中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 隨著新能源滲透率的提高，電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題愈加嚴(yán)重。本文提出一種改進(jìn)飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻的控制策略，分析風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的頻率特性和容量配置，風(fēng)電場(chǎng)采用虛擬慣性控制參與一次調(diào)頻。由于風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率根據(jù)自然風(fēng)速隨機(jī)變化，可能會(huì)導(dǎo)致飛輪長(zhǎng)期運(yùn)行至較高或較低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，在風(fēng)速驟變時(shí)甚至?xí)痫w輪轉(zhuǎn)速越限。采用虛擬下垂控制結(jié)合模糊規(guī)則防止飛輪轉(zhuǎn)速越限，從而彌補(bǔ)風(fēng)電場(chǎng)在一次調(diào)頻中的功率缺額。通過(guò)仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階躍擾動(dòng)和連續(xù)擾動(dòng)的工況下的頻率特性，得出改進(jìn)控制策略在階躍擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)2種工況下最大頻率偏差更小、響應(yīng)速度更快的結(jié)論。
關(guān)鍵詞 風(fēng)電場(chǎng)；一次調(diào)頻；飛輪儲(chǔ)能；最大頻率偏差；響應(yīng)速度
國(guó)家能源局發(fā)布2023年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2023年12月底風(fēng)電裝機(jī)容量約4.4億千瓦。在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上提到“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源逐步取代煤電的主體地位”。但是新能源大規(guī)模并網(wǎng)勢(shì)必會(huì)影響電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電量與用電量的實(shí)時(shí)平衡，使輸出功率不穩(wěn)定，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的有功功率與負(fù)荷需求的平衡，使系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。
傳統(tǒng)慣量支撐資源稀缺、慣量水平評(píng)估難度加大和多種頻率調(diào)整資源協(xié)調(diào)難度增加，使得系統(tǒng)在擾動(dòng)下的頻率變化率增加、頻率最低點(diǎn)降低、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增加，發(fā)生頻率失穩(wěn)問(wèn)題更頻繁。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)虛擬慣性控制、超速控制、變槳控制，進(jìn)行有功功率控制，參與電網(wǎng)調(diào)頻。文獻(xiàn)[3]中風(fēng)電場(chǎng)采用轉(zhuǎn)速和槳距角控制，將一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置得較常規(guī)機(jī)組偏大以解決機(jī)組振動(dòng)的增大，進(jìn)行頻率擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證得出風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻指標(biāo)與傳統(tǒng)的水電機(jī)組一次調(diào)頻規(guī)定指標(biāo)基本相同。但對(duì)風(fēng)電場(chǎng)自身進(jìn)行調(diào)頻控制，風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間出力，調(diào)頻動(dòng)作頻繁。文獻(xiàn)[4]針對(duì)頻率的二次跌落問(wèn)題，采用風(fēng)電機(jī)組變比例系數(shù)調(diào)速控制策略和儲(chǔ)能協(xié)同風(fēng)電機(jī)組提供調(diào)頻響應(yīng)的兩層協(xié)同控制策略，提高系統(tǒng)恢復(fù)同步穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，降低同步發(fā)電機(jī)參與有功調(diào)節(jié)速度要求。文獻(xiàn)[5-6]采用飛輪儲(chǔ)能輔助一次調(diào)頻可以減少電力系統(tǒng)頻率偏差變化量和聯(lián)絡(luò)線上交換功率的變化范圍并且減輕火電機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)，減少火電機(jī)組輸出功率的變化范圍，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，飛輪儲(chǔ)能采用虛擬下垂控制，對(duì)頻率偏差值處于死區(qū)內(nèi)和死區(qū)外的工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究基于火電機(jī)組，火電機(jī)組具有慣性，自身可進(jìn)行調(diào)頻，但新能源需配合調(diào)頻控制進(jìn)行調(diào)頻，且隨機(jī)性強(qiáng)，輸出功率不穩(wěn)定。在當(dāng)今現(xiàn)代電力系統(tǒng)慣性效應(yīng)和阻尼能力較弱的應(yīng)用場(chǎng)景下，缺少輔助新能源調(diào)頻的應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]采用飛輪儲(chǔ)能輔助一次調(diào)頻可以減少電力系統(tǒng)頻率偏差變化量和聯(lián)絡(luò)線上交換功率的變化范圍并且減輕火電機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)，縮小火電機(jī)組輸出功率的變化范圍，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。