中國儲能網(wǎng)訊：1、論文背景
風力發(fā)電因其具有資源分布廣泛、存儲容量大、環(huán)境友好、開發(fā)技術(shù)成熟等特點，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。然而與廣大研究者所熟知的常規(guī)同步發(fā)電機組運行特性不同，風力發(fā)電具有強隨機、弱可控以及弱抗擾特性。大規(guī)模風電并網(wǎng)將會使得電力系統(tǒng)的運行特性發(fā)生實質(zhì)性變化，含有大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性將會受到嚴重威脅。另一方面，材料、化學等學科的長足發(fā)展促進了規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)的明顯進步。中、美等國已經(jīng)建立了大量的儲能-新能源聯(lián)合運行示范基地。大規(guī)模風電并網(wǎng)和規(guī)模化儲能利用將會成為未來電網(wǎng)的主要特征之一。如何利用規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)有效改善風電系統(tǒng)的運行特性、提高含風電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，將會是未來儲能廣泛應(yīng)用及大規(guī)模風電并網(wǎng)消納進程中的一個重要課題，也是一個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能技術(shù)來提升含風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。從含風電電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、低電壓穿越、功角穩(wěn)定三個方面闡述了含風電電力系統(tǒng)存在的安全穩(wěn)定問題，根據(jù)儲能技術(shù)的現(xiàn)有應(yīng)用情況，提出了利用儲能技術(shù)提高含風電電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的解決思路。選取了含風電電力系統(tǒng)虛擬慣量補償和快速頻率響應(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研究小點，分析了大規(guī)模風電并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱的機理，設(shè)計了用于系統(tǒng)穩(wěn)定性提升的儲能控制器，有效地改善了含風電電力系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，有利于大規(guī)模風電的并網(wǎng)和消納。
3、論文重點內(nèi)容
3.1 風電場虛擬慣量補償與快速頻率響應(yīng)研究
變速恒頻風電機組轉(zhuǎn)子動能被變頻器與電網(wǎng)“隔離”，使得其對電網(wǎng)貢獻的慣量幾乎為零。隨著風電滲透率不斷提高，電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問題也隨之凸顯。因此各國風電并網(wǎng)導則均明確要求風電場需具有參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的能力。由于風電場內(nèi)部機組數(shù)量龐大，機組間運行工況不一致，風電場層面的控制仍然具有很大的難度?；诖?，本論文提出利用儲能補償風電場虛擬慣量的解決思路。
首先，本論文在定義風電-儲能聯(lián)合運行系統(tǒng)虛擬慣量的基礎(chǔ)上，分析得到了使得風電場具有和等容量同步發(fā)電機類似慣量響應(yīng)能力所需最小儲能容量為風電場額定裝機容量的5%。進一步的，基于模糊邏輯推理原理設(shè)計了風電儲能控制器，有效減小了儲能在進行頻率響應(yīng)過程中的最大輸出功率，使得風電場需要配備的儲能容量達到了上述分析的最小儲能容量。最后在我國某西北電網(wǎng)等值系統(tǒng)上進行仿真驗證，發(fā)現(xiàn)所提出的控制策略能夠有效補償風電場虛擬慣量、協(xié)調(diào)風電-儲能系統(tǒng)和常規(guī)電網(wǎng)之間的能量交換，使得風電場迅速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，利于含大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。
圖 1 負荷突增時系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況
圖 2 負荷突降時系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況
3.2 風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，當電網(wǎng)發(fā)生三相金屬性短路故障后，短路點的電壓為零，風電系統(tǒng)與外部電源之間的耦合作用為零，二者會成為了兩個完全獨立的系統(tǒng)。外部電網(wǎng)由于常規(guī)同步發(fā)電機的支撐作用，其運行頻率維持在50Hz。而風電場失去了外部電網(wǎng)的支撐，成為了一個相對獨立的孤島電網(wǎng)。如果此時風電場根據(jù)并網(wǎng)導則在低電壓穿越期間必須向系統(tǒng)注入無功電流，可能會引起風電系統(tǒng)發(fā)生頻率失穩(wěn)現(xiàn)象，進而導致風電場低電壓穿越失敗。
