大规模储能系统辅助常规机组调频技术分析

由于新能源发电具有间歇性、随机性等特点,随着其装机容量的逐渐增大,电网调频备用容量不足的问题日益凸显。传统调频机组因其固有特性难以使实际出力与理论计算值相吻合,并且难以应对电力系统快速发展、新能源发电并网等引起的频率稳定问题。储能作为一种新兴技术,具有响应速度快、短时功率吞吐能力强、调节方向易改变等优点,可与常规调频技术相结合,作为电网调频的有效辅佐手段。该文立足于不同的实际电网情况进行储能容量配置研究,探索储能辅助传统机组调频的控制策略,为今后储能系统参与电网调频的工程应用提供一定的借鉴意义。     

基于线性分解的混合储能辅助火电机组调频控制∗

面对大规模新能源并网带来的电力系统频率安全挑战,储能技术的发展为解决频率安全问题提供了解决方 案.混合储能系统辅助火电机组参与调频可以有效改善电网调频性能,因此提出一种基于线性分解的混合储能调频控 制策略,将频率偏差分解后得到高低频分量,飞轮储能和锂电池的功率指令由自适应虚拟下垂控制产生.仿真结果验 证了所提策略的有效性,混合储能系统的参与在改善电力系统调频效果的同时可减缓火电机组的出力波动.     

低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略综述

随着“碳达峰、碳中和”及建立新型电力系统战略目标的提出,越来越多的传统机组被新能源机组逐步替代,造成电力系统的惯量水平持续走低,低惯量下有功冲击事件愈演愈烈,电力系统频率稳定性正面临严峻的挑战。从电力系统惯量定义出发,介绍影响惯量水平的相关因素。基于惯量定义分析高比例新能源并网后系统惯量水平的变化趋势,剖析惯量水平与频率稳定的关联关系。分析了低惯量水平给电力系统带来的3点新特性：传统惯量支撑资源稀缺、惯量水平评估难度加大和多种频率调整资源协调难度增加。在此基础上,从发电侧、电网侧、负荷侧和储能等角度介绍了提升电力系统频率稳定的方法和策略。从不同应用场景重点分析了电池储能在参与电力系统频率调整时的控制策略并对其优缺点进行详细的分析。最后,展望了低惯量电力系统中储能参与频率调整的协调控制策略。     

飞轮储能辅助火电一次调频技术与应用

大规模新能源并网造成电网频率波动增大,使得火电机组调频任务繁重、动作频繁,加剧了机组老化,飞轮储能辅助火电机组调频能提升机组的调频性能。论述了飞轮储能辅助机组一次调频原理,分析了飞轮储能的出力特性,结合世界最大容量飞轮储能,提出了飞轮储能满功率辅助机组一次调频的控制策略,并应用于我国第一套飞轮储能辅助火电机组一次调频的调试中,验证了控制策略有效性。现场测试结果表明,飞轮储能辅助火电机组一次调频性能良好,采取所提一次调频策略后该机组一次调频动作合格率提升21.26%,一次调频积分电量贡献指数提升3.45倍。飞轮储能辅助火电机组一次调频模式对解决此类问题具有一定指导意义。     

含主动轴系扭振阻尼的并网双馈风电场惯量控制方法

电网中风电容量的增加,使得电力系统等效惯量减小、频率稳定性下降。为避免此风险,各国电网并网导则要求大规模风电场参与系统调频,并能提供类似同步发电机的惯量响应。本文基于时域仿真并辅以特征值分析,研究了风电场惯量控制对风电机组及电力系统运行特性的影响。传统的风电场惯量控制方法有益于电力系统频率稳定,但仿真结果揭示该控制会减小风电机组轴系扭振的阻尼,严重时将导致机组转速振荡失稳。为解决此问题,提出了含主动轴系扭振阻尼的风电场惯量控制方法,在满足并网导则有关惯量控制要求的同时可有效避免机组发生轴系扭振失稳。仿真结果验证了控制方法的有效性。     