文獻(xiàn)[8]在3種場(chǎng)景下，飛輪儲(chǔ)能采用虛擬下垂控制，頻率偏差正則飛輪充電，頻率偏差負(fù)則飛輪放電，相比于無(wú)儲(chǔ)能頻率偏差減小。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文以新能源為背景研究飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻控制，彌補(bǔ)風(fēng)電場(chǎng)在一次調(diào)頻中的功率缺額。飛輪儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻，模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)特性，使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與頻率耦合，進(jìn)而減少最大頻率偏差和響應(yīng)速度。飛輪儲(chǔ)能參考功率為濾波后的功率減去風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率，但風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率根據(jù)自然風(fēng)速隨機(jī)變化，可能會(huì)導(dǎo)致飛輪長(zhǎng)期運(yùn)行至較高或較低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，在風(fēng)速驟變時(shí)甚至?xí)痫w輪轉(zhuǎn)速越限，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致飛輪保護(hù)外殼損壞，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子飛出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，缺少對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速的限制。采用虛擬下垂控制結(jié)合模糊規(guī)則限制飛輪的轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速控制在給定的范圍內(nèi)，進(jìn)而輔助風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻。
1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)頻率特性及容量配置
風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，電力電子裝置接入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的慣性降低，變頻器的存在會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，阻斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)，使得風(fēng)電機(jī)組無(wú)法實(shí)現(xiàn)慣性響應(yīng)和一次頻率調(diào)節(jié)。對(duì)比其他功率型儲(chǔ)能，例如超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能持續(xù)釋能時(shí)間為1 s到15 min，響應(yīng)負(fù)荷為毫秒級(jí)，具有持續(xù)釋能時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)負(fù)荷快速的特點(diǎn)，可以有效平緩風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率。
1.1 系統(tǒng)頻率特性模型
一次調(diào)頻屬于秒級(jí)，電力系統(tǒng)中的調(diào)速器及原動(dòng)機(jī)來(lái)不及響應(yīng)，則忽略發(fā)電機(jī)組調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)模型，簡(jiǎn)化頻率響應(yīng)模型如圖1。
圖 1 簡(jiǎn)化頻率響應(yīng)模型
得出簡(jiǎn)化頻率響應(yīng)模型中系統(tǒng)頻率特性模型傳遞函數(shù)為：
式中，M=2H0為慣性時(shí)間常數(shù)，慣性常數(shù)H0取4；負(fù)荷有功頻率響應(yīng)系數(shù)D0取2。
風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性控制技術(shù)提供類似于傳統(tǒng)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其頻率模型傳遞函數(shù)為：
式中，krf為慣性響應(yīng)系數(shù)；Tr為虛擬慣性響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；圖片Pr為虛擬慣性提供功率。
飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)頻率模型傳遞函數(shù)為：
式中，GE(s)為飛輪儲(chǔ)能的傳遞函數(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性響應(yīng)系數(shù)與一次調(diào)頻系數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)的慣性響應(yīng)系數(shù)保持一致。
飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)頻率控制模型如圖2，其中fref為系統(tǒng)額定頻率、圖片pW為風(fēng)電機(jī)組功率增量、圖片PF為飛輪儲(chǔ)能功率增量、圖片PG為除風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)外其他能源參與一次調(diào)頻的有功功率增量、圖片PL為負(fù)荷功率增量、圖片f為實(shí)際頻率與額定頻率偏差。
