)現(xiàn)了這種協(xié)調(diào)控制策略。

圖13 含虛擬慣量控制的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型[44]

針對(duì)光伏發(fā)電,文獻(xiàn)[45]提出一種光伏參與調(diào)頻模型,將光伏電源的并網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等效為一階慣性環(huán)節(jié),如圖14所示,Tv為時(shí)間常數(shù),代表模型的響應(yīng)速度,考慮到光伏的功率-頻率下垂特性,將其取為接近功率型儲(chǔ)能的時(shí)間常數(shù)0.25～0.35之間。光伏場(chǎng)站通過功能改造向電網(wǎng)提供頻率支撐,其頻率控制框架由一次調(diào)頻死區(qū)與調(diào)差系數(shù)RR和慣性環(huán)節(jié)組成。DBR為光伏場(chǎng)站一次調(diào)頻死區(qū),KR為參與一次調(diào)頻光伏發(fā)電在系統(tǒng)中出力的占比。

圖14 光伏參與調(diào)頻模型[45]

文獻(xiàn)[46]結(jié)合3種光伏發(fā)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制策略(基于鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的常規(guī)虛擬慣量控制、基于低壓直流電容動(dòng)態(tài)的虛擬慣量控制、基于高壓直流電容動(dòng)態(tài)的虛擬慣量控制),當(dāng)光伏發(fā)電采用常規(guī)虛擬慣量控制策略后,含光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖15所示,調(diào)頻控制策略的本質(zhì)是改變了系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)H。

圖15 含光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型[46]

文獻(xiàn)[47]針對(duì)三相光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了一種同時(shí)利用直流母線電容器和降功率發(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)頻率支撐策略。圖16為一個(gè)典型的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D,該系統(tǒng)由光伏陣列、DC-DC換流器、DC-AC換流器等組成。DC-DC變換器用于將光伏陣列的電壓提升到適當(dāng)?shù)乃絹韺?shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。DC-AC逆變器用于控制直流母線電壓并將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并網(wǎng)。

圖16 光伏發(fā)電并網(wǎng)拓?fù)鋱D[47]

當(dāng)檢測(cè)到頻率變化時(shí),利用存儲(chǔ)在逆變器直流母線電容器中的能量來實(shí)現(xiàn)虛擬慣量支撐從而維持系統(tǒng)頻率變化率,其控制框圖如圖17(a)所示。同時(shí),還通過降功率控制策略,提供基于預(yù)留發(fā)電功率的系統(tǒng)頻率支撐,如圖17(b)所示。文獻(xiàn)[47]為了解決輻照度和環(huán)境溫度變化對(duì)工作條件的影響,設(shè)計(jì)了一種可變下垂方案,用于根據(jù)降功率動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率調(diào)節(jié)能力。該研究使用嵌入太陽能和柴油發(fā)電機(jī)的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了案例研究,以驗(yàn)證所提出的控制策略的有效性。

圖17 頻率支撐控制算法[47]

文獻(xiàn)[48]針對(duì)慣量不斷減小的問題,提出分布式電力系統(tǒng)虛擬慣量的概念,可通過并網(wǎng)功率變換器實(shí)現(xiàn)。無需修改系統(tǒng)硬件,電力系統(tǒng)慣性可以通過并網(wǎng)電力電子變換器的直流母線電容器中存儲(chǔ)的能量來模擬。通過調(diào)節(jié)與電網(wǎng)頻率成比例的直流母線電壓,直流母線電容器被作為頻率支持的能量緩沖器。此外,該文獻(xiàn)還確定了虛擬慣性的局限性及其設(shè)計(jì)參數(shù)。最后,通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提概念的可行性,結(jié)果表明,頻率最低點(diǎn)和頻率變化率分別提高了12.5%和降低了50%。圖18為并網(wǎng)電力電子變換器的模型,圖19為包含虛擬慣量響應(yīng)環(huán)節(jié)的電網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型。

圖18 并網(wǎng)電力電子變換器模型[48]

文獻(xiàn)[49]提出一種自適應(yīng)光伏頻率控制策略,以保留電網(wǎng)頻率支持所需的最小功率。訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測(cè)不同系統(tǒng)條件下的系統(tǒng)頻率響應(yīng),并根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型以及包括慣性在內(nèi)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)條件對(duì)光伏裕量?jī)?chǔ)備進(jìn)行自適應(yīng)分配。案例研究表明,與固定裕量控制方法相比,所提出的控制方法使用最小的功率儲(chǔ)備滿足頻率最低點(diǎn)要求。

