计及高新能源渗透率的储能-火电互补系统调频策略研究.pdf
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1、 第第 39 卷卷 第第 7 期期 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 Vol.39,No.7 2023 年年 7 月月 Electric Power Science and Engineering Jul.2023 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2021MS089)。DOI:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.07.005 计及高新能源渗透率的储能火电互补系统调频策略研究 王东风,张 雄,易 衡,王晓燕(华北电力大学 自动化系,河北 保定 071003)摘 要:新能源接入现有电网将弱化系统的频率稳定性。充分利用调频资源对提升电网稳定性具有重要意义。火
2、电作为当前调频主要资源有着复杂多变的特性,在不同工况下调频能力也会不同;且随着渗透率提高,传统的下垂控制调频方式逐渐不能满足控制要求。因此,提出一种储能火电互补频率控制策略,设计了随频率变化自适应调节的出力比重系数,实现了储能出力的自适应调整,并将线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control,LADRC)应用于火电机组的控制,通过频域法分析典型工业控制对象的 LADRC 参数调节规律。仿真结果表明,相较于传统下垂控制策略,所提出的储能火电互补频率控制策略使系统的频率偏差最大值与稳态偏差值显著降低,并且有更好的储能恢复效果。关键词:互补调
3、频;渗透率;频域分析;线性自抗扰;电力系统稳定;储能;火力发电 中图分类号:TM611;TM912 文献标识码:A 文章编号:1672-0792(2023)07-0042-11 Research of Energy Storage-Thermal Power Complementary System Frequency Modulation Strategy Considering New Energy Penetration Rate WANG Dongfeng,ZHANG Xiong,YI Heng,WANG Xiaoyan(Department of Automation,North C
4、hina Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:Access to the existing grid will weaken the systems frequency stability.It is of great significance to make full use of frequency modulation resources to enhance the stability of power system.Thermal power,as the main resource of FM,has co
5、mplex and changeable characteristics,and the capability of FM is different under different operating conditions,besides,the traditional aroopcontrol frequency modulation method could not meet control requirements with increasing penetration rate.Therefore,an energy storage-thermal power complementar
6、y frequency control strategy is proposed,and the output specific gravity coefficient is designed to adjust adaptively with the frequency change to realize the adaptive adjustment of energy storage output,and linear active disturbance rejection control(LADRC)is applied to the control of thermal power
7、 units,and the regulation law of LADRC parameters of typical industrial control objects is analyzed by frequency domain method.The simulation results show that compared with the traditional droop control strategy,the proposed energy storage-thermal power 第 7 期 王东风,等:计及高新能源渗透率的储能火电互补系统调频策略研究 43 compl
8、ementary frequency control strategy can significantly reduce the maximum frequency deviation and the steady-state deviation,and have better energy storage recovery effect.Key words:complementary frequency control;penetration rate;frequency domain analysis;LADRC;power system stability;energy storage;
