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作者：左興龍1(圖片), 柳亦兵1, 秦潤2, 曲文浩2, 滕偉1(圖片)
單位：1. 華北電力大學先進飛輪儲能技術研究中心；2. 深能南京能源控股有限公司
引用：左興龍, 柳亦兵, 秦潤, 等. 飛輪儲能虛擬同步機動態(tài)特性及對電力系統(tǒng)頻率的改善分析[J]. 儲能科學與技術, 2023, 12(6): 1920-1927.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0059
摘 要 “雙碳”目標提出后，可再生能源發(fā)電持續(xù)增加，傳統(tǒng)火電機組占比下降，電力系統(tǒng)慣量降低，頻率安全面臨挑戰(zhàn)。飛輪儲能虛擬同步機(VSG)具備快速響應和慣量支撐能力，能夠改善電力系統(tǒng)頻率特性。本工作首先建立飛輪儲能VSG模型，分析其在不同阻尼狀態(tài)下的動態(tài)響應特性，驗證了飛輪儲能VSG的慣量和快速響應優(yōu)勢，并確定2.5 MW/0.5 MWh飛輪儲能陣列VSG的最佳控制參數(shù)。隨后建立含飛輪儲能VSG的電力系統(tǒng)頻率響應擴展模型，闡述飛輪儲能VSG的慣性響應和調頻能力，并在Matlab/Simulink環(huán)境中對某區(qū)域電力系統(tǒng)進行仿真分析，驗證飛輪儲能VSG調頻輔助和慣量支撐作用，能夠抑制電力系統(tǒng)在功率擾動時的頻率跌落，抬升頻率最低點，改善電力系統(tǒng)頻率惡化現(xiàn)狀。
關鍵詞 飛輪儲能；虛擬同步機；慣量；頻率特性
自2020年9月我國明確提出 “雙碳”目標以來，以風力發(fā)電和光伏發(fā)電為主的可再生能源發(fā)展勢頭持續(xù)強勁，滲透率不斷提高。然而，由于可再生能源具有隨機性、波動性和間歇性等特點，并且均通過電力電子變換器并入電網(wǎng)，傳統(tǒng)控制的電力電子變換器不具備功角特性，無法為電力系統(tǒng)提供所需要的轉動慣量。隨著傳統(tǒng)火電機組占比下降，電力系統(tǒng)中同步機的機械電磁出力減少，電力系統(tǒng)轉動慣量下降，形成低慣量電力系統(tǒng)。當電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動時，頻率特性惡化，電力系統(tǒng)頻率安全事故頻發(fā)。
采用虛擬同步機(virtual synchronous generator，VSG)控制電力電子變換器，模擬同步發(fā)電機的慣性和阻尼，可以使儲能設備具備慣性，同時增強其在電力系統(tǒng)中的頻率調節(jié)能力。儲能VSG的實現(xiàn)不僅需要合理的參數(shù)設計來保證系統(tǒng)穩(wěn)定，同時需要儲能單元的能量轉換支撐，以獲得快速持續(xù)的慣性模擬。建立了基于VSG控制的儲能變換器模型，分析了參數(shù)設計對VSG功率振蕩的影響；從儲能SOC角度提出了考慮儲能充放電功率限制的VSG控制策略；分析了VSG在輸入功率和電網(wǎng)頻率變化時的頻率特性以及與所需的儲能容量之間的關系；提出電化學-超級電容混合儲能VSG的頻率優(yōu)化策略，提高頻率調節(jié)能力。而上述研究基本集中于儲能VSG策略和參數(shù)設計，未對其在大電網(wǎng)中的調節(jié)作用展開深入驗證；且不同儲能系統(tǒng)特性各異，目前儲能VSG以電池儲能單元為主，其他儲能VSG還未進行廣泛研究。
大容量高功率的飛輪儲能系統(tǒng)具備容量和功率的雙重優(yōu)勢，具備快速充放電特性，是優(yōu)質的調頻資源。通過VSG控制能夠讓飛輪儲能快速響應電力系統(tǒng)功率變化且具備慣性支撐能力，能夠更好地綜合改善電力系統(tǒng)頻率。本工作通過VSG控制飛輪儲能網(wǎng)側變換器，建立飛輪儲能VSG標幺化模型，研究飛輪儲能系統(tǒng)VSG的動態(tài)響應特性。將飛輪儲能VSG應用于區(qū)域大電網(wǎng)中，建立含飛輪儲能VSG的電力系統(tǒng)頻率響應模型，驗證飛輪儲能VSG的慣性支撐作用，以及快速的調頻輔助能力。
1 飛輪儲能VSG
1.1 飛輪儲能VSG數(shù)學模型
飛輪儲能虛擬同步機的控制原理如圖1所示。圖中，圖片為VSG輸入功率，圖片和圖片分別為VSG的輸出有功功率和無功功率，圖片和圖片分別為VSG的有功參考功率和無功參考功率，圖片、圖片、圖片為VSG輸出三相電壓值。飛輪儲能VSG的核心是借鑒同步發(fā)電機的轉子運動方程和定子電氣方程建模，通過控制直流母線側的飛輪儲能并網(wǎng)變換器，模擬虛擬轉動慣量和阻尼特性，具備有功調頻和無功調壓能力。本工作主要研究儲能VSG的有功-頻率控制。