圖 2 系統(tǒng)頻率控制模型
風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)和有功負(fù)荷的功率偏差導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏差，當(dāng)圖片P為正時(shí)，系統(tǒng)頻率低于額定頻率；圖片P為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)頻率高于額定頻率，見(jiàn)式(4)。
1.2 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量配置
根據(jù)系統(tǒng)頻率特性，風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的容量配比，采用風(fēng)電場(chǎng)額定功率發(fā)電，滿足任意風(fēng)速下風(fēng)電場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能功率和容量的需求。
風(fēng)電場(chǎng)(額定功率為PW，單位MW)提供類似傳統(tǒng)電源的慣性響應(yīng)H時(shí)，其提供功率Ph和需求容量Eh分別為：
在固定的儲(chǔ)能SOC運(yùn)行區(qū)間范圍內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)ηsocmin=30%，ηsoc(0)=50%時(shí)，圖片=15%PW(MW)，Er=0.2085 PW(kWh)。
根據(jù)上述計(jì)算50 MW的風(fēng)電場(chǎng)，儲(chǔ)能調(diào)頻功率和容量需求為7.5 MW和75 kWh，額定功率下充放電時(shí)間為36 s。風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D3，系統(tǒng)額定風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)電場(chǎng)額定容量為50 MW，同步機(jī)模擬電網(wǎng)，額定容量為400 MW，飛輪儲(chǔ)能額定容量為7.5 MW，負(fù)荷為112.5 MW。系統(tǒng)功率達(dá)到平衡，頻率保持在0.05 Hz調(diào)頻死區(qū)范圍內(nèi)。其中風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻容量為額定容量的16%，飛輪儲(chǔ)能額定容量為風(fēng)電場(chǎng)額定容量的15%，同步機(jī)輸出功率為55 MW。
圖 3 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?
2 一次調(diào)頻控制策略
2.1 風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻控制器設(shè)計(jì)
風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)慣性常數(shù)為:
由于電力電子變流器裝置的接入，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)法提供慣性響應(yīng)時(shí)，JDFIG,jwr2=0，則電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù)減少。
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在最大功率跟蹤狀態(tài)下，不具備備用容量，無(wú)法為電網(wǎng)提供一次頻率響應(yīng)。風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)，替代了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組，電力系統(tǒng)頻率偏差增大。
系統(tǒng)負(fù)荷突變，隨著風(fēng)電滲透率的逐漸提高，系統(tǒng)頻率下跌幅度逐漸增大。電網(wǎng)頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，變流器兩端的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸入機(jī)械功率與電網(wǎng)側(cè)輸出電磁功率解耦，無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)子釋放或吸收能量響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。附加虛擬慣性控制，在擾動(dòng)發(fā)生前，針對(duì)短期頻率控制，采用虛擬慣性控制，釋放風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的動(dòng)能，補(bǔ)償有功功率缺額；虛擬慣性控制框圖如圖4。
圖 4 虛擬慣性控制框圖
有功功率輸出為：
式中，Kp為比例系數(shù)，其大小決定風(fēng)電機(jī)組慣性控制的調(diào)頻效果。此時(shí)瞬時(shí)電網(wǎng)頻率為：
慣性控制為系統(tǒng)頻率提供支撐，慣性控制系數(shù)越大，系統(tǒng)頻率變化越小，但過(guò)大會(huì)使風(fēng)電機(jī)組失速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏離最大功率模型，采用飛輪儲(chǔ)能在電網(wǎng)出現(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)，提供穩(wěn)定的有功功率支持，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)減載運(yùn)行。
2.2 飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻控制器設(shè)計(jì)
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻是通過(guò)跟隨電網(wǎng)頻差信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)頻率偏差未超過(guò)一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，飛輪保持在額定轉(zhuǎn)速附近，處于保持狀態(tài)，等待接收控制信號(hào)，此時(shí)飛輪儲(chǔ)能不出力。
