摘要 針對海上油田群電網(wǎng)接入海上風(fēng)電引發(fā)的頻率穩(wěn)定問題,提出了分散式風(fēng)儲一體化系統(tǒng)(distributed wind-storage integrated system,DWSIS)的解決方案。首先,基于某實際油田群電網(wǎng),構(gòu)建了DWSIS及其接入電網(wǎng)的模型;然后,提出了DWSIS改善電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的原理及分析方法;最后,通過各典型故障下的電磁暫態(tài)仿真,驗證了DWSIS的有效性和實用性。所提出的解決方案有望提升高風(fēng)電滲透率下海上油田群電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,進一步推動海上平臺生產(chǎn)的低碳化發(fā)展。
01 含DWSIS接入的海上油田電網(wǎng)模型
本文以某實際海上油田群電網(wǎng)為例進行建模,研究DWSIS提升頻率穩(wěn)定性的具體作用。
1.1 海上油田群電網(wǎng)概況
在電網(wǎng)建模中,主要考慮海底復(fù)合電纜、發(fā)電機、變壓器、負荷以及DWSIS,其整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。電網(wǎng)的總發(fā)電容量為49.2 MW,負荷為37.154 MW,功率因數(shù)為0.9。該電網(wǎng)規(guī)劃于平臺4處接入5臺1.5 MW海上風(fēng)電機組,以風(fēng)電容量與負荷有功之比計算,風(fēng)電滲透率為20%。
圖1 某海上油田群電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)
Fig.1 Structure of an offshore oilfield power system
基于潮流計算、安全需求和工程建設(shè)等因素,該油田群電網(wǎng)已知實際工作狀況如表1中工況1所示,另有工況2作為研究過程中的校核對照工況。
表1 油田群電網(wǎng)實際工作狀況
Table 1 Actual working status of oilfield power system
1.2 油田群電網(wǎng)元件模型
對于海底復(fù)合電纜,本文根據(jù)其無源二端口網(wǎng)絡(luò)特性建立其 π 形等值電路模型,包括電阻、電抗及對地電容;對于發(fā)電機,使用同步電機五階模型,以及IEEE型SCRX 19固態(tài)勵磁器模型和IEEE V2調(diào)速器模型;對于變壓器,使用原副邊線電壓變比、接線方式及短路阻抗來描述其特性;負荷主要包括高壓電機和低壓電機,分別近似為三相異步電動機三階動態(tài)模型與阻感負載模型。
1.3 DWSIS模型及控制方式
為提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性,使用DWSIS代替直驅(qū)海上風(fēng)機接入平臺4。相比于常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng),DWSIS中BESS通過雙向DC-DC變流器控制并聯(lián)至直驅(qū)風(fēng)電機組直流側(cè),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該內(nèi)嵌方式下,BESS與風(fēng)電機組共用并網(wǎng)設(shè)備,無須新增DC-AC變流器等裝置。
圖2 分散式風(fēng)儲一體化系統(tǒng)整體控制框圖
Fig.2 Integrated control block diagram of distributed wind-storage integrated system (DWSIS)
DWSIS中BESS的控制流程可分為實時監(jiān)測和動作2個階段,如圖3所示。
圖3 BESS控制流程
Fig.3 Flow chart of the battery energy storage system
在實時監(jiān)測階段,時刻判斷電網(wǎng)是否發(fā)生風(fēng)電波動及各類故障,在保護裝置動作或頻率突變時,BESS緊急發(fā)出/吸收功率,減小電網(wǎng)頻率偏差。BESS動作條件以電網(wǎng)頻率為依據(jù),參照頻率穩(wěn)定計算國家標準,即電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)頻率應(yīng)在49.5~51.0 Hz之間設(shè)定。