基于机组实时出力增量预测的火电–飞轮储能系统协同调频控制研究

新能源的大规模并网给电力系统的频率安全带来了严峻挑战,充分挖掘电源侧调频资源对提升电网支撑能力具有重要意义。火电机组-飞轮储能联合调频能较好解决新型电力系统带来的火电机组运行安全性和经济性等问题。作为当前电网调频主力,火电机组动态特性复杂,各动态工况下调频能力差别较大,联合调频系统的协同出力容易受到影响。因此,该文提出一种机组实时出力增量的量化预测模型,进而设计了火电-飞轮储能系统协同调频控制策略,实现了动态工况下飞轮储能出力的自适应调整。仿真验证表明,该文提出的预测模型能够准确预测动态工况下机组的调频能力,协同调频控制策略可以改善电网调频效果。相比于传统下垂控制,系统频率偏差的最大值降低32%,稳态偏差减少约30%。火电机组出力波动减少26%,有利于火电机组安全稳定运行。     

规模化储能系统参与电网调频的控制策略研究

传统的火电与水电调频机组因其固有特性难以满足电力系统快速发展、新能源发电集中并网等引起的频率稳定控制需求,储能以其灵敏精准的出力特性逐步在电力系统调频领域中实现了规模化应用。针对规模化储能资源响应速度快、跟踪精度高、调节方向易改变及有限的容量等特点展开了其参与电网调频的控制策略研究:首先,建立了区域电网自动发电控制(AGC)系统及包含储能荷电状态(SOC)的储能系统仿真模型;然后,综合考虑储能资源与常规电源的发电特性,提出了计及储能SOC的快慢速调频资源协调控制策略;最后,搭建了4种不同的仿真场景,通过仿真试验对提出的控制策略的有效性进行了验证。     

风电机组参与电网一次调频的控制策略研究

为了解决大规模风电机组并入电网对电力系统频率稳定性问题,阐述了系统惯量对电网频率变化的影响,分析比较了不同类型风电机组的动态频率响应特性,并根据双馈风电机组参与电网一次调频的基本原理,对比了现阶段有关风电参与电网一次调频的控制策略。研究结果表明,储能设备对风电机组参与电网调频的能力具有重要辅助作用,联合控制方法能够较好地实现风电调频的能力,有利于电力系统的安全稳定运行。     

大扰动下缺额功率分配及频率分布特性研究

特高压交直流输电工程不断投运,电网功率扰动事件频发。同时越来越多的新能源在电网中取代部分传统机组,导致电力系统的惯量水平下降,对频率支撑能力下降。为此,研究了电网受扰时不平衡功率的分配特性、频率压降的分布特性以及在新能源机组附近产生的连锁反应。根据频率分布的特点提出了区域惯量的概念,并进行仿真分析。结果表明,不平衡功率分配大小与线路阻抗有关,且频率变化率具有分布特性频率响应的分布特性有利于后期新能源并网惯量调频措施的研究。     

储能虚拟惯量主动支撑与调频状态转移控制

释放储能装置的频率支撑潜力,将是提升风、光高占比系统并网稳定性的关键。该文首先对比分析常规发电机组的固有惯量、风电机组的虚拟惯量及储能的惯性支撑特性。其次,根据系统中的储能容量配置,约束量化储能的虚拟惯量,为系统惯量需求提供评估依据,以保障频率安全。在此基础上,利用储能独特的功率支撑特性,提出恒频控制与调频状态转移控制结合的储能并网频率主动支撑控制策略,突破虚拟惯量及一次调频的传统控制模式。最后,搭建风电高渗透电网仿真系统,验证储能装置在所提控制策略下能够显著提升系统的频率稳定性,改善其对电网的主动支撑性能。     

