中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：1、論文背景
風(fēng)力發(fā)電因其具有資源分布廣泛、存儲(chǔ)容量大、環(huán)境友好、開發(fā)技術(shù)成熟等特點(diǎn)，已經(jīng)成為全球最受歡迎的可再生能源之一，是各國未來能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為了全球能源開發(fā)中的一種主流趨勢(shì)。然而與廣大研究者所熟知的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性不同，風(fēng)力發(fā)電具有強(qiáng)隨機(jī)、弱可控以及弱抗擾特性。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將會(huì)使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，含有大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性將會(huì)受到嚴(yán)重威脅。另一方面，材料、化學(xué)等學(xué)科的長足發(fā)展促進(jìn)了規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的明顯進(jìn)步。中、美等國已經(jīng)建立了大量的儲(chǔ)能-新能源聯(lián)合運(yùn)行示范基地。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)和規(guī)?；瘍?chǔ)能利用將會(huì)成為未來電網(wǎng)的主要特征之一。如何利用規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)有效改善風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性、提高含風(fēng)電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，將會(huì)是未來儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用及大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納進(jìn)程中的一個(gè)重要課題，也是一個(gè)亟需研究解決的問題。
2、論文所解決的問題及意義
論文主要解決如何利用儲(chǔ)能技術(shù)來提升含風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。從含風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、低電壓穿越、功角穩(wěn)定三個(gè)方面闡述了含風(fēng)電電力系統(tǒng)存在的安全穩(wěn)定問題，根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)有應(yīng)用情況，提出了利用儲(chǔ)能技術(shù)提高含風(fēng)電電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的解決思路。選取了含風(fēng)電電力系統(tǒng)虛擬慣量補(bǔ)償和快速頻率響應(yīng)、故障情況下的低電壓穿越以及系統(tǒng)阻尼特性分析和控制這三個(gè)研究小點(diǎn)，分析了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱的機(jī)理，設(shè)計(jì)了用于系統(tǒng)穩(wěn)定性提升的儲(chǔ)能控制器，有效地改善了含風(fēng)電電力系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，有利于大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)和消納。
3、論文重點(diǎn)內(nèi)容
3.1 風(fēng)電場虛擬慣量補(bǔ)償與快速頻率響應(yīng)研究
變速恒頻風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能被變頻器與電網(wǎng)“隔離”，使得其對(duì)電網(wǎng)貢獻(xiàn)的慣量幾乎為零。隨著風(fēng)電滲透率不斷提高，電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問題也隨之凸顯。因此各國風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則均明確要求風(fēng)電場需具有參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的能力。由于風(fēng)電場內(nèi)部機(jī)組數(shù)量龐大，機(jī)組間運(yùn)行工況不一致，風(fēng)電場層面的控制仍然具有很大的難度?；诖耍菊撐奶岢隼脙?chǔ)能補(bǔ)償風(fēng)電場虛擬慣量的解決思路。
首先，本論文在定義風(fēng)電-儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)虛擬慣量的基礎(chǔ)上，分析得到了使得風(fēng)電場具有和等容量同步發(fā)電機(jī)類似慣量響應(yīng)能力所需最小儲(chǔ)能容量為風(fēng)電場額定裝機(jī)容量的5%。進(jìn)一步的，基于模糊邏輯推理原理設(shè)計(jì)了風(fēng)電儲(chǔ)能控制器，有效減小了儲(chǔ)能在進(jìn)行頻率響應(yīng)過程中的最大輸出功率，使得風(fēng)電場需要配備的儲(chǔ)能容量達(dá)到了上述分析的最小儲(chǔ)能容量。最后在我國某西北電網(wǎng)等值系統(tǒng)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所提出的控制策略能夠有效補(bǔ)償風(fēng)電場虛擬慣量、協(xié)調(diào)風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)和常規(guī)電網(wǎng)之間的能量交換，使得風(fēng)電場迅速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，利于含大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。
圖 1 負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況
圖 2 負(fù)荷突降時(shí)系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況
3.2 風(fēng)電場低電壓穿越期間穩(wěn)定特性分析和致穩(wěn)措施研究
如圖3所示，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相金屬性短路故障后，短路點(diǎn)的電壓為零，風(fēng)電系統(tǒng)與外部電源之間的耦合作用為零，二者會(huì)成為了兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)。外部電網(wǎng)由于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的支撐作用，其運(yùn)行頻率維持在50Hz。而風(fēng)電場失去了外部電網(wǎng)的支撐，成為了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的孤島電網(wǎng)。如果此時(shí)風(fēng)電場根據(jù)并網(wǎng)導(dǎo)則在低電壓穿越期間必須向系統(tǒng)注入無功電流，可能會(huì)引起風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生頻率失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場低電壓穿越失敗。