在動作階段,采用滿發(fā)動作、逐步退出的方式,即在發(fā)出/吸收功率時,BESS始終保持額定功率運行,以保證頻率調(diào)節(jié)能力最強。電網(wǎng)頻率恢復(fù)至允許范圍或BESS荷電率(state of charge,SOC)超出上下限后,BESS減少出力,在30 s內(nèi)線性降低出力、逐步退出,以保證對電網(wǎng)頻率影響較小。
02 頻率穩(wěn)定性提升原理及分析方法
2.1 頻率穩(wěn)定判據(jù)及提升原理
頻率穩(wěn)定性指電網(wǎng)受擾動后發(fā)電與負荷側(cè)出現(xiàn)較大功率不平衡時,頻率不發(fā)生崩潰并能恢復(fù)至允許范圍內(nèi)的能力。對于實際電網(wǎng),其判據(jù)為受擾后電網(wǎng)頻率低于47 Hz時長不超過0.5 s,穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至不低于49.5 Hz,且不長期高于51 Hz。
電網(wǎng)頻率f 可近似表示為
圖4 DWSIS與直驅(qū)風(fēng)機頻率特性對比
Fig.4 Comparison of frequency characteristics between DWSIS and direct-driven wind turbine
2.2 微電網(wǎng)典型故障選擇
根據(jù)所提原則,應(yīng)主要驗證產(chǎn)生或傳輸功率水平最大元件發(fā)生最嚴重故障時電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。已有研究提出,選擇風(fēng)電波動或跳閘、海纜失效、感應(yīng)電機啟動作為典型故障。在此基礎(chǔ)上,針對海上油田群電網(wǎng)有功裕度低、有概率運行在解列工況特點,本文綜合考慮正常運行、解列運行多側(cè)面,選擇典型故障如下。
1)最大容量發(fā)電機組發(fā)生三相短路故障并在5個周期后切機;
2)風(fēng)電機組出力波動;
3)最大功率傳輸線路發(fā)生三相短路故障并在5個周期后切除導(dǎo)致電網(wǎng)解列;
4)儲能裝置故障;
5)解列運行時風(fēng)電機組出力波動。
2.3 分析方法
為研究所提DWSIS方法的有效性,本文提出基于上述典型故障的對比分析方法,具體步驟如下。
1)綜合考慮正常運行、解列運行各工況典型故障,在僅接入直驅(qū)風(fēng)電機組情況下進行仿真,明確海上風(fēng)電接入后電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問題。
2)針對上述問題,研究DWSIS接入后對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響和提升作用,在接入DWSIS的情況下重復(fù)步驟1)中的仿真過程,對比分析步驟1)與2)的仿真結(jié)果。
3)選取步驟1)中最嚴重故障情況,對比分析不同儲能容量情況下DWSIS的頻率支撐能力差異及儲能裝置因故障退出運行的頻率影響。
現(xiàn)有主流DWSIS儲能裝置存在風(fēng)機容量5%、10%和20%這3種選擇,在步驟2)的對比分析中,選取比照效果最為顯著的20%風(fēng)機容量情況進行研究;在步驟3)的對比分析中,則均予以考慮。
03 仿真結(jié)果與討論
使用PSCAD/EMTDC平臺進行電磁暫態(tài)仿真,基于2.3節(jié)所述分析方法,依次獲得直驅(qū)風(fēng)機和DWSIS接入時電網(wǎng)各工況典型故障下的動態(tài)頻率響應(yīng)。
3.1 DWSIS與直驅(qū)風(fēng)機接入對比分析
3.1.1 最大容量燃氣輪機組切機
為將2種工況放在同一故障中對比,選擇兩工況均運行機組中容量最大的平臺5處5.2 MW機組切除情況進行仿真,結(jié)果如圖5所示。
圖5 最大容量機組切機對應(yīng)頻率響應(yīng)對比
Fig.5 Frequency response comparison of maximum capacity generator exit failures
故障后,DWSIS中的BESS因頻率下降而放電,增大了原直驅(qū)風(fēng)機處的功率,這使得電網(wǎng)有功分布更加平衡。同工況下,DWSIS的接入令電網(wǎng)最低頻率相較直驅(qū)風(fēng)機接入時提升近0.5 Hz,有效改善了電網(wǎng)的頻率響應(yīng)特性。
