适应大规模新能源消纳的网源协调系统控制优化研究.pdf
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1、2023 年 8 月2023 年第 8 期据统计,中国 2020 年全年可再生能源发电量达2 214.8 TW h,同比增长约 8.4%;可再生能源发电装机容量达到 9.34108kW,同比增长约 17.5%1。由于风能和光照的间歇性和不确定性,风电和光伏的有功出力具有较强的波动性,导致电网频率偏差,给电网调度带来新的挑战。由于风电和光伏发电以电力电子设备为口进行并网,不具备传统同步发电机的大惯性,当电力系统发生如机组跳闸、直流闭锁等大扰动时,系统的频率稳定将遭受巨大挑战,若电力系统快速调频能力不足,可能会引起低频减载设备的动作,降低电网的供电可靠性2。电网快速频率响应(Fast Freque
2、ncy Response,FFR)包括连续性 FFR 和事件性 FFR。连续性 FFR 是指在电网正常运行时,电源根据实时电网频率连续地调整有功功率使电网频率更接近于 50 Hz,提升电网的频率质量。事件性 FFR 包含低频事件 FFR 和高频事件 FFR 两种情况。低频事件 FFR 是指当电网发生低频事件(比如大型发电机脱网)时,通过电源增加有功功率,防止电网频率低于规定值而触发低频减载装置动作;高频事件 FFR 是指当电网发生高频事件(比如大负荷丢失)时,通过电源减小有功功率,防止电网频率超过规定值而触发高频切机装置动作3。收稿日期:2023-01-17第一作者简介:徐兴国袁 1985 年
3、生袁 男袁 广东汕头人袁 高级工程师袁 主要从事发电厂继电保护工作遥通信作者:吉朝阳袁 1995 年生袁 男袁 山西临汾人袁 硕士袁 工程师袁主要从事新能源消纳尧 多能互补研究遥适应大规模新能源消纳的网源协调系统控制优化研究徐兴国1袁 孙伟生1袁 冯庭有1袁 张家宽1袁 宗鑫祺1袁 吉朝阳2(1.华能(广东)能源开发有限公司海门电厂,广东 汕头 515132;2.湖南大唐先一科技有限公司,湖南 长沙 410000)摘要:光伏发电尧 风电等新能源出力的波动性和随机性会造成发电系统输出功率随机波动袁 加重电网频率的调节负担袁 同时大规模新能源接入电力系统袁 会替代部分常规机组袁 进一步削弱电网的调
4、频能力遥 首先阐述了大规模新能源并网后对电力系统频率响应的影响及电力系统对调频的需求袁 然后从光伏发电尧 风电等新能源袁 需求侧资源袁 储能系统等参与调频以提高电网调频能力方面进行了综述分析遥 结论表明袁 光伏发电尧 风电等新能源参与调频袁 需求侧资源与适当容量储能合理参与调频市场是提高电网调频能力的有效方法袁 随着调度技术的日益成熟尧 储能成本的降低袁 针对电网调频进行研究将具有更高的实际应用价值遥关键词:新能源消纳曰 网源协调曰 需求侧能源曰 储能系统中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号:2095-0802-(2023)08-0045-03Control Optimization o
5、f Grid Source Coordination System for Large-scale NewEnergy ConsumptionXU Xingguo1,SUN Weisheng1,FENG Tingyou1,ZHANG Jiakuan1,ZONG Xinqi1,JI Zhaoyang2(1.Haimen Power Plant,Huaneng(Guangdong)Energy Development Co.,Ltd.,Shantou 515132,Guangdong,China;2.Hunan Datang Xianyi Technology Co.,Ltd.,Changsha
6、410000,Hunan,China)Abstract:The fluctuation and randomness of the output of new energy such as photovoltaic power generation and wind powerwill cause random fluctuations in the output power of the power generation system,which will increase the burden of power gridfrequency regulation.At the same ti
7、me,large-scale new energy access to the power system will replace some conventional units,further weakening the frequency modulation capability of the power grid.Firstly,the impact of large-scale new energy gridconnection on the frequency response of power system and the demand of power system for f