針對該現(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)生的原因以及對風電場低電壓穿越特性的影響規(guī)律。進一步地建立了風電場低電壓穿越情況下系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，計算得到了該運行狀態(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)的形成機理。隨后，設(shè)計了用來改善系統(tǒng)特征值分布規(guī)律的儲能控制器，給出了儲能裝置選型以及容量配置的相關(guān)建議。研究結(jié)果表明儲能裝置改善了風電場故障期間注入電流特性，能夠有效穩(wěn)定風電場出口母線處的頻率，增強了風電機組在故障工況下的抗擾性，進而維持了含風電電力系統(tǒng)低電壓穿越期間的頻率穩(wěn)定。
圖 3 風電場故障后系統(tǒng)分析示意圖
3.3 風電場發(fā)生高頻振蕩現(xiàn)象的機理分析與阻尼控制
國內(nèi)外風電事故表明：風電弱聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)容易在發(fā)生擾動時出現(xiàn)頻率為幾到幾十赫茲的功率振蕩現(xiàn)象。由于雙饋風電機組與常規(guī)同步發(fā)電機組運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)電機組小擾動振蕩機理完全解釋?？紤]到雙饋風電機組主要通過鎖相環(huán)與電網(wǎng)之間實現(xiàn)同步運行，鎖相環(huán)動態(tài)特性將會嚴重影響風電機組與電網(wǎng)之間的交互作用。本論文在建立計及鎖相環(huán)動態(tài)特性的雙饋風電機組分析模型的基礎(chǔ)上，研究了風電機組在不同運行狀態(tài)下并入不同強弱電網(wǎng)后的特征值分布情況，發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)振蕩是導致雙饋風電機組在弱電網(wǎng)中發(fā)生小擾動失穩(wěn)的主要原因之一。
針對鎖相環(huán)振蕩失穩(wěn)這一問題，類似于同步發(fā)電機機電振蕩模態(tài)復轉(zhuǎn)矩分析，建立了風電機組鎖相環(huán)回路的復轉(zhuǎn)矩分析模型。分析了風電場接入點短路比以及鎖相環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。針對弱電網(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)電機組電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，提出了一種基于相位補償?shù)膬δ茏枘峥刂破鳎梢杂行б种拼笠?guī)模風電經(jīng)遠距離長線路并入電網(wǎng)時的高頻功率振蕩現(xiàn)象。
圖 4 不同短路比情況下，PLL回路開環(huán)回路Bode圖
圖 5 風電機組PLL阻尼控制器
3.4 風電與常規(guī)機組間相互作用規(guī)律分析及阻尼控制
風電機組并網(wǎng)如何影響常規(guī)同步機組運行特性這一問題備受廣大研究者密切關(guān)注。本論文針對小擾動特性，在建立含有風電和常規(guī)同步發(fā)電機組的雙機無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型的基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)風電機組鎖相環(huán)通過3個耦合支路來影響常規(guī)同步機組電磁轉(zhuǎn)矩，探究了其對常規(guī)同步機組電磁轉(zhuǎn)矩的作用機理和影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)風電機組可能惡化常規(guī)機組之間的阻尼特性。針對該問題，本論文基于暫態(tài)能量衰減的原理，設(shè)計了用于改善常規(guī)機組間阻尼特性的儲能控制器。在系統(tǒng)的各種運行工況下均能有效阻尼常規(guī)同步機組間的功率振蕩，其作用效果明顯且具有良好的適應(yīng)性。
圖 6 含有風電并網(wǎng)的單機無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型
圖 7 風電并網(wǎng)影響同步機組轉(zhuǎn)矩示意圖
圖 8 基于能量函數(shù)的儲能阻尼控制器
4、論文主要創(chuàng)新點
1）確定了用于風電場虛擬慣量補償?shù)膬δ苋萘啃枨?，提出了一種用于風電場虛擬慣量補償以及快速頻率響應(yīng)的儲能調(diào)頻策略，有效改善了含風電電力系統(tǒng)的頻率特性。
2）發(fā)現(xiàn)了風電場根據(jù)并網(wǎng)導則在低電壓穿越期間向系統(tǒng)注入無功電流引起風電系統(tǒng)發(fā)生頻率失穩(wěn)并導致低電壓穿越失敗的形成機理，設(shè)計了基于儲能的風電場穩(wěn)定控制器，給出了儲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)模風電經(jīng)遠距離交流線路外送發(fā)生功率振蕩的形成機理，基于相位補償原理，利用儲能快速功率響應(yīng)特性設(shè)計了弱電網(wǎng)情況下風電場鎖相環(huán)阻尼控制器。
4）揭示了雙饋風電機組通過鎖相環(huán)影響鄰近同步發(fā)電機組電磁轉(zhuǎn)矩的作用機理和規(guī)律。設(shè)計了一種基于暫態(tài)能量衰減的儲能阻尼控制器，能夠有效阻尼常規(guī)機組間的功率振蕩。
原標題：華中科技大學劉巨：利用儲能提升含風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究
