華北電力大學研究團隊：風儲聯(lián)合系統(tǒng)的虛擬慣量需求與協(xié)同支撐

　　合理利用風儲聯(lián)合系統(tǒng)的能量儲備協(xié)同實現(xiàn)虛擬慣量支撐是新能源高滲透安全并網(wǎng)的關(guān)鍵。華北電力大學新能源并網(wǎng)課題研究團隊通過分析風電、儲能的虛擬慣性響應(yīng)特性，建立了風儲系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，計算了系統(tǒng)慣性響應(yīng)時間，并以頻率變化率為安全約束，結(jié)合系統(tǒng)慣量需求，提出了風儲協(xié)同慣性支撐控制策略。

　　研究背景

　　不具備主動頻率支撐能力的新能源占比不斷提高，導致系統(tǒng)慣量水平下降，頻率安全已受到威脅。近年來，在新能源場站規(guī)劃中，響應(yīng)速度快、控制靈活的儲能受到了廣泛關(guān)注，成為了輔助新能源調(diào)頻的重要設(shè)備。在新能源高占比電網(wǎng)中，風機的旋轉(zhuǎn)動能與儲能的存儲能量均可視為系統(tǒng)慣性支撐的能量儲備。通過風儲協(xié)同充分發(fā)揮新能源的頻率支撐潛力，將是提升新型電力系統(tǒng)頻率安全的關(guān)鍵。

　　論文所解決的問題及意義

　　目前，虛擬慣量控制多以風機轉(zhuǎn)速為控制目標，并未計算頻率跌落時間這一關(guān)鍵參數(shù)，導致虛擬慣量評估難度較大，且控制器啟停需依賴頻率變化率，具有造成頻率二次跌落的風險。如何為新能源頻率控制器設(shè)計參數(shù)，避免其誤動作尚需進一步探討。在風電機組與儲能協(xié)同并網(wǎng)支撐模式中，須在虛擬慣量評估的基礎(chǔ)上，及時啟停附加控制，才能可靠提升新能源的頻率支撐性能。

　　論文方法及創(chuàng)新點

　　(1)慣性響應(yīng)時間計算

　　隨著風電滲透率的提升，系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力逐漸降低，所以系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中需引入表征風電滲透率的變量。風電滲透率為ρ時，系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖1所示。

圖1 計及風儲的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型

　　將系統(tǒng)典型參數(shù)代入模型，即可計算出慣性響應(yīng)時間大小。當虛擬慣量設(shè)置不同時，系統(tǒng)遭受相同擾動后的頻率動態(tài)變化特性如圖2所示，由于虛擬慣量增大會減小系統(tǒng)頻率變化率，所以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時間隨之增加。

圖2 附加虛擬慣性控制時系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

　　(2)系統(tǒng)最小慣量需求評估

　　在低慣性風電高占比系統(tǒng)中，頻率變化率將是衡量頻率安全的關(guān)鍵指標。擾動初期，沒有發(fā)電機調(diào)速器和負荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，系統(tǒng)頻率取決于慣量大小，此時頻率變化率最大，可依據(jù)最大頻率變化率允許值評估得到系統(tǒng)最小慣量需求，評估結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)慣量需求和最大頻率變化率及擾動功率的關(guān)系

　　(3)風儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略

　　為滿足系統(tǒng)最小慣量需求，在慣性響應(yīng)階段風儲需聯(lián)合參與調(diào)頻以滿足系統(tǒng)最小慣量需求。其中，在頻率跌落階段，系統(tǒng)慣量不足時，優(yōu)先考慮風機提供虛擬慣量。當風機出力無法滿足系統(tǒng)最小慣量需求時，儲能啟動虛擬慣性控制滿足系統(tǒng)需求。在頻率恢復階段，將計算所得的慣性響應(yīng)時間作為風機、儲能慣性響應(yīng)的閉鎖條件，避免風、儲能吸收功率阻止頻率恢復。

圖4 風儲聯(lián)合系統(tǒng)的虛擬慣性協(xié)同支撐控制器結(jié)構(gòu)

　　結(jié)論

　　為提升風儲聯(lián)合系統(tǒng)的慣量支撐性能，本文將慣性響應(yīng)時間作為虛擬慣性時間的啟停條件，并以系統(tǒng)慣量需求為前提，提出了風儲聯(lián)合系統(tǒng)虛擬慣量協(xié)同控制策略，合理分配風電場與儲能慣量支撐任務(wù)，測試結(jié)果表明所提方法能使風儲慣性支撐功率在規(guī)定時間內(nèi)退出，可以減小系統(tǒng)頻率恢復過程中的超調(diào)量，有利于系統(tǒng)頻率恢復，調(diào)頻效果優(yōu)于傳統(tǒng)頻率支撐控制。

　　本工作成果發(fā)表在2024年第3期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“風儲聯(lián)合系統(tǒng)的虛擬慣量需求與協(xié)同支撐”。本課題得到國家自然科學基金項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的支持。