2.3 儲(chǔ)能電源建模

文獻(xiàn)[50]提出了一種電池儲(chǔ)能參與調(diào)頻的等效模型,采用了DC-AC并網(wǎng)換流器有功功率-頻率下垂控制,并考慮了電池的荷電狀態(tài)約束,從頻率調(diào)整效果評(píng)價(jià)指標(biāo)出發(fā),分析了儲(chǔ)能在高比例可再生能源系統(tǒng)中調(diào)差系數(shù)對(duì)調(diào)頻效果的影響。

圖20為儲(chǔ)能電池調(diào)頻等效控制框圖,其中RB為儲(chǔ)能調(diào)差系數(shù),TB為儲(chǔ)能調(diào)頻慣性時(shí)間常數(shù)。

圖20 電池儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的模型[50]

文獻(xiàn)[51]對(duì)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行等效建模,建立了飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電進(jìn)行一次調(diào)頻的低階線性模型如圖21所示。并以虛擬下垂控制作為飛輪儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的控制方法,通過傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的頻率特性,在階躍負(fù)荷擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)的條件進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電一次調(diào)頻的仿真驗(yàn)證。

圖21 飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電一次調(diào)頻控制模型[51]

飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)由飛輪出力控制模塊和飛輪傳遞函數(shù)模塊組成,飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為:

(17)

式中,kF為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的下垂控制系數(shù);TF為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)間慣性常數(shù);這兩個(gè)參數(shù)通常取決于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的特性。

文獻(xiàn)[52]提出了一種基于永磁電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模型用于進(jìn)行電網(wǎng)暫態(tài)頻率進(jìn)行建模分析,并網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電站的拓?fù)淙鐖D22所示。該模型考慮了飛輪儲(chǔ)能單元的并聯(lián)陣列,并描述了飛輪運(yùn)動(dòng),直流母線電容器和控制器的動(dòng)力學(xué)。同時(shí)考慮單元級(jí)和場(chǎng)站級(jí)控制器。當(dāng)連接到阿根廷互連系統(tǒng)時(shí),在智利北部互連系統(tǒng)中測(cè)試50 MW的飛輪儲(chǔ)能電站模型。飛輪儲(chǔ)能電站為一次調(diào)頻提供瞬態(tài)支持,通過小信號(hào)分析和時(shí)域仿真研究其對(duì)穩(wěn)定性的影響。為了確定配置飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳位置,分析了區(qū)域間模式的特征值靈敏度。在風(fēng)能和太陽能發(fā)電的不同運(yùn)行場(chǎng)景下驗(yàn)證了配置效果。

圖22 飛輪儲(chǔ)能電站并網(wǎng)拓?fù)鋱D[52]

文獻(xiàn)[53]提出了研究氫電解槽提供虛擬慣量和一次、二次頻率響應(yīng)的模型,該模型如圖23所示,其中對(duì)電解槽堆棧電路、電力電子接口和相關(guān)變換器級(jí)控制回路提出了一個(gè)通用的、統(tǒng)一的氫電解槽動(dòng)態(tài)模型。堆棧的等效電路由其電流傳遞函數(shù)得出,極點(diǎn)和零點(diǎn)由其階躍響應(yīng)特性獲得。堆棧模型還考慮了相關(guān)的物理非線性和下游氫氣緩沖器/處理環(huán)節(jié)的約束。電力電子接口控制回路考慮了電堆模型參數(shù)、制氫過程運(yùn)行約束、堆棧溫度動(dòng)態(tài),以及應(yīng)急和調(diào)頻支撐服務(wù)的有功功率控制策略。

圖23 連接交流電網(wǎng)的大型氫電解槽的動(dòng)態(tài)模型[53]

此外,文獻(xiàn)[53]提出了一種虛擬同步機(jī)控制方法來提供虛擬慣性響應(yīng)如圖24所示,將建模應(yīng)用于堿性和質(zhì)子交換膜技術(shù),包括設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂品桨?。堿性和質(zhì)子交換膜技術(shù)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)特性如圖25所示。

圖24 氫電解槽虛擬同步機(jī)控制與同步方法[53]

圖25 堿性和質(zhì)子交換膜技術(shù)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)特性比較[53]

最后,文獻(xiàn)[53]在50%可再生能源情景下對(duì)澳大利亞東南互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,評(píng)估了堿性和質(zhì)子交換膜氫電解槽的頻率控制輔助服務(wù)性能,并討論了與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的比較與配合。