3.1.2 風(fēng)電出力波動
以時長跨度3600 s的實測風(fēng)速與風(fēng)電出力曲線為參照進行分析??紤]到全部仿真可行性較低,最終選擇1600~1635 s風(fēng)速,即風(fēng)電出力波動最大階段進行測試,結(jié)果如圖6與圖7所示。
圖6 風(fēng)速與風(fēng)電出力波動曲線
Fig.6 Wind speed and wind power fluctuation curve
圖7 風(fēng)電出力波動對應(yīng)頻率響應(yīng)對比
Fig.7 Frequency response comparison of wind power fluctuation
由圖7可知,DWSIS的接入改善了電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,令同種工況頻率最低值提升了0.3 Hz以上,有效減少了新能源出力波動對電網(wǎng)頻率的影響。
3.1.3 最大功率傳輸線路切除
該油田群電網(wǎng)主要經(jīng)單回線海纜連接,故線路切除后,電網(wǎng)會解列為2個部分。選擇傳輸功率最大的平臺1至2間線路斷線故障進行仿真,結(jié)果如圖8所示。工況2下電網(wǎng)頻率在故障后變化較小,儲能裝置并不動作,故不做討論。
圖8 最大功率傳輸線斷線對應(yīng)頻率響應(yīng)對比
Fig.8 Frequency response comparison of maximum power transmission line break
由圖8 a)可知,由于工況1的發(fā)電機組分布不均勻,故障后如不采取措施,電網(wǎng)將失穩(wěn)。與直驅(qū)風(fēng)機相比,DWSIS可增強電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性,使電網(wǎng)頻率維持在臨界穩(wěn)定狀態(tài)。
針對失穩(wěn)現(xiàn)象,為維持電網(wǎng)穩(wěn)定,直驅(qū)風(fēng)機接入情況須切除1.25 MW負荷,而DWSIS接入情況僅須切除0.09 MW負荷,仿真結(jié)果如圖8 b)所示??梢钥闯觯珼WSIS接入時電網(wǎng)切負荷量不足直驅(qū)風(fēng)機接入時的1/10,大大減小了負荷停電的影響。
3.1.4 解列情況下風(fēng)電出力波動
該油田群電網(wǎng)單回線較多,易因線路故障而在較長時段內(nèi)處于解列狀態(tài),因此有必要分析解列運行狀態(tài)下電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。根據(jù)圖1拓撲,電網(wǎng)主要有4種解列情況,即平臺1至2斷線、平臺2至3斷線、平臺3至4斷線、平臺4至5斷線,將上述4種情況依次記為a)、b)、c)、d)。
在工況1中導(dǎo)入風(fēng)速最大波動時的風(fēng)電出力,結(jié)果如圖9所示。電網(wǎng)解列后,不與平臺1相連的孤網(wǎng)非常薄弱,該小電網(wǎng)在大部分情況下會因風(fēng)電出力波動而失穩(wěn),須將風(fēng)機切除并啟用備用燃機或轉(zhuǎn)為運行成本較高的工況2運行;DWSIS的接入有效降低了風(fēng)電出力波動的影響,除c)情況外,解列后的小電網(wǎng)均可維持穩(wěn)定運行,無須切除風(fēng)機或轉(zhuǎn)變工況,在減少碳排放的同時降低了發(fā)電成本。
圖9 工況1解列情況下風(fēng)電波動對應(yīng)電網(wǎng)頻率響應(yīng)
Fig.9 Frequency response of wind power fluctuation when system splitting in case 1
工況2解列情況下的仿真結(jié)果如圖10所示,DWSIS的接入能夠使電網(wǎng)最低頻率從48 Hz以下提升至48.44 Hz以上,改善了電網(wǎng)的頻率響應(yīng)特性。
圖10 工況2解列情況下風(fēng)電波動對應(yīng)電網(wǎng)頻率響應(yīng)
Fig.10 Frequency response of wind power fluctuation when system splitting in case 2