圖1 飛輪儲能虛擬同步機（VSG）控制原理
傳統(tǒng)同步發(fā)電機的轉子運動方程為
由此得到VSG有功-頻率控制原理圖如圖2所示。
圖2 飛輪儲能VSG有功-頻率控制原理圖
1.2 飛輪儲能VSG動態(tài)響應特性
根據(jù)上述分析，對圖1所示的飛輪儲能系統(tǒng)VSG的動態(tài)響應進行仿真，假設飛輪儲能系統(tǒng)容量為2.5 MW/0.5 MWh，由10臺250 kW/50 kWh飛輪儲能單元組成，各單元具有獨立的機側變流器，整個陣列通過一臺網(wǎng)側變換器實現(xiàn)并網(wǎng)。網(wǎng)側變流器采用VSG控制，設定的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
表1 飛輪儲能VSG參數(shù)
注：p.u.表示的是標幺值。
通過建立圖2所示飛輪儲能VSG響應模型，當受到功率擾動指令為0.1 p.u.時，得到不同阻尼狀況下飛輪儲能VSG的頻率和輸出功率動態(tài)響應如圖3所示。
圖3 飛輪儲能VSG動態(tài)響應
為支撐飛輪儲能VSG轉子運動過程，不同阻尼比下飛輪儲能均能及時響應，通過轉速變化快速釋能提供系統(tǒng)所需的功率和能量支撐，飛輪轉速變化如圖4所示。
圖4 飛輪儲能釋能過程轉速變化
不同阻尼狀態(tài)下，飛輪儲能VSG響應速度在秒級之內(nèi)，臨界阻尼和欠阻尼狀況下響應速度均達到毫秒級別，快速平抑系統(tǒng)功率變化達到穩(wěn)定狀態(tài)，充分發(fā)揮了飛輪儲能系統(tǒng)功率響應速度快的優(yōu)勢。當阻尼比為0.707時，飛輪儲能VSG動態(tài)響應較快、超調小，綜合響應效果最佳。
2 含飛輪儲能VSG的電力系統(tǒng)頻率特性
根據(jù)上述分析，飛輪儲能VSG能夠快速響應功率擾動變化，且具備同步發(fā)電機的慣量特性，能夠提供慣量支撐和輔助調頻。本節(jié)基于電力系統(tǒng)頻率響應模型(system frequency response，SFR)，建立含飛輪儲能VSG的電力系統(tǒng)擴展頻率響應模型，分析飛輪儲能VSG對電力系統(tǒng)頻率特性的綜合改善作用。
2.1 分析模型
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)頻率響應模型(SFR)由調速器、原動機、同步發(fā)電機組和負載組成，模型建立過程中對其進行等效處理和合理簡化。可再生能源比例不斷升高的電力系統(tǒng)中，可再生能源發(fā)電比例的增加通過關閉傳統(tǒng)同步發(fā)電機組來實現(xiàn)。假設可再生能源不參與一次調頻也不提供慣性，在SFR模型的基礎上，引入可再生能源發(fā)電比例的變量圖片，得到含可再生能源的電力系統(tǒng)擴展頻率響應模型。根據(jù)電力系統(tǒng)頻率控制原理，飛輪儲能VSG并網(wǎng)調頻時形成功率閉環(huán)和參考頻率雙閉環(huán)，對應飛輪儲能VSG的轉子運動方程和虛擬下垂控制過程，得到含飛輪儲能VSG的擴展電力系統(tǒng)頻率響應模型如圖5所示。
2.2 含飛輪儲能VSG的電力系統(tǒng)頻率響應
飛輪儲能VSG具備快速響應能力，圖5所示的含飛輪儲能VSG的擴展電力系統(tǒng)頻率響應模型中通常圖片=0.03 s，圖片環(huán)節(jié)近似為幅值為1的環(huán)節(jié)。圖5所示系統(tǒng)受到負荷功率擾動圖片后的頻率動態(tài)響應過程可以表示為
式(25)～式(27)中，在飛輪儲能VSG參與調節(jié)下，系統(tǒng)達到最大頻率偏差時間縮短，系統(tǒng)最大頻率偏差減小，系統(tǒng)在受到功率擾動時的頻率最低點出現(xiàn)明顯改善抬升，能夠更快地抑制系統(tǒng)頻率跌落；同時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差減小，進一步增強了系統(tǒng)調頻能力。
3 仿真分析