針對(duì)該現(xiàn)象，本論文從線路傳輸電流受限特性出發(fā)，分析了其產(chǎn)生的原因以及對(duì)風(fēng)電場低電壓穿越特性的影響規(guī)律。進(jìn)一步地建立了風(fēng)電場低電壓穿越情況下系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，計(jì)算得到了該運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)特征值分布規(guī)律，有效揭示了系統(tǒng)頻率失穩(wěn)的形成機(jī)理。隨后，設(shè)計(jì)了用來改善系統(tǒng)特征值分布規(guī)律的儲(chǔ)能控制器，給出了儲(chǔ)能裝置選型以及容量配置的相關(guān)建議。研究結(jié)果表明儲(chǔ)能裝置改善了風(fēng)電場故障期間注入電流特性，能夠有效穩(wěn)定風(fēng)電場出口母線處的頻率，增強(qiáng)了風(fēng)電機(jī)組在故障工況下的抗擾性，進(jìn)而維持了含風(fēng)電電力系統(tǒng)低電壓穿越期間的頻率穩(wěn)定。
圖 3 風(fēng)電場故障后系統(tǒng)分析示意圖
3.3 風(fēng)電場發(fā)生高頻振蕩現(xiàn)象的機(jī)理分析與阻尼控制
國內(nèi)外風(fēng)電事故表明：風(fēng)電弱聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)容易在發(fā)生擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)頻率為幾到幾十赫茲的功率振蕩現(xiàn)象。由于雙饋風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性具有明顯的差異，其振蕩原因已經(jīng)無法用傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組小擾動(dòng)振蕩機(jī)理完全解釋?？紤]到雙饋風(fēng)電機(jī)組主要通過鎖相環(huán)與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)特性將會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的交互作用。本論文在建立計(jì)及鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)特性的雙饋風(fēng)電機(jī)組分析模型的基礎(chǔ)上，研究了風(fēng)電機(jī)組在不同運(yùn)行狀態(tài)下并入不同強(qiáng)弱電網(wǎng)后的特征值分布情況，發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)振蕩是導(dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組在弱電網(wǎng)中發(fā)生小擾動(dòng)失穩(wěn)的主要原因之一。
針對(duì)鎖相環(huán)振蕩失穩(wěn)這一問題，類似于同步發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩模態(tài)復(fù)轉(zhuǎn)矩分析，建立了風(fēng)電機(jī)組鎖相環(huán)回路的復(fù)轉(zhuǎn)矩分析模型。分析了風(fēng)電場接入點(diǎn)短路比以及鎖相環(huán)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。針對(duì)弱電網(wǎng)情況下鎖相環(huán)回路阻尼水平不夠的問題，類似于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，提出了一種基于相位補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)能阻尼控制器，可以有效抑制大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)遠(yuǎn)距離長線路并入電網(wǎng)時(shí)的高頻功率振蕩現(xiàn)象。
圖 4 不同短路比情況下，PLL回路開環(huán)回路Bode圖
圖 5 風(fēng)電機(jī)組PLL阻尼控制器
3.4 風(fēng)電與常規(guī)機(jī)組間相互作用規(guī)律分析及阻尼控制
風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)如何影響常規(guī)同步機(jī)組運(yùn)行特性這一問題備受廣大研究者密切關(guān)注。本論文針對(duì)小擾動(dòng)特性，在建立含有風(fēng)電和常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的雙機(jī)無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型的基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組鎖相環(huán)通過3個(gè)耦合支路來影響常規(guī)同步機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩，探究了其對(duì)常規(guī)同步機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的作用機(jī)理和影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組可能惡化常規(guī)機(jī)組之間的阻尼特性。針對(duì)該問題，本論文基于暫態(tài)能量衰減的原理，設(shè)計(jì)了用于改善常規(guī)機(jī)組間阻尼特性的儲(chǔ)能控制器。在系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況下均能有效阻尼常規(guī)同步機(jī)組間的功率振蕩，其作用效果明顯且具有良好的適應(yīng)性。
圖 6 含有風(fēng)電并網(wǎng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型
圖 7 風(fēng)電并網(wǎng)影響同步機(jī)組轉(zhuǎn)矩示意圖
圖 8 基于能量函數(shù)的儲(chǔ)能阻尼控制器
4、論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
1）確定了用于風(fēng)電場虛擬慣量補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)能容量需求，提出了一種用于風(fēng)電場虛擬慣量補(bǔ)償以及快速頻率響應(yīng)的儲(chǔ)能調(diào)頻策略，有效改善了含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率特性。
2）發(fā)現(xiàn)了風(fēng)電場根據(jù)并網(wǎng)導(dǎo)則在低電壓穿越期間向系統(tǒng)注入無功電流引起風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生頻率失穩(wěn)并導(dǎo)致低電壓穿越失敗的形成機(jī)理，設(shè)計(jì)了基于儲(chǔ)能的風(fēng)電場穩(wěn)定控制器，給出了儲(chǔ)能裝置選型以及容量配置的建議。
3）發(fā)現(xiàn)弱電網(wǎng)情況下鎖相環(huán)振蕩是大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)遠(yuǎn)距離交流線路外送發(fā)生功率振蕩的形成機(jī)理，基于相位補(bǔ)償原理，利用儲(chǔ)能快速功率響應(yīng)特性設(shè)計(jì)了弱電網(wǎng)情況下風(fēng)電場鎖相環(huán)阻尼控制器。
4）揭示了雙饋風(fēng)電機(jī)組通過鎖相環(huán)影響鄰近同步發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的作用機(jī)理和規(guī)律。設(shè)計(jì)了一種基于暫態(tài)能量衰減的儲(chǔ)能阻尼控制器，能夠有效阻尼常規(guī)機(jī)組間的功率振蕩。
原標(biāo)題：華中科技大學(xué)劉巨：利用儲(chǔ)能提升含風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究
