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(jìn)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(jìn)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(jī)、變壓器、負(fù)荷以及DWSIS，其整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電網(wǎng)的總發(fā)電容量為49.2 MW，負(fù)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(jī)組，以風(fēng)電容量與負(fù)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?fù)浣Y(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(jī)，使用同步電機(jī)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(fù)荷主要包括高壓電機(jī)和低壓電機(jī)，分別近似為三相異步電動機(jī)三階動態(tài)模型與阻感負(fù)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(jī)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(jī)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(jī)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)行，以保證頻率調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)。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(fù)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(jī)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(yán)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(jī)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(yùn)行在解列工況特點(diǎn)，本文綜合考慮正常運(yùn)行、解列運(yùn)行多側(cè)面，選擇典型故障如下。
1）最大容量發(fā)電機(jī)組發(fā)生三相短路故障并在5個周期后切機(jī)；
2）風(fēng)電機(jī)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(yùn)行時風(fēng)電機(jī)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(yùn)行、解列運(yùn)行各工況典型故障，在僅接入直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組情況下進(jìn)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(yán)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(yùn)行的頻率影響。
現(xiàn)有主流DWSIS儲能裝置存在風(fēng)機(jī)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(jī)容量情況進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)接入對比分析
3.1.1 最大容量燃?xì)廨啓C(jī)組切機(jī)
為將2種工況放在同一故障中對比，選擇兩工況均運(yùn)行機(jī)組中容量最大的平臺5處5.2 MW機(jī)組切除情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。
圖5 最大容量機(jī)組切機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)相比，DWSIS可增強(qiáng)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(jī)接入情況須切除1.25 MW負(fù)荷，而DWSIS接入情況僅須切除0.09 MW負(fù)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(fù)荷量不足直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入時的1/10，大大減小了負(fù)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(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。根據(jù)圖1拓?fù)?，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(jī)切除并啟用備用燃機(jī)或轉(zhuǎn)為運(yùn)行成本較高的工況2運(yùn)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(yùn)行，無須切除風(fēng)機(jī)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(jī)接入的頻率穩(wěn)定對比分析基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)為風(fēng)機(jī)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(jī)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(yùn)行下多工況、故障情況，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)因風(fēng)電波動失穩(wěn)工況占比達(dá)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(jī)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(qiáng)。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