當(dāng)頻率偏差超過(guò)一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能接收控制信號(hào)，快速?gòu)浹a(bǔ)風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻功率缺額，改善風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻性能。當(dāng)頻率偏差為正值時(shí)，飛輪處于釋能狀態(tài)，飛輪轉(zhuǎn)子拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能經(jīng)雙向AC/DC變換器流向電網(wǎng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)頻率偏差為負(fù)值時(shí)，飛輪處于儲(chǔ)能狀態(tài)，電能經(jīng)雙向AC/DC變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，電機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子，電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
本文研究的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用表貼式永磁同步電機(jī)作為飛輪電機(jī)，采用圖片控制。機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制方式對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，由于系統(tǒng)頻率和功率相關(guān)，則根據(jù)能量關(guān)系，即對(duì)功率積分，飛輪儲(chǔ)能的參考儲(chǔ)存能量為：
同時(shí)為提高機(jī)側(cè)變流器電能質(zhì)量減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用電流控制作為控制內(nèi)環(huán)。飛輪儲(chǔ)能機(jī)側(cè)控制框圖如圖5。
圖 5 飛輪儲(chǔ)能機(jī)側(cè)控制框圖
飛輪儲(chǔ)能補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，使得風(fēng)電場(chǎng)輸出功率減少，補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的有功出力，其中飛輪儲(chǔ)能參考功率為：
當(dāng)系統(tǒng)頻率超過(guò)調(diào)頻死區(qū)時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能增加虛擬下垂控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率，控制框圖如圖6。
圖 6 虛擬下垂控制框圖
其中Kp1為下垂系數(shù)，Kp為虛擬慣性系數(shù)，其大小關(guān)系著儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻能力。
當(dāng)在大于5 s的時(shí)間間隔里，出現(xiàn)2次連續(xù)同向的負(fù)荷擾動(dòng)，且第2次擾動(dòng)功率比第1次低時(shí)，功率缺額會(huì)出現(xiàn)反調(diào)問(wèn)題。此時(shí)系統(tǒng)的功率缺額為：
3 計(jì)及模糊邏輯控制器的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻策略
系統(tǒng)在慣性響應(yīng)階段，風(fēng)機(jī)的虛擬慣性控制進(jìn)行動(dòng)作，當(dāng)頻率偏差超過(guò)調(diào)頻死區(qū)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻。飛輪儲(chǔ)能參考功率為濾波后的功率減去風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率，但風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率根據(jù)自然風(fēng)速隨機(jī)變化，可能會(huì)導(dǎo)致飛輪長(zhǎng)期運(yùn)行至較高或較低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，在風(fēng)速驟變時(shí)甚至?xí)痫w輪轉(zhuǎn)速越限。在虛擬下垂控制中加入模糊邏輯控制器，以限制飛輪轉(zhuǎn)速。
改進(jìn)虛擬下垂控制框圖如圖7。模糊邏輯控制器中輸入為頻率偏差圖片∈[-0.1,0.1]和轉(zhuǎn)速V∈[0,1]；輸出為功率參考值圖片P1∈[-1,1]。根據(jù)接近平衡點(diǎn)采用偏差小陡峭的高分辨率隸屬度函數(shù)，遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)采用偏差大平滑的低分辨率隸屬度函數(shù)的原則。隸屬度函數(shù)如圖8所示。
圖 7 改進(jìn)虛擬下垂控制框圖
圖 8 輸入和輸出變量的隸屬度函數(shù)
設(shè)計(jì)模糊邏輯的基本思想：飛輪最高轉(zhuǎn)速為20000 r/min，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速在2000 r/min到4000 r/min范圍內(nèi)時(shí)，若頻率偏差為正，則減少飛輪的參考功率，即多充電少放電；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速在16000 r/min到18000 r/min范圍內(nèi)時(shí)，若頻率偏差為負(fù)，則增加飛輪的參考功率，即多放電少充電。即始終保持飛輪轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速的20%~80%范圍內(nèi)。頻率偏差圖片的模糊語(yǔ)言為{NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域?yàn)閇-0.1, -0.06, -0.02, 0.02, 0.06, 0.1]；轉(zhuǎn)速圖片的模糊語(yǔ)言為{NB(負(fù)大), NM(負(fù)中), NS(負(fù)小), ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域?yàn)閇0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1]；功率參考值圖片的模糊語(yǔ)言為{NB(負(fù)大), NM(負(fù)中), NS(負(fù)小), ZO(零), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}，模糊論域?yàn)閇0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1]。