储能电源参与电网调频的需求评估方法

基于风电功率波动特征,定量研究了大规模风电并网对电网频率的影响。定义了考察风电并网对电网频率影响的量化指标,构建了电网等效区域模型和储能电源参与一次调频的仿真模型,仿真分析了风电并网环境下,传统机组一次调频和储能电源参与一次调频2种情形下的电网频率波动特征。研究结果表明,利用储能电源的快速吞吐能力辅助电网一次调频,能有效抑制风电功率中、高频波动分量对电网频率的影响,显著减小电网频率波动,大幅度减小风电并网环境下传统机组的二次调频压力和容量需求,从而论证了大规模风电并网条件下,储能电源参与电网调频的技术必要性。     

考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法

随着以变流器接口并网的新能源比例不断提高,电力系统一次调频能力降低,频率稳定受到威胁。风电机组通过在并网变流器附加综合惯性控制实现辅助调频。然而,风电机组提供频率响应后,转子转速恢复可能给电力系统带来频率二次跌落危害。现有辅助调频参数设置多从风力机组自身调节能力出发,缺少考虑与系统的耦合作用。首先研究风电机组调频控制参数对系统一次调频的影响机理,分析参数整定的制约因素,然后根据一次调频综合评价指标来确定参数的取值范围。最后,设置了不同风电出力占比的仿真场景,探究参数在不同风电出力占比下的取值规律。     

基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制

双馈风电机组采用电力电子变流器控制使得机械部分与电气部分解耦,大规模风电并网后电力系统总有效转动惯量下降,增加了系统的调频压力。文中通过对双馈风电机组运行及控制特性的分析,研究给出了反映机组有效储能的等效虚拟惯性时间常数的计算方法,提出了基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化以及动态识别机组运行状态,修改控制参数控制机组有功输出,释放或吸收机组有效动能,对电网提供动态频率支撑。在理论分析基础上进行时域仿真验证,仿真结果表明,双馈风电机组变参数虚拟惯量控制在机组各种运行工况下实现了对系统频率的有效支撑,提高了电力系统频率稳定性,且保证了机组调频过程中自身运行的稳定性。     

基于模型预测控制的新型电力系统光储电站调频控制策略

光伏渗透率的不断提高降低了新型电力系统的转动惯量,给系统频率稳定性带来了新的挑战,储能出力灵活且迅速,将储能与光伏结合构成光储电站参与电网调频能够提高新型电力系统频率稳定性。光储电站参与系统调频的有功出力受到光照强度、储能荷电系数等多因素的影响,然而现有的与光储电站调频控制有关的研究大多对这些多约束的处理能力较差。在此背景下,提出一种基于模型预测控制的新型电力系统光储电站调频控制策略。该控制策略以最小化系统频率偏差与频率变化率之和为目标,计及光储电站有功出力及总发电量约束,优化光储电站有功出力,并通过控制光储电站有功输出参与系统频率调节。最后,通过仿真算例说明了所提方法相比传统控制策略调频效果更优,能够在考虑多约束的情况下快速精准确定光储电站出力,提高系统频率稳定性。     

基于模型预测控制的新型电力系统光储电站调频控制策略

光伏渗透率的不断提高降低了新型电力系统的转动惯量,给系统频率稳定性带来了新的挑战,储能出力灵活且迅速,将储能与光伏结合构成光储电站参与电网调频能够提高新型电力系统频率稳定性。光储电站参与系统调频的有功出力受到光照强度、储能荷电系数等多因素的影响,然而现有的与光储电站调频控制有关的研究大多对这些多约束的处理能力较差。在此背景下,提出一种基于模型预测控制的新型电力系统光储电站调频控制策略。该控制策略以最小化系统频率偏差与频率变化率之和为目标,计及光储电站有功出力及总发电量约束,优化光储电站有功出力,并通过控制光储电站有功输出参与系统频率调节。最后,通过仿真算例说明了所提方法相比传统控制策略调频效果更优,能够在考虑多约束的情况下快速精准确定光储电站出力,提高系统频率稳定性。     