為直觀驗證分析飛輪儲能VSG對電力系統(tǒng)頻率特性的改善情況，在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建如圖6所示的某區(qū)域電力系統(tǒng)。假設區(qū)域額定負荷為1000 MW，系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，其中傳統(tǒng)火電機組占比70%，具備慣量響應和調頻功能，且作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點支撐電力系統(tǒng)的頻率和電壓；基于傳統(tǒng)控制(不具備一次調頻能力)的風電機組300 MW，占比為30%[18]?？紤]系統(tǒng)接入50 MW飛輪儲能VSG電站，占比約0.5%，由20個2.5 MW飛輪儲能單元的陣列構成。
圖6 某區(qū)域電力系統(tǒng)結構圖
取飛輪儲能VSG阻尼比為0.707，對系統(tǒng)參數(shù)進行標幺化計算，得到該區(qū)域的仿真參數(shù)如表2所示。
表2 仿真參數(shù)
假設該區(qū)域在1 s時受到5%的有功功率缺額擾動，分別計算分析無儲能調節(jié)、采用獨立飛輪儲能調節(jié)輔助(并網(wǎng)變換器無VSG)和飛輪儲能VSG輔助調節(jié)三種情況下的系統(tǒng)頻率響應，如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)頻率響應
無儲能參與調節(jié)時，該區(qū)域電力系統(tǒng)頻率在3.49 s達到頻率最低點49.68 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率為49.83 Hz。根據(jù)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定運行相關衡量指標，頻率最低點偏差超出規(guī)定的0.2 Hz范圍，不滿足穩(wěn)定運行要求。而獨立飛輪儲能調節(jié)下，系統(tǒng)在2.55 s達到頻率最低點49.852 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率為49.888 Hz，系統(tǒng)頻率響應滿足安全要求。采用飛輪儲能VSG參與輔助調節(jié)時，系統(tǒng)在2.45 s達到頻率最低點49.88 Hz，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率達到49.91 Hz，系統(tǒng)頻率響應滿足安全要求。獨立飛輪儲能并網(wǎng)變換器不具備慣性支撐能力，在系統(tǒng)發(fā)生功率缺額擾動時，僅飛輪儲能快速響應作為調頻支撐；而飛輪儲能VSG參與調節(jié)時，并網(wǎng)變換器提供慣量支撐，迅速抑制頻率變化，此時頻率最低點抬升幅度更大，達到頻率最低點的時間明顯更短，為區(qū)域電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了更加充足的保障。
從系統(tǒng)頻率響應過程來看，系統(tǒng)慣量響應集中體現(xiàn)在功率擾動發(fā)生后至頻率最低點時間范圍內(nèi)，該時間段的頻率變化率為圖片，是衡量系統(tǒng)慣量響應的主要參數(shù)之一，系統(tǒng)慣性越大，頻率變化率越低。無儲能調節(jié)、獨立飛輪儲能調節(jié)和飛輪儲能VSG調節(jié)時，系統(tǒng)的頻率變化率如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)頻率變化率
飛輪儲能VSG參與調節(jié)下，該區(qū)域系統(tǒng)頻率變化率明顯減小，相比于獨立飛輪儲能輔助調節(jié)，飛輪儲能VSG通過模擬同步發(fā)電機過程，獲得了較好地模擬慣量參與電力系統(tǒng)慣性響應，可以有效抑制系統(tǒng)在功率缺額擾動下的頻率快速跌落。
4 結論
本文針對飛輪儲能VSG進行研究，建立飛輪儲能VSG標幺化模型，分析了飛輪儲能VSG的動態(tài)響應特性，在不同阻尼比下飛輪儲能VSG均能提供一定的慣量支撐。對于10臺250 kW/50 kWh組成的飛輪儲能陣列VSG，仿真分析了不同阻尼比下的動態(tài)響應特性，飛輪儲能VSG具備快速響應能力，能夠較好地應對系統(tǒng)功頻變化。
飛輪儲能在VSG作用下使并網(wǎng)變換器具備了慣量，在系統(tǒng)慣性響應階段提供慣量支撐，抑制系統(tǒng)頻率跌落，抬升頻率最低點；同時發(fā)揮飛輪儲能快速響應優(yōu)勢，提供優(yōu)質調頻輔助，提升穩(wěn)態(tài)頻率偏差，能為高比例可再生能源發(fā)電和高比例電力電子設備的電力系統(tǒng)頻率特性提供支撐服務。
