提升惯量响应与转速恢复的风储协调惯量控制方法_李世春.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1570-09 中图分类号：TM 614 文献标志码：A 学科代码：47040 提升惯量响应与转速恢复的风储协调惯量控制方法李世春1，申骜1，程绪长2，周沁3，鲍志阳1，柴俊杰1，薛臻瑶1（1三峡大学电气与新能源学院，湖北省 宜昌市 443002；2山东理工职业学院机电工程学院，山东省 济宁市 272067；3国网武汉供电公司，湖北省 武汉市 430014）Wind-storage Coordinated Inertia Control for Improving Inertia Response and Rotor Speed Recovery LI Shichun1,SHEN Ao1,CHENG Xuchang2,ZHOU Qin3,BAO Zhiyang1,CHAI Junjie1,XUE Zhenyao1(1.College of Electrical Engineering and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei Province,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shandong Career Development College,Jining 272067,Shandong Province,China;3.State Grid Wuhan Power Supply Company,Wuhan 430014,Hubei Province,China)ABSTRACT:In order to improve the ability of dynamic frequency support in the wind-storage combined operation station,and to deal with the problem that the current control cannot take into account the inertia response strength,the rapid speed recovery,and the suppression of frequency secondary drop,this paper proposes a coordinated inertia control method of wind-storage to improve the inertia response and the rotor speed recovery.On the control side of the wind turbine,the inertia control strategy of the wind turbine is formulated according to the adjustable power of the energy storage and the operation constraints of the wind turbine speed,so as to maximize the extraction of the rotor kinetic energy and enhance the inertia response ability of the wind turbine.In the recovery state of the wind turbine speed,the adjustable power of energy storage fully compensates the down-regulation of the wind turbine power,accelerates the recovery of the wind turbine speed and inhibits the secondary drop of the system frequency.In the energy storage control side,by judging the operation stage of each wind turbine,this paper proposes a control strategy to determine the energy storage output power based on the differentiated timing.The test result shows that the proposed method accelerates the recovery of the rotor speed and effectively suppresses the secondary drop of the system frequency under the condition of significantly enhancing the inertia response ability of the wind turbine.KEY WORDS:frequency stabilization;inertia control;wind 基金项目：国家自然科学基金项目(51907104)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51907104).turbine speed recovery;wind-storage coordination;high wind power penetration level 摘要：为提升风储联合运行场站的动态频率支撑能力，并针对当前控制方法不能兼顾惯量响应强度与快速转速恢复、频率二次跌落抑制的问题，提出了一种提升惯量响应与转速恢复的风储协调惯量控制方法。