虚拟同步机技术构建“源—网—荷”友好互动新模式

虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。文章在新能源、可控负荷及其并网变流器大量接入电网的条件下,分析了基于虚拟同步机技术的"源-网-荷"友好互动新模式,其中应用虚拟同步发电机技术的新能源能自动与电网同步,跟随电网调整功率输出,阻尼系统频率的过快变化,变"弃风弃光"为自动同步;应用虚拟同步电动机技术的可控负荷可感知电网的状态,自动调整吸收功率的快慢,变"切负荷"为降功率运行,从而达到辅助电网故障穿越的目的。在火电机组仍为调频主力机组的背景下,虚拟同步机技术实际上加强了电网与新能源和可控负荷的联系,有助于提高新能源/可控负荷的生存能力,有助于共同维持系统的稳定运行。     

考虑风机分组的风储联合辅助调频双目标预测优化方法

大规模风电场中各区域风速的不一致性,使得传统风机参与电网调频研究时的风速统一化处理并不符合现实需求,也使得电网负荷频率控制更趋复杂。研究了风电机组的调频能力与风速的关系,并分析了不同风速下,风机通过虚拟惯量控制参与电网调频的特性;针对不同风速的风电机组参与电网调频能力的不一致性,分析了利用储能辅助风电机组,以获得更优调频效果的可行性;考虑到储能电池充放电深度与循环使用寿命之间的关系,以频率偏差最小和储能出力最小为目标进行风储联合辅助调频方法的设计,一方面保证良好的调频效果,另一方面最小化储能的充放电深度以提高其循环使用寿命。仿真分析验证了所提方法的可行性与有效性。     

特约主编寄语

<正>大力发展新能源是实现国家“双碳”战略目标的必由之路。随着新能源和电力电子装备渗透率的不断提高,电力系统的源/网/荷侧电力电子化程度日益加深。新型电力系统惯量支撑力度弱、出力不确定性强、频率调节能力和阻尼特性差,故障场景下系统频率失稳风险显著增大。新型电力系统频率响应相对传统电网呈现三个新特性。首先,其运行方式随机多变,惯量具有时变和空间分布差异特性导致了惯量时空分布差异化,频率响应精确建模难;其次,大量异质化的源/网/荷/储调频资源的引入导致频率动态稳定机理复杂,频率稳定分析难;最后,多元可控资源参与调频急剧增加了控制决策的维度和复杂度,频率稳定控制难。这些新特性给新型电力系统频率稳定分析和控制带来挑战。     

基于链式电池储能系统的惯量补偿策略

随着新能源渗透率的不断提高,新能源并网系统呈现出低惯量特性,电力系统频率稳定性降低。在中、高压电网中接入链式电池储能变换器,有利于提高系统的等效惯量。介绍了链式电池储能变换器的主电路拓扑及数学模型,分析了惯量补偿目标和储能容量配置,提出了一种基于链式电池储能系统(BESS)的惯量补偿控制策略。该策略使链式BESS能够响应电网频率的变化,对电网频率变化产生阻尼作用。实验结果证明了所提控制策略的正确性和有效性。     

不同渗透率下风机惯量提升控制研究

传统火电机组不断被新能源替代,导致电力系统有效惯量不断减少、调频压力增大。因此研究新能源发电惯性控制技术对维持系统频率稳定具有实际意义。在深入研究双馈风机基础上提出风机转动惯量以及虚拟惯量量测方法,结合传统控制方法和机组自身惯量特性提出双馈风机自适应惯量控制策略。控制策略根据风机占比及风电机组运行工况,调整风机调频比例系数控制机组对电网提供动态调频支撑。最后利用Simulink进行仿真验证所提策略有效性和可行性。仿真结果表明,在不同风机渗透率下均能提供有效惯量补偿,有效提高风机系统频率稳定性。