根據(jù)輸入量和輸出量的規(guī)則制定模糊規(guī)則表如表1所示。觀測(cè)曲線圖如圖9所示。
表1 模糊規(guī)則表
圖 9 觀測(cè)曲線圖
4 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 系統(tǒng)描述
由于無(wú)窮大系統(tǒng)中，理想電壓源模擬電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓被鉗位，無(wú)動(dòng)態(tài)特性；且無(wú)窮大系統(tǒng)輸出功率為無(wú)窮大，不能用改變負(fù)載來(lái)決定頻率變化。根據(jù)上述限制和實(shí)際情況，可用同步機(jī)模擬電網(wǎng)，此時(shí)電網(wǎng)電壓存在動(dòng)態(tài)特性，可以模擬出增減負(fù)載而引起的頻率下降和上升的工況。
風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)電場(chǎng)額定容量為50 MW。采用同步機(jī)模擬電網(wǎng)，額定容量為400 MW，飛輪儲(chǔ)能額定容量為7.5 MW，負(fù)荷為112.5 MW。系統(tǒng)功率達(dá)到平衡，頻率保持在0.05 Hz調(diào)頻死區(qū)范圍內(nèi)。其中風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻容量為額定容量的16%，飛輪儲(chǔ)能額定容量為風(fēng)電場(chǎng)額定容量的15%，同步機(jī)輸出功率為55 MW。分別在階躍負(fù)荷擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)2種典型工況下，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)、虛擬下垂控制下的飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電系統(tǒng)、改進(jìn)策略下的飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比調(diào)頻效果，驗(yàn)證所提策略的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖10，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11。
圖 10 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
圖 11 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用具有高性能Intel Xeco CPU和Xilinx UltraScaleFPGA的實(shí)時(shí)仿真器Modeling Tech8020連接具有模擬量輸入接口和PWM輸出接口以及寬范圍的數(shù)字電平接入的快速控制原型機(jī)Modeling Tech1070，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制，使用示波器實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)，搭建硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
4.2 階躍擾動(dòng)工況
系統(tǒng)突加7MW的負(fù)荷，當(dāng)飛輪儲(chǔ)能采用虛擬下垂控制時(shí)，突增負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)頻率及電流如圖12，系統(tǒng)頻率及總輸出功率如圖13，圖14和圖15為圖13的局部放大圖。當(dāng)飛輪儲(chǔ)能采用改進(jìn)控制時(shí)，系統(tǒng)頻率及總輸出功率如圖16，圖17和圖18為圖16的局部放大圖。
圖 12 系統(tǒng)頻率及電流Ia
圖 13 虛擬下垂控制的頻率和功率圖
圖 14 頻率放大10倍效果圖
圖 15 功率放大20倍效果圖
圖 16 改進(jìn)控制的頻率和功率圖
圖 17 頻率放大10倍效果圖
圖 18 功率放大20倍效果圖
由圖12~圖18可知，在系統(tǒng)頻率跌落時(shí)，電流Ia通過(guò)20 ms由1450 A上升到1650 A，母線電壓保持35 kV不變，輸出功率為7 MW，與突增負(fù)荷量相同，此時(shí)系統(tǒng)輸出功率與輸入功率達(dá)到平衡狀態(tài)，但負(fù)荷特性曲線上升，發(fā)電機(jī)特性曲線不變，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況下虛擬下垂控制和改進(jìn)控制的頻率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，表2為階躍負(fù)荷擾動(dòng)下的頻率評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中|圖片fmax|為最大頻率偏差，圖片fs為穩(wěn)態(tài)頻率偏差。
表 2 階躍負(fù)荷擾動(dòng)下的系統(tǒng)頻率評(píng)價(jià)指標(biāo)
相比虛擬下垂控制策略，改進(jìn)控制策略對(duì)系統(tǒng)的頻率偏差抑制作用更強(qiáng)，最大頻率偏差降低了0.005 Hz，在頻率恢復(fù)方面，改進(jìn)控制策略與虛擬下垂控制策略的穩(wěn)態(tài)頻率偏差一致，可見(jiàn)改進(jìn)控制策略下風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)可以更好地保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