在风机控制侧，根据储能可调功率及风机转速运行约束制定风机惯量控制策略，以最大化提取转子动能，增强风机惯量响应能力。在风机转速恢复阶段，由储能可调功率完全补偿风机功率下调量，加快风机转速恢复、抑制系统频率二次跌落；在储能控制侧，通过判断各风机运行阶段，提出基于差异化时序确定储能输出功率的控制策略。算例验证表明，所提方法在显著增强风机惯量响应能力条件下，能加快转子转速恢复，并有效抑制系统频率二次跌落。关键词：频率稳定；惯量控制；转速恢复；风储协调；高风电渗透水平 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0695 0 引言 习近平总书记在七十五届联合国大会上提出的碳中和、碳达峰能源战略目标，为我国电网未来规划发展进程指明了方向：逐步减少化石能源使用，要以更大规模发展风电、光伏等新能源，构建新能源为主导的新型电力系统1-2。在此背景下，具有旋转动能储备的同步机组比例将会显著下降，风、光等新能源则会以更高比例接入电力系统。然而，这却会导致电力系统等效惯量不断削弱和抵御频率扰动的能力变差，引发潜在严重频率事故的概第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1571 率大大增加3-4。风电虚拟惯量控制是解决上述问题的有效手段，近年来也成为研究热点。典型的惯量控制方法包括：附加频率比例微分(supplementary frequency proportion-differentiation，SFPD)惯量控制5-6、虚拟同步机控制7-8、基于功率跟踪优化的虚拟惯量控制9-10、短时增发功率惯量控制11-12等，研究者们主要从如何优化风电机组惯量响应功率跟踪过程、提高惯量响应强度、优化转速恢复过程和机械载荷冲击问题等角度切入提出改进策略。然而，上述方法单纯依靠风电机组储存的动能来实施惯量控制，在提供较大惯量响应强度的同时，转速恢复阶段会产生频率二次跌落问题。鉴于储能的快速功率调节特性，利用储能参与新能源场站频率控制的方法受到了广泛关注。最新的国家标准规定：接入 35kV 及以上电压等级的储能电站、新能源电站必须具备快速调频特性13。而实际上也有多个省份对新能源场站提出了配置储能的规定，要求配置储能额定功率为新能源装机容量的 10%左右，且储能运行时间不低于 2h14-15。在学术界，也开展了储能参与调频控制的相关研究，主要分为两类方法：第一类是风储协同参与调频的方法。典型的如文献16中风机采取限转矩的惯量控制方式，由储能装置在风机转速恢复过程补偿功率缺额，避免了系统频率二次跌落问题。文献17根据风机转矩极限来设置惯量响应功率，使风机短期内提供最大有功输出，并由储能提供后续支撑作用，但该方式容易引发频率过调现象。文献18-19提出分别由风机模拟惯量特性、储能装置模拟下垂特性并支撑风机转速恢复过程，但风机采用频率微分控制策略，惯量响应能力较弱，且进入转速恢复阶段时若储能功率裕量不足，将难以应对频率二次跌落问题。第二类是单纯依靠储能调频的方法：如文献20中提出引入权重因子来调节虚拟惯性与虚拟下垂控制出力占比，并给出了储能在调频死区内的 SOC恢复方法，增强了系统频率稳定性能。文献21中将虚拟惯性、虚拟下垂、负虚拟惯性控制结合，并选取频率偏差临界值作为各控制切换条件，充分发挥了各控制的调频优势。但该类方法仅依赖的单一储能作用，频率支撑能力有限。对比上述两类方法来看，第一类方法利用了风机的转子动能参与频率调节，能够提供更大的有功支持，从而有效地支撑系统频率稳定，同时可以削减配套储能装置的额定功率，减小储能配置成本，更具优势。鉴于此，本文针对现有控制方法存在的问题，提出了一种提升惯量响应与转速恢复的风储协调惯量控制方法。该方法主要涉及到风机侧和储能侧控制策略，在风机侧，根据储能可调功率及风机转速运行约束制定风机惯量控制策略，使风机尽量释放转子动能来提供有功支撑，以改善系统频率响应特性。在转速恢复阶段，根据储能可调功率设计转速恢复曲线，以充分发挥储能协调作用、加快转速恢复；在储能侧，该方法通过判断风机运行状态，使储能装置适时地提供有功功率，以有效避免频率二次跌落问题，提升系统频率稳定性能。1 风电机组典型频率控制策略及系统频率二次跌落问题 1.1 SFPD 惯量控制策略 SFPD 是最经典的风电惯量控制方法，也是众多惯量控制方法的基础，其实现原理如图1所示22。在稳态时，风电机组工作于最大功率跟踪状态。发生频率跌落时，SFPD 惯量控制模块根据电网频率偏差f 和频率变化率 df/dt 共同产生附加转矩信号T，使总参考转矩信号 Tref增大，变流器和风电机组响应，输出功率增加，从而对系统频率提供支撑。与参考转矩 Tref对应的有功参考值为 refcmdcmd()PTTPP(1)式中：为风机转子转速；P 为附加功率；Pcmd为速度控制器产生的参考功率。iTpt+KKS 图 1 SFPD 惯量控制 Fig.1 SFPD inertia control 图 1 中：f、fn分别为电网频率和额定频率；Kdf、Kpf分别为频率微分系数和频率偏差系数；为转子转速偏差；Pmea为实测的风机输出功率；Koff为惯量闭锁控制系数；toff为惯量响应时长。为防止转子动能过度释放，图 1 中设置有惯量闭锁模块，当风机启动惯量响应的时间超过 toff或者转子转速低于运行下限值 min,时，Koff由 1 切换为 0，使惯量响应截止。SFPD 惯量响应期间，风电机组有功功率变化曲1572 李世春等：提升惯量响应与转速恢复的风储协调惯量控制方法 Vol.47 No.4 线如图 2 所示。稳态时，风电机组运行于 O 点，惯量响应时的有功功率曲线为AB，为反映惯量响应时相对于稳态功率的有功增量，式(1)也可表示为 refcmdefoPPPPP(2)式