9、thermal power generation 0 引言 随着世界各国对新能源发电日益重视,新能源发电量正在迅速增加。然而,由于新能源的随机性和波动性,电网平稳运行面临着巨大的挑战1。通过使用高渗透率的新能源对传统发电系统进行补偿,会降低系统的惯性和调频容量。火电存在响应慢、精度低与容量大等特点,不能实现快速调频。而具有响应快、控制精度高等特点的储能系统无法满足调频容量需求2。如果仅靠单一调频系统,电网平稳将难以维持。因此,提出满足电网频率要求的储能火电互补控制策略具有重要现实意义。目前,储能系统在电力系统辅助调频领域的应用引起了广泛关注。文献3讨论了储能系统辅助调频对电网的瞬态影响。文献4
10、提出了一种机组实时出力增量的量化预测模型,进而设计了储能火电互补调频的控制策略。文献5提出了一种基于随机模型预测控制的储能火电两阶段协同调频控制模型,并引入约束条件对所提调频控制模型进行调频效果评价。上述作者的研究成果提供了将储能系统与火电机组相结合,以提升电力系统调频能力的有效方法。在提高储能系统调频能力方面。文献6提出一种通过模糊控制器实现可变下垂的方法,从而获得可变储能出力。文献7提出一种自适应下垂与自适应充电状态恢复相结合的频率控制方法。该方法间接减轻了发电机组的频率调整负担,改善了储能的长期调频能力。文献8提出了一种储能参与调频的综合控制方法。在调频阶段利用虚拟下垂和虚拟惯性控制相结
11、合的控制方法,提高了调频性能、延长了储能系统循环寿命。此外,文献9提出使用风机提供调频辅助,以减小储能系统的动作次数、提高调频可靠性。上述研究为储能系统参与电力系统辅助调频提供了必要的理论支持。在火电机组参与调频方面。文献10提出一种将广义状态估计观测器和非线性滑模控制结合的调频方法,用来调节多区域电力系统的频率偏差。文献11设计了一种基于扰动估计的负载频率鲁棒控制方案,以抑制随机时延攻击。然而,随着新能源渗透率提升,电网频率受到的大幅扰动更加频繁。文献12采用自抗扰控制器(Active disturbance rejection control,ADRC)作为负载频率控制器,来克服不确定性干
12、扰对电力系统频率的影响。由于传统的 ADRC 包含许多参数和非线性函数,所以具有简单数学描述的 LADRC 控制器得到了广泛应用,如在机组协调控制13、选择性催化还原法脱硝系统控制14中等。因此,将LADRC 用于本文火电机组的调频控制。本文提出一种储能火电互补的调频控制策略。对于储能出力控制,基于频率偏差提出自适应调节储能调频出力的控制策略。依据频率偏差大小将储能参与的调频阶段分为:恶化阶段、最大频率偏差点和频率恢复阶段。由虚拟惯性和虚拟下垂共同控制储能在恶化阶段和恢复阶段的出力,引入比重系数表示两种控制方法下的储能出力比例,而在频率偏差最大点只采用虚拟下垂控制储能出力;在传统火电机组深度出
13、力控制上使用 LADRC 控制器,并采用频域分析法判断系统的稳定性,并获取最佳控制器参数。最后,通过仿真验证所提调频策略的正确性和有效性。1 储能火电互补调频分析及模型 1.1 高渗透率新能源并网分析 建立如图 1 所示的调频控制模型,以对比不同渗透率的风电在相同输入量下对电网频率的影响。图 1 高渗透率新能源下的调频模型 Fig.1 Frequency regulation model under high penetration new energy 44 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 2023 年 假设风电渗透率为,对图 1 模型加幅值为0.05 的阶跃扰动,可以得到如图 2
14、 所示的频率偏差变化曲线。图 2 高渗透率新能源下的电网频率偏差 Fig.2 Frequency deviation of the grid under high penetration new energy 由图 2 可见,在风电接入电网后,随着风电渗透率的增加,系统的惯性随之减小、频率变化速度加快、最大频差变大、系统受到的干扰变强。尽管引入储能参与调频可以减轻风电并网对电网的影响,但在复杂的风电工况下,传统下垂控制策略的调频效果已经无法达到电网对频率稳定性和荷电状态(State of charge,SOC)管理的要求。因此,本文提出一种储能火电互补控制策略,该策略随频率变化来自适应调整下垂
15、及惯性控制的比例,从而适应变化的系统运行状态以更好地维持电网频率稳定和保证更优的 SOC 性能。1.2 储能火电互补调频模型 建立如图3所示的储能火电互补的电力系统调频模型。图中,电力系统包括电池储能系统、传统火电机组、风电场、以及相应的负荷。将不确定性的负荷和风电并入电网,会让电网产生频率波动,且高渗透率风电的并入是电网波动的主要原因。图 3 储能火电互补的电力系统调频模型 Fig.3 Power system frequency modulation model of energy storage-thermal power complementarity 系统的输入 PL(s)由负荷扰动
16、和风电扰动组成,其与频率偏差的关系为:gbL()()()()P sP sP sf sMsD (1)式中:s 为拉氏算子;Pg(s)为传统火电机组出力;f(s)为电网频率偏差;Pb(s)为电池储能出力;M为电网的惯性时间常数;D 为负荷的阻尼系数。从式(1)可以看出,在负荷扰动不变的情况下,调节储能和火电机组的出力就能获得较好的频率响应。在风电并网时,储能响应速度快,火电机组响应慢。模型中,火力发电机组是由调速器 Gt和原动机 Gg组成;电池储能系统是由储能电池 Gb和储能控制器组成,模型中主要部分的传递函数为:tg11GW s (2)HPRHgCHRH1(1)(1)F WsGWsWs (3)b
17、b11GW s (4)式中:WCH、FHP、WRH分别为原动机的时间常数、再热器增益和再热器时间常数;Wg、Wb分别为调速器和储能时间常数。2 储能火电互补调频策略 2.1 互补调频策略 储能系统具有响应速度快、控制精度高的特点。所以,在频率快速变化阶段,利用储能系统可及时调节电网频率。对于频率相对稳定的阶段,火电机组足够大的调频容量可长时间维持电网频率稳定。因此,适当分配出力比例可更好地调节 第 7 期 王东风,等:计及高新能源渗透率的储能火电互补系统调频策略研究 45 电网频率。在调频开始阶段,频率快速变化,需要增大储能出力以快速响应频率偏差变化。此时,需较大的储能出力分配系数k1。为减小