3.2 DWSIS儲能裝置不同容量的影響
在DWSIS與直驅(qū)風(fēng)機接入的頻率穩(wěn)定對比分析基礎(chǔ)上,進一步研究DWSIS儲能裝置不同容量的影響。實際應(yīng)用中,BESS額定容量主要存在風(fēng)機容量5%、10%和20%這3種情況。各儲能容量下,從頻率支撐能力和儲能裝置故障對頻率的影響2個方面開展對比分析。
使用3.1.3節(jié)工況1最大傳輸功率線路切除故障比較頻率支撐能力。由圖11 a)可知,只有在儲能容量為風(fēng)機容量的20%時,電網(wǎng)才能保持頻率臨界穩(wěn)定,DWSIS頻率支撐能力隨儲能容量的下降而降低。
圖11 DWSIS儲能裝置不同容量頻率響應(yīng)對比
Fig.11 Frequency response comparison of DWSIS’s energy storage device with different power capacities
使用3.1.4節(jié)工況1解列情況a)比較儲能裝置故障影響。在解列后的小電網(wǎng)發(fā)生頻率波動時,一臺DWSIS儲能裝置和常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng)的儲能裝置因故障退出,對比如圖11 b)所示。DWSIS分散式結(jié)構(gòu)下,儲能裝置同時故障的概率極低,互不影響。因此,DWSIS儲能容量為風(fēng)機容量的5%、10%和20%時,儲能故障對電網(wǎng)頻率的影響均較小,在電網(wǎng)最薄弱的解列條件下仍能保持頻率在49.32 Hz以上。
進一步定量分析,將儲能故障后的頻率函數(shù) f 視為無故障頻率 f0 與DWSIS或常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng)儲能故障頻率影響 Δf 的疊加。定義 η 為儲能故障頻率影響比,即
代入圖11 b)結(jié)果可知,儲能裝機為風(fēng)機容量的5%、10%和20%情況下, η 分別為1.60、3.42、4.27,當(dāng)至儲能容量為風(fēng)機容量的40%時, η 趨近于DWSIS接入臺數(shù)(5臺)。因此,在儲能容量較小時,雖然常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng)儲能故障損失功率為DWSIS的n倍,但故障頻率影響比 η 小于n。隨著儲能容量的增加, η 不斷增大直至趨近于n,DWSIS分散結(jié)構(gòu)相對于常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng)的集中結(jié)構(gòu),其優(yōu)勢愈加明顯。
04 結(jié)論
本文針對海上油田群電網(wǎng)接入海上風(fēng)電后的頻率穩(wěn)定性問題,提出了基于DWSIS的解決方案,通過仿真,分析了某實際油田群電網(wǎng)在DWSIS接入前后的頻率穩(wěn)定性特征,驗證了所提方案的有效性。所得主要結(jié)論如下。
1)綜合正常、解列運行下多工況、故障情況,直驅(qū)風(fēng)電機組以20%滲透率接入后,其低慣性、波動性將造成電網(wǎng)頻率在±2 Hz范圍大幅變動。特別在解列運行狀態(tài),電網(wǎng)因風(fēng)電波動失穩(wěn)工況占比達75%,頻率穩(wěn)定問題顯著。
2)DWSIS方案通過雙向DC-DC變流器控制BESS充/放電,可有效提升油田群電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。解列狀態(tài)下,能令電網(wǎng)在大部分情況下維持頻率穩(wěn)定,避免切除風(fēng)電機組或轉(zhuǎn)變工況。該內(nèi)嵌BESS的方式無須新增DC-AC變流器及儲能用地,為地理環(huán)境特殊的海上電網(wǎng)接入儲能提供了新思路。
3)DWSIS的頻率支撐能力隨儲能容量的增加而提升;常規(guī)風(fēng)儲系統(tǒng)與DWSIS的儲能故障頻率影響比η,將隨儲能容量增加而最終趨近于DWSIS接入臺數(shù)。DWSIS分散式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,隨接入臺數(shù)增加和儲能容量增加而不斷加強。
注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,如需要請查看原文。