2.4 不同電源模型比較研究

根據(jù)前文對(duì)不同類型電源建模和仿真技術(shù)的內(nèi)容綜述,對(duì)傳統(tǒng)電源、新能源電源、儲(chǔ)能電源的模型以及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和比較,具體見表3。需要指出的是,前文中對(duì)不同電源的建模以及仿真技術(shù)描述比較詳細(xì),甚至有些模型過于復(fù)雜,既不便于快速提取關(guān)鍵參數(shù),又不便于對(duì)新型電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻響應(yīng)進(jìn)行建模、仿真以及特性分析。因此,在前文闡明各電源響應(yīng)機(jī)理和特性模型的基礎(chǔ)上,參考在電網(wǎng)運(yùn)行中各電源響應(yīng)特性的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),表3中對(duì)各電源的建模進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵參數(shù)快速提取,快速建模、仿真、特性分析的目的。然而,受限于自身復(fù)雜性、電網(wǎng)需求、控制策略等不同因素,某些電源模型目前無法進(jìn)行簡(jiǎn)化,如雙饋異步電機(jī)變速抽水儲(chǔ)能組;此外,有一些電源是新生事物,正處在示范運(yùn)行和調(diào)試階段,與電網(wǎng)的耦合機(jī)制以及控制特性仍然不明確,如壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組;這些系統(tǒng)參與慣量支撐和調(diào)頻的控制方法仍在研究當(dāng)中,將是以后建模分析研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)問題。

表3 不同電源慣量以及調(diào)頻特性比較

除此之外,在不同文獻(xiàn)中提出了通過風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電場(chǎng)降額運(yùn)行提供備用容量調(diào)頻的方案,一定程度上解決了一部分慣量支撐和調(diào)頻所需的有功功率響應(yīng)。需要注意的是,新能源出力一直處在波動(dòng)狀態(tài),本身也會(huì)引起電網(wǎng)頻率波動(dòng),所需考慮的不確定性因素也相應(yīng)增多,建模也相對(duì)復(fù)雜,是當(dāng)下和一段時(shí)間內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題。在風(fēng)機(jī)無風(fēng)停轉(zhuǎn)的狀態(tài)或者光伏板無陽光不發(fā)電的狀態(tài),新能源電源本身不出力,但是與新能源電源共同配置的儲(chǔ)能系統(tǒng),特別是與光伏、風(fēng)電一同配置的電池和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具備慣量支撐和調(diào)頻的能力。在目前大電網(wǎng)頻率響應(yīng)特性仿真和分析的研究中,還是要謹(jǐn)慎考慮新能源電源本身的慣量支撐和調(diào)頻的能力,在未來技術(shù)相對(duì)成熟和穩(wěn)定條件下,風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電場(chǎng)降額運(yùn)行提供備用容量進(jìn)行慣量支撐和調(diào)頻的方案可以作為新型電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的重要支撐。

3 仿真分析

前文提到新型電力系統(tǒng)中不同電源(包含儲(chǔ)能)的典型模型、參數(shù)以及特性。其中,包含電源內(nèi)部各子系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)理和特性的詳細(xì)版模型[20,23],該模型可以用于電源內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的建模,研究電源內(nèi)部的機(jī)電耦合響應(yīng)特性,也可用于研究電網(wǎng)系統(tǒng)小信號(hào)擾動(dòng)穩(wěn)定性、頻率控制方法,文獻(xiàn)[62]詳細(xì)描述了不同種類的詳細(xì)版模型,并且通過實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值的一致性,從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。這一類模型主要用于發(fā)電企業(yè)或者電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)部門,用于電網(wǎng)的規(guī)劃仿真以及研究電網(wǎng)的穩(wěn)定性等。

然而,對(duì)于聚焦研究新型電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻響應(yīng)特性的問題,電源模型只需要滿足仿真求解精度需求即可,不必對(duì)其內(nèi)部的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。因此,相比于詳細(xì)版電源模型,簡(jiǎn)化版模型更有利于被研究對(duì)象的系統(tǒng)簡(jiǎn)化和快速求解,文獻(xiàn)[24]提出的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型,可以滿足此要求,通過與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行基本一致。根據(jù)電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)和不同場(chǎng)景,可以對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型進(jìn)行更改和完善,從而滿足建模和仿真的需求。這一類模型計(jì)算量小,所需參數(shù)少且易于獲得,便于開展對(duì)電網(wǎng)慣量支撐和調(diào)頻響應(yīng)特性的研究,大多數(shù)公開文獻(xiàn)中所使用的模型均是這類模型,且由于所需系統(tǒng)參數(shù)少,比較適合高校和科研部門快速開展研究,也可為發(fā)電企業(yè)或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)部門提供設(shè)計(jì)和規(guī)劃參考。

在此基礎(chǔ)上,本節(jié)利用系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型,對(duì)不同新能源占比場(chǎng)景下的新型電力系統(tǒng)進(jìn)行建模,研究在不同功率擾動(dòng)下,不同系統(tǒng)慣量等條件下系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應(yīng)特性。模型如圖26所示,各參數(shù)均為表3當(dāng)中的典型值,其中,光伏電源參與一次調(diào)頻,風(fēng)力發(fā)電電源參與慣量支撐和一次調(diào)頻。其中1/RW為調(diào)頻下垂增益,KVI為虛擬慣性常數(shù),G(s)為風(fēng)機(jī)低階模型的傳遞函數(shù),具體模型和參數(shù)如文獻(xiàn)[40]所示。