18、调节过程中的最大频率偏差,需要增加火电机组出力比例来实现。因此,调频过程中火电机组出力系数k2应逐渐增大。当频率偏差达到最大值后,电网频率需要恢复到稳定值。此时,通过增大储能出力比例使频率偏差快速恢复,直至稳定。同时,对于频率变化阶段,应调节分配系数使储能及时参与调频。在频率恢复阶段,应保证SOC恢复。因此,储能和火电机组的出力分配系数k1、k2在频率变化过程中的关系表示为:1gdbg2g1,fkfffffkf (5)k1、k2在频率恢复过程中关系表示为:111setg121e e,e1en fn fn fn fkfffk (6)式中:fdb为储能动作死区限制;fg电网允许最大频率偏差;fse
19、t为电网稳态频率偏差。分配系数k1、k2关系如图4所示。(a)频率变化过程 (b)频率恢复过程 图 4 频率分配系数曲线 Fig.4 Coefficient curve based on frequency deviation 由图4可以看出,n的取值过小,策略自适应度太弱;取值过大,系数变化太快。因此,n取20。此时,频率约束系数和频率偏差特性更为符合电网稳态工况。2.2 考虑比重系数的储能出力控制策略 当电网频率偏差超过储能调频死区时,通过分析频率变化特性得到自适应调整储能出力的比重系数1、2,再据其动态分配虚拟惯性、虚拟下垂控制的出力比例,从而得到不同阶段下储能的合适出力深度。虚拟惯性控
20、制更适用于电网频率变化较快的工况。而在频率偏差较大时,下垂控制对频率调节效果更优。因此,在频率急剧变化时,提高虚拟惯性控制比例;在频率偏差较大时,提高下垂控制比例。将比重系数定义为随频率变化的函数:整个调节过程中恒有1+2=1。以负扰动为例。当系统扰动突然增加时(f0),调频过程如图5所示。将频率变化过程划分为频率恶化阶段(fmaxftmax)。图 5 调频过程图 Fig.5 Frequency regulation process 图中:|fmax|和|fs|分别为最大频率偏差和稳态频率偏差值;tmax、ts分别为最大频率偏移时刻和频率偏差稳定时刻。调频过程1、2与f的关系如图6所示。1)频
21、率恶化阶段。电网受到扰动时,频率偏差变化率|df|突然增大。随着频率偏差|f|逐渐增大,频率偏差变化率|df|随之减小;当|f|达到最大值时,|df|减小为0。因此,1先以较大值出现再减小,2先以较小值出现再增加。此时,频率控制方式以惯性控制为主,下垂控制为辅。1、2与|f|的关系如图6(a)所示。46 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 2023 年 (a)恶化阶段 (b)恢复阶段 图 6 调频过程中比重系数 1、2与 f 的关系曲线 Fig.6 The relationship curve between 1、2 and f in a frequency modulation pro
22、cess 2)频率偏差最大点。|f|达到最大值、df为0。因此,1取值为0。此时只需使用虚拟下垂控制来抑制最大频率偏差,让|fmax|迅速减小。3)频率恢复阶段。|f|逐渐减小,|df|先增大后减小。此阶段以抑制f为主。因此,1以较小的值出现再逐渐增大,2以较大的值出现后逐渐减小。这样可以充分发挥虚拟下垂控制和惯性控制的作用,加快频率恢复。1、2与|f|的关系如图6(b)所示。结合上述分析,可建立比重系数和|f|的关系。1)f0且未到达最大频率偏差为频率恶化阶段:有0211。1随|f|的增大而减小,2随|f|的增大而增大,直到两个系数相等。控制方式以虚拟负惯性为主。表达式为:111112e11
23、1ee1 1enfnfnfnf (7)2)ftmax为频率恢复阶段:有0 10.520且未到达最大频率偏差,为频率恶化阶段:有020.510且ttmax为频率恢复阶段:有0 10.521,1随|f|的增大而增大,2随的|f|增大而减小,控制方式以虚拟下垂为主。表达式为:2212e 1enfnf (10)5)df=0为频率偏差最大点,只需采用单一下垂控制。其表达式为:1201 (11)通过设置数值不同的n1和n2,分别得到频率恶化阶段和频率恢复阶段的变化曲线,如图6(a)和图6(b)所示。可以看出1、2的灵敏度与参数n1、n2的大小有关,进而会影响调频效果。因此,公式(7)(11)中的参数n1、
24、n2分别取值为80和40。2.3 储能出力 2.3.1 恶化阶段 确定虚拟惯性和虚拟下垂控制的比重系数后,进而可确定储能在频率恶化阶段的出力为:+bess1bess2bessdPMfKf (12)式中:Pbess为储能输出功率;Kbess为自适应下垂控制系数;M+bess为虚拟正惯性系数。2.3.2 最大频率偏差点 在该点,电网的频率偏差f达到最大值,电网的频率偏差变化率df为0。因此,比重系数1和2的取值分别为0和1,可以得到储能的出力功率为:bess2bessPKf (13)2.3.3 恢复阶段 在此阶段,频率偏差变化率的极性发生改变。此时的储能出力策略是利用虚拟负惯性控制来促进频率恢复,
25、可以得到储能出力功率为:bess1bess2bessdPMfKf (14)第 7 期 王东风,等:计及高新能源渗透率的储能火电互补系统调频策略研究 47 式中:bessM为虚拟负惯性系数。虚拟负惯性系数的表达式15为:bess01bessMM M M (15)式中:Mbess为初始虚拟惯性控制调节系数。自适应下垂控制系数Kbess的表达式16为:cbessd,0,0kfKkf (16)此外,关于SOC和最大频率偏差fmax的调节因子M0、M1可分别表示为:2maxOCOCminmaxOCOC02minOCOCmaxminOCOC1,01,0SSfSSMSSfSS (17)maxdb1max0d
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- 新能源 渗透 火电 互补 系统 调频 策略 研究
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