劉 納，石夢(mèng)璇，黃碧月，陳文華

(1. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.萬(wàn)峰電力股份有限公司，貴州 興義 562400)

1 引言

近年來(lái)，儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的應(yīng)用主要是基于可再生能源的間歇性與不可測(cè)性，基于各種儲(chǔ)能系統(tǒng)特性，研究不同類(lèi)型電池的充放電特性[1-4]，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[5-7]，儲(chǔ)能容量配置[8-9]和其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[10-12]。文獻(xiàn)[4]建立儲(chǔ)能電池的多時(shí)間尺度模型，計(jì)及了電池荷電狀態(tài)和充放電電流對(duì)模型參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[7]研究了儲(chǔ)能在離網(wǎng)條件下PCS所采用的定電壓/頻率控制策略。文獻(xiàn)[11]以國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程為例，分析并驗(yàn)證了典型運(yùn)行模型下控制策略的可行性。文獻(xiàn)[12]分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用范圍，驗(yàn)證了利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)電站實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)電計(jì)劃的合理性與可行性。但儲(chǔ)能針對(duì)典型負(fù)荷，應(yīng)用在孤網(wǎng)中的應(yīng)用仿真研究較少。

目前，貴州興義地方電網(wǎng)投運(yùn)的電源只有清水河電廠的2臺(tái)350MW火電機(jī)組，其中1臺(tái)正在檢修，整個(gè)電網(wǎng)處于單機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，該區(qū)域接近60%的負(fù)荷為冶金產(chǎn)業(yè)等沖擊負(fù)荷，單臺(tái)火電機(jī)組同時(shí)承擔(dān)電力及備用容量的任務(wù)，通過(guò)220kV專(zhuān)網(wǎng)以孤網(wǎng)方式為大型冶煉等沖擊負(fù)荷供電。由于負(fù)荷具有沖擊特性，呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)和突變特性，對(duì)系統(tǒng)頻率控制帶來(lái)很大的影響，電網(wǎng)安全運(yùn)行壓力較大，需要配置輔助服務(wù)電源，平抑負(fù)荷波動(dòng)，參與調(diào)峰調(diào)頻，保障電網(wǎng)安全。

2 仿真模型

2.1 發(fā)電機(jī)頻率控制模型

發(fā)電機(jī)頻率控制模型包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、汽輪機(jī)模型、調(diào)速器模型以及負(fù)荷頻率控制模型，見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)頻率控制模型

其中，模型參數(shù)分別為：

2.2 儲(chǔ)能模型

儲(chǔ)能頻率控制模型主要包括一次頻率備用(PFR)控制、慣性響應(yīng)(IR)控制、和儲(chǔ)能單元模型等。其中PFR控制是以頻率偏差為反饋信號(hào)，類(lèi)似于發(fā)電機(jī)調(diào)速器的一次頻率控制；IR控制是以頻率變化的斜率，即頻率偏差的微分為反饋信號(hào)，慣性環(huán)節(jié)的作用是使頻率具有較為平緩的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，兩部分控制可以單獨(dú)使用，在不需要IR控制時(shí)，可將慣性環(huán)節(jié)增益設(shè)置為0。儲(chǔ)能模型采用一階慣性環(huán)節(jié)表示，其時(shí)間常數(shù)非常小，表明鋰離子電池的快速響應(yīng)特性。為避免儲(chǔ)能裝置頻繁動(dòng)作，儲(chǔ)能控制器前增加了閾值限制，可控制儲(chǔ)能在頻率偏差超過(guò)閾值時(shí)啟動(dòng)。

圖2 儲(chǔ)能頻率控制模型

儲(chǔ)能頻率控制模型參數(shù)分別為：

3 沖擊負(fù)荷仿真分析

3.1 突變負(fù)荷

考慮比較極端的情況，負(fù)載瞬時(shí)大幅增加，變化曲線如圖3所示。負(fù)載功率在30s時(shí)由250MW突增到290MW，持續(xù)約一分鐘后逐漸恢復(fù)。

圖3 突變負(fù)荷

在圖3所示的負(fù)載突變情況下，分別對(duì)有儲(chǔ)能和無(wú)儲(chǔ)能兩種情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4。

圖4 突變負(fù)荷情況下頻率控制仿真

從仿真結(jié)果可以看出，沒(méi)有儲(chǔ)能情況下，系統(tǒng)頻率嚴(yán)重跌落，最低點(diǎn)頻率低于49.4Hz，如圖4(a)所示，可能導(dǎo)致切負(fù)荷裝置動(dòng)作，降低了系統(tǒng)供電可靠性；儲(chǔ)能裝置參與調(diào)頻的仿真結(jié)果如圖4(b)所示，系統(tǒng)頻率偏差明顯減小。