8、requency modulation were described.Then,the frequency modulation capability of power grid was improved through the participation of new energy such asphotovoltaic power generation,wind power,demand side resources,energy storage system,etc.The conclusion shows that it is aneffective method to improve
9、 the frequency regulation capability of the power grid to participate in the frequency regulation marketwith new energy sources such as photovoltaic power generation and wind power,and reasonably participate in the frequencyregulation market with demand side resources and appropriate capacity energy
10、 storage.With the increasingly mature dispatchingtechnology and the reduction of energy storage cost,the research on the frequency regulation of the power grid will have higherpractical application value.Key words:new energy consumption;grid source coordination;demand side energy;energy storage syst
11、em(总第 215 期)能源产业452023 年第 8 期2023 年 8 月1大规模新能源接入后对网源协调的影响1.1降低频率响应可靠性通过对美国德州电网两次频率跌落的全过程曲线进行分析得到,新能源接入电网后带来的系统惯性下降是造成电网频率持续跌落的主要原因4。新能源发电对电网的频率支撑能力有限,不具有在所有工况下提供可靠频率响应的能力,即使在单次调频响应过程中,由于天气等因素导致的新能源出力变化特性也会增加电网频率控制的难度5。为降低新能源接入对频率响应性能的影响,可通过对新能源发电控制器增设频率控制或改进新能源频率控制器的架构和控制逻辑,以实现新能源出力对电网频率变化的响应6。1.2增大
12、系统调频需求随着新能源发电大规模接入电网,电力系统的转动惯量减少,降低系统维持频率质量的能力,新能源出力的随机性和波动性使得系统对调频资源的需求进一步增加。考虑新能源发电的接入,系统频率偏差的响应方程7为:J驻f+Z驻f=驻Pt-驻Pf-驻PL+驻Py,(1)式中:J为电力系统转动惯量,驻f为系统频率偏差量,Z为系统阻尼系数,驻Pt为调频资源功率调整量,驻Pf为负荷偏差量,驻PL为联络线功率调整量,驻Py为新能源发电出力预测偏差量。对于处在平衡状态的电网,波动性较强的新能源出力给电网带来了功率扰动。随着新能源渗透率的不断提高,电网对新的调频容量需求也将增长,根据式(1),新能源发电出力偏差量驻
13、Py的增大需要由容量更大、响应速率更快的调频资源提供偏差补偿,以消除有功功率不平衡。2网源协调控制优化2.1新能源参与调频辅助服务2.1.1风机转速与桨距角协调控制目前应用最广泛的变速电机包括双馈风机和永磁直驱电机,其功率模型如下:Pt=0.5籽ACP(姿,茁)自3棕,(2)姿=棕tR自棕,(3)式中:Pt为风机机械功率的数值,单位 W;籽为空气密度的数值,单位 kg/m3;A为风机叶轮扫风面积的数值,A=仔R2,单位 m2;CP为风机风能利用系数,由叶尖速比姿和桨距角茁决定;自棕为风速的数值,单位 m/s;棕t为风机转子转速或风机转速的数值,单位 rad/s;R为风机叶轮半径的数值,单位 m
14、。根据相关文献,CP(姿,茁)计算式为:CP(姿,茁)=0.22116姿+0.08茁-4.06茁3+1-0.4茁-5蓸蔀exp0.437 5茁3+1-12.5姿+0.08茁蓸蔀。(4)另棕t的动态模型为:棕觶t=1Jt(Tt-Tg)=1JtPt棕t-Pg棕t蓸蔀,(5)式中:Jt为风机的等效总转动惯量(包括风机风轮转子转动惯量Jtur和发电机转子转动惯量Jgen),Tt为风机机械转矩,Tg为风机有功转矩,Pg为风机输出的有功功率。通过双馈风机或永磁直驱电机中变流器的控制,Pg可快速跟上其参考值8,因此可认为Pg等于其参考值。本质上讲,风机的减载运行是通过减小式中的风能利用系数CP进行的,具有两
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