表3為階躍負(fù)荷擾動(dòng)下的出力評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中td為滯后時(shí)間、tup為上升時(shí)間、ts為調(diào)節(jié)時(shí)間。
表 3 階躍負(fù)荷擾動(dòng)下的出力評(píng)價(jià)指標(biāo)
改進(jìn)控制策略相較于虛擬下垂控制，滯后時(shí)間、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間分別縮短了0.004 s、0.036 s、0.04 s，改進(jìn)控制策略下飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率響應(yīng)速度更快。綜合以上指標(biāo)，改進(jìn)控制策略下的頻率評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于虛擬下垂控制策略。
改進(jìn)控制策略的評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于虛擬下垂控制的原因?yàn)椋寒?dāng)頻率變化時(shí)，飛輪快速響應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)釋放出存儲(chǔ)的能量。在虛擬下垂控制下，頻率經(jīng)過(guò)640 ms由50 Hz下降到48.85 Hz，總輸出功率經(jīng)過(guò)39 ms由112.5 MW增加至119.5 MW；在改進(jìn)控制下，頻率經(jīng)過(guò)600 ms由50 Hz下降到48.85 Hz，總輸出功率經(jīng)過(guò)2 ms由112.5 MW增加至119.5 MW。
4.3 連續(xù)擾動(dòng)工況
為驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)在連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況下的系統(tǒng)調(diào)頻效果，選取一天內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)風(fēng)速作為負(fù)荷擾動(dòng)。連續(xù)擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率、風(fēng)機(jī)輸出功率、飛輪儲(chǔ)能的電磁轉(zhuǎn)矩、飛輪儲(chǔ)能的q軸電流、飛輪儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)速、飛輪儲(chǔ)能的輸出功率如圖19~圖24所示。
圖19 系統(tǒng)頻率偏差曲線
圖 20 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線
圖 21 飛輪儲(chǔ)能電磁轉(zhuǎn)矩
圖 22 飛輪儲(chǔ)能q軸電流曲線
圖 23 飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)速曲線
圖 24 飛輪儲(chǔ)能輸出功率曲線
由圖19可知，無(wú)儲(chǔ)能、虛擬下垂控制策略、改進(jìn)控制策略下系統(tǒng)頻率偏差峰值分別為-49.93 Hz、-49.94 Hz、-49.97 Hz，虛擬下垂和改進(jìn)策略下頻率偏差峰值分別下降了0.01 Hz、0.03 Hz。說(shuō)明利用飛輪輔助風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻可以有效減少頻率波動(dòng)，改進(jìn)控制策略的調(diào)頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
頻率偏差峰值下降的原因由圖20~圖24可知，當(dāng)頻率變化時(shí)，飛輪儲(chǔ)能快速響應(yīng)，釋放存儲(chǔ)的能量，對(duì)比無(wú)儲(chǔ)能方式，虛擬下垂控制策略和改進(jìn)控制策略下的風(fēng)機(jī)輸出功率分別減少了100 kW、200 kW。且可看出q軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)速為輸出功率。
5 結(jié) 論
在新能源逐漸取代以火電為代表的傳統(tǒng)能源，新能源滲透率逐漸提高的場(chǎng)景下，討論風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻措施及飛輪儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)頻率的影響。仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻的準(zhǔn)確性以及可行性。得到以下結(jié)論：
（1）飛輪儲(chǔ)能具有持續(xù)釋能時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)負(fù)荷快速的特點(diǎn)，輸入功率根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化，在風(fēng)速驟變時(shí)會(huì)引起飛輪轉(zhuǎn)速越限。在虛擬下垂控制中加入模糊邏輯控制器，限制飛輪轉(zhuǎn)速，通過(guò)驗(yàn)證改進(jìn)方法的調(diào)頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
（2）實(shí)驗(yàn)中分別針對(duì)階躍負(fù)荷擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)2種典型工況下進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果證明飛輪儲(chǔ)能可以有效調(diào)頻，且本文控制策略的調(diào)頻效果優(yōu)于虛擬下垂控制。
（3）當(dāng)前研究對(duì)飛輪儲(chǔ)能的控制策略采用傳統(tǒng)的控制方式，可對(duì)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行改進(jìn)，增加系統(tǒng)的抗擾性。