3.2 漸變負(fù)荷

漸變負(fù)荷的功率曲線如圖5所示，20s開(kāi)始負(fù)荷從250MW漸變下降，下降到215MW左右后持續(xù)一段時(shí)間又漸變恢復(fù)250MW。

圖5 漸變負(fù)荷

漸變負(fù)荷情況下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性如圖6所示。

圖6 漸變負(fù)荷情況下頻率控制仿真

從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于漸變負(fù)荷，在功率變化范圍不超過(guò)發(fā)電機(jī)額定功率情況下，發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的調(diào)頻效果，一般不需要儲(chǔ)能動(dòng)作。

3.3 周期性快變負(fù)荷

周期性快變負(fù)荷的功率曲線如圖7所示，變化幅度約60MW。

圖7 周期性快變負(fù)荷

漸變負(fù)荷情況下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性如圖8所示，在儲(chǔ)能參與頻率調(diào)節(jié)的情況下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度明顯減小，由于虛擬慣性環(huán)節(jié)的作用，頻率變化也相對(duì)較緩。

圖8 周期性快變負(fù)荷情況下頻率控制仿真

3.4 典型負(fù)荷

根據(jù)興義電網(wǎng)負(fù)荷特性，模擬負(fù)荷1小時(shí)的負(fù)荷曲線，其中包含如下分量：

包含上述四種負(fù)荷特性的模擬負(fù)荷曲線如圖9所示。

圖9 負(fù)載功率模擬

4 負(fù)荷突變對(duì)儲(chǔ)能容量需求分析

4.1 現(xiàn)有網(wǎng)架負(fù)荷對(duì)儲(chǔ)能容量需求

4.1.1 現(xiàn)有網(wǎng)架

目前興義共有2臺(tái)350MW火電機(jī)運(yùn)行，該區(qū)域除日常390MW負(fù)荷(含中聯(lián)鐵合金100MW負(fù)荷)外，還包含100MW冶金負(fù)荷，分別是興仁登高電解鋁廠80MW和陽(yáng)光實(shí)業(yè)20MW，冶金產(chǎn)業(yè)沖擊負(fù)荷約占區(qū)域內(nèi)總負(fù)荷的60%。

圖10 興義現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

4.1.2 負(fù)荷突變15MW

負(fù)荷突變15MW時(shí)，無(wú)儲(chǔ)能情況下系統(tǒng)頻率跌落至49.756Hz，儲(chǔ)能投入1.5MW工作，系統(tǒng)頻率略有回升。

圖11 負(fù)荷突變15MW情況下儲(chǔ)能頻率控制

4.1.3 負(fù)荷突變30MW

負(fù)荷突變30MW時(shí)，低頻減載裝置接近動(dòng)作閾值， 儲(chǔ)能投入12MW，可控制頻率波動(dòng)在±0.3Hz，儲(chǔ)能作用效果明顯。

圖12 負(fù)荷突變30MW情況下儲(chǔ)能頻率控制

4.1.4 負(fù)荷突變55MW

負(fù)荷突變55MW時(shí)，系統(tǒng)頻率跌落至49.19Hz，儲(chǔ)能輸出功率達(dá)到20MW，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.5Hz。由此可知，當(dāng)10s內(nèi)負(fù)荷突變達(dá)到55MW以?xún)?nèi)時(shí)，配置20MW儲(chǔ)能，可避免低頻減載裝置動(dòng)作，控制頻率波動(dòng)在±0.5Hz。

圖13 負(fù)荷突變55MW情況下儲(chǔ)能頻率控制

仿真結(jié)果表明：10s內(nèi)負(fù)荷突變小于15MW時(shí)，機(jī)組調(diào)速器能夠響應(yīng)，頻率波動(dòng)在±0.2Hz；10s內(nèi)負(fù)荷突變達(dá)到30MW時(shí)，低頻減載裝置接近動(dòng)作閾值，配置12MW儲(chǔ)能，可控制頻率波動(dòng)在±0.3Hz；當(dāng)10s內(nèi)負(fù)荷突變達(dá)到55MW以?xún)?nèi)時(shí)，配置20MW儲(chǔ)能，可避免低頻減載裝置動(dòng)作，控制頻率波動(dòng)在±0.5Hz。目前電網(wǎng)中的最大單機(jī)負(fù)荷為40MW(中聯(lián)鐵合金廠40MW冶金爐)，結(jié)合歷史負(fù)荷曲線，配置20MW儲(chǔ)能輔助服務(wù)電源，可有效抑制電網(wǎng)頻率波動(dòng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 近期規(guī)劃網(wǎng)架對(duì)儲(chǔ)能容量需求