圖26 電力系統(tǒng)慣量和調(diào)頻特性仿真模型

分別研究新能源(包含光伏和風(fēng)電)容量占比為10%、20%、30%、50%條件下,有功擾動(dòng)分別為0.05 pu、0.1 pu和0.15 pu條件下電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應(yīng)特性。不同方案的配置參數(shù)見表4,此時(shí),系統(tǒng)未配置任何儲(chǔ)能系統(tǒng),仿真結(jié)果如圖27～圖29所示,相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性指標(biāo)見表5。

表4 不同方案的電力系統(tǒng)配置

表5 有功擾動(dòng)0.05 pu下不同方案的頻率響應(yīng)指標(biāo)

圖27 有功擾動(dòng)0.05 pu下各方案對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)特性

圖28 有功擾動(dòng)0.1 pu下各方案對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)特性

圖29 有功擾動(dòng)0.15 pu下各方案對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)特性

由此可見,隨著新能源電源容量占比的逐漸增加,系統(tǒng)慣性常數(shù)逐漸減小,頻率變化率明顯增大,頻率最低點(diǎn)明顯降低。

新能源電源高占比條件下(方案4)配置不同容量電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,以及對(duì)應(yīng)的慣量支撐和調(diào)頻參數(shù)條件下電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。模型如圖30所示,各參數(shù)均為表3當(dāng)中的典型值,不同方案的配置參數(shù)見表6。從前文可知,電池儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能具有相似的頻率響應(yīng)特性,因此,此處研究將兩種儲(chǔ)能合并,考慮飛輪、電池儲(chǔ)能合并后兩者的容量系數(shù)。

表6 新能源占比50%條件下不同方案的電力系統(tǒng)配置

圖30 儲(chǔ)能參與的電力系統(tǒng)慣量和調(diào)頻特性仿真模型

有功擾動(dòng)分別為0.05 pu、0.1 pu、0.15 pu條件下電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應(yīng)特性如圖31～圖33所示,對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)特性指標(biāo)見表7。

表7 有功擾動(dòng)0.05 pu下不同方案的頻率響應(yīng)指標(biāo)

圖31 新能源占比50%,有功擾動(dòng)0.05 pu頻率響應(yīng)特性

圖32 新能源占比50%,有功擾動(dòng)0.1 pu頻率響應(yīng)特性

圖33 新能源占比50%,有功擾動(dòng)0.15 pu頻率響應(yīng)特性

由此可見,在50%新能源容量占比條件下,假設(shè)光伏電源通過備用容量提供一定的調(diào)頻支撐,風(fēng)力發(fā)電電源提供一定的慣量支撐和一次調(diào)頻的有功功率支撐,在0.05 pu的功率擾動(dòng)情況下,配合10%容量占比的儲(chǔ)能系統(tǒng)(方案4.1),其頻率最低點(diǎn)就可以和新能源容量占比10%的情況(方案1)相比較。相同的,在0.1 pu、0.15 pu擾動(dòng)情況下,配置10%的儲(chǔ)能系統(tǒng),可以使頻率跌落值不超過0.6 Hz。

4 結(jié)論

本文綜述了新型電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻特性研究過程中所需的典型模型,分析了傳統(tǒng)火電、水電、核電電源慣量支撐以及調(diào)頻階段功率響應(yīng)的機(jī)理以及特性,重點(diǎn)分析了不同新能源電源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的暫態(tài)功率響應(yīng)機(jī)理、控制方法、特征參數(shù)以及暫態(tài)功率響應(yīng)特性。

利用綜述中的典型模型以及特征參數(shù)對(duì)不同新能源占比條件下的新型電力系統(tǒng)進(jìn)行建模,仿真并分析不同新能源占比下以及不同儲(chǔ)能配置下電力系統(tǒng)慣量支撐和調(diào)頻特性,計(jì)算相應(yīng)的頻率變化率以及頻率最低點(diǎn)的變化情況。

未來新型電力系統(tǒng)中新能源滲透率逐漸升高,隨著新能源占比的逐漸提高,對(duì)新型電力系統(tǒng)將產(chǎn)生量變到質(zhì)變的影響,此外,電力電子等新型電源以及控制方式的投入,將改變電源的特性。隨著新型電源廣泛滲透,新能源滲透率的提高,將催生更多新型電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率特性和慣量支撐特性的建模和分析方法。