4.2.1 近期規(guī)劃網(wǎng)架

根據(jù)興義、義龍地方電網(wǎng)現(xiàn)狀及“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃圖，近期將投運(yùn)2臺(tái)600MW機(jī)組，電源增加到1900MW，負(fù)荷總?cè)萘款A(yù)計(jì)達(dá)1512MW，增加負(fù)荷主要為典型負(fù)荷，如圖14所示。

圖14 興義地區(qū)近期規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

4.2.2 負(fù)荷突變74MW

頻率跌落至49.8Hz，機(jī)組調(diào)速器能夠響應(yīng)，頻率波動(dòng)為0.2Hz，剛剛達(dá)到儲(chǔ)能裝置動(dòng)作的閾值。

圖15 荷突變74MW情況下儲(chǔ)能頻率控制

4.2.3 負(fù)荷突變252MW

負(fù)荷突變252MW時(shí)，系統(tǒng)頻率跌落至49.5Hz以下，配置20MW儲(chǔ)能，可將頻率恢復(fù)至49.5Hz。

圖16 負(fù)荷突變252MW情況下儲(chǔ)能頻率控制

仿真結(jié)果表明，當(dāng)電源增加到1900MW，負(fù)荷增加到1512MW，10s內(nèi)負(fù)荷突變達(dá)到74MW時(shí)，機(jī)組調(diào)速器能夠響應(yīng)，頻率波動(dòng)為0.2Hz；當(dāng)10s內(nèi)負(fù)荷突變達(dá)到252MW以?xún)?nèi)時(shí)，配置20MW儲(chǔ)能，可避免低頻減載裝置動(dòng)作，控制頻率波動(dòng)在±0.5Hz。

綜合分析，在現(xiàn)有網(wǎng)架下，負(fù)荷突變達(dá)到55MW時(shí)，系統(tǒng)頻率跌落至49.19Hz，觸發(fā)安穩(wěn)系統(tǒng)；近期電網(wǎng)規(guī)劃中，負(fù)荷突變達(dá)到252MW時(shí)，系統(tǒng)頻率跌落至49.5Hz以下，觸發(fā)安穩(wěn)系統(tǒng)?？紤]經(jīng)濟(jì)成本，配置20MW儲(chǔ)能，可避免低頻減載裝置動(dòng)作，控制頻率波動(dòng)在±0.5Hz，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 儲(chǔ)能電站測(cè)試

5.1 儲(chǔ)能控制策略選擇

儲(chǔ)能電站控制策略見(jiàn)圖17。儲(chǔ)能投切頻率閾值±0.6Hz，退出頻率閾值±0.2Hz，將退出頻率閾值±0.2Hz設(shè)置在火電機(jī)組調(diào)頻死區(qū)，避免電站退出時(shí)對(duì)火電機(jī)組的運(yùn)行影響。

圖17 儲(chǔ)能電站控制策略

5.2 儲(chǔ)能電站測(cè)試

儲(chǔ)能電站投運(yùn)后，頻率波動(dòng)明顯減少，見(jiàn)圖18，可減少火電機(jī)組閥門(mén)的開(kāi)啟次數(shù)及幅度，降低磨損程度，提高火電機(jī)組的運(yùn)行可靠性。

圖18 儲(chǔ)能電站投入前后頻率曲線

連續(xù)3天在相同時(shí)間點(diǎn)記錄相同頻率采樣個(gè)數(shù)，見(jiàn)表1。由表1可知，儲(chǔ)能全站參與調(diào)頻后，每天頻率大于50.06Hz或低于49.94Hz的平均次數(shù)為61次；而不參與調(diào)頻時(shí)，每天頻率大于50.06Hz或低于49.94Hz的平均次數(shù)為106次。可見(jiàn)投入儲(chǔ)能后，對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)效果明顯，減小了電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

表1 儲(chǔ)能電站投入前后數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)論

1)對(duì)于典型負(fù)荷中，突變負(fù)荷和周期性負(fù)荷，在儲(chǔ)能參與頻率調(diào)節(jié)的情況下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度明顯減??；對(duì)于漸變負(fù)荷，在功率變化范圍不超過(guò)發(fā)電機(jī)額定功率情況下，發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的調(diào)頻效果，一般不需要儲(chǔ)能動(dòng)作。

2)針對(duì)目前興義電網(wǎng)情況，最大單機(jī)負(fù)荷為40MW(中聯(lián)鐵合金廠40MW冶金爐)，需配置20MW儲(chǔ)能輔助服務(wù)電源，可有效抑制電網(wǎng)頻率波動(dòng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3)當(dāng)電源增大至1900WM，負(fù)荷總?cè)萘款A(yù)計(jì)達(dá)1512MW(新增負(fù)荷主要為典型負(fù)荷)，20MW儲(chǔ)能，能承擔(dān)10s內(nèi)負(fù)荷突變252MW，避免低頻減載裝置動(dòng)作，控制頻率波動(dòng)在±0.5Hz。