传统火电-风电-广域储能联合调频的协调控制研究
刘奇琦 许晓峰
摘 要：大规模新能源接入对电力系统频率质量与稳定提出了挑战，为保证新能源高渗透下电网的安全稳定运行，电力系统运营商对风电场与储能系统提供频率调节服务提出技术要求。本课题从对电力系统频率质量和稳定性影响调频，针对风电高渗透下电网的频率调节需求，火电机组、风电及储能系统的频率调节特性，提出了传统火电-风电-广域储能调频中的协调控制方法。
关键词：广域储能系统;调频;风电场;调频特性
0 引言
为应对环境污染和能源危机，世界各国采取了调整能源结构，提高能源利用率、发展可再生能源等措施。风力发电作为可再生能源中技术最成熟、可靠性最高、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，越来越受到世界各国的重视并得到广泛的开发和利用。风力发电在我国也得到快速发展，据全球风能理事会2017年度市场报告，2017年中国风电上网电量3057亿kW·h，占全部发电量的4.8%。根据国家能源局组织制定的《可再生能源发展“十三五”规划》中的风电发展规划，风电2020年并网装机容量将达到2亿kW。
针对大规模风电接入的电力系统调频问题，传统调频机组由于比例的逐步下降以及调频性能的局限和不足，难以应对未来电力系统调频需要。储能作为参与电力系统运行与控制的新元素，因其准确、快速的功率响应能力，被认为是辅助提高电网风电接纳规模的有效手段。一方面可以通过风储联合运行，辅助风电场提供一次调频、二次调频等辅助服务，另一方面也可以在关键节点配置独立的储能电站也能够为系统提供全方面的频率支撑。
对广域储能系统级别的优化运行与控制研究，目前还比较少，并面临一系列难点。如应用风电、储能与传统电源共同联合参与电网一、二次调频时，多类电源联合系统将出现新的亟待解决的问题，即调频指令在三类调频电源间如何进行合理分配才能发挥各类调频电源的优势，多类电池源联合系统如何优化控制才能达到资源的有效利用，实现经济效益最大化等。
1 风电调频的分析以及储能在电网调频的应用
新能源发电由不可控的自然风力、太阳能或潮汐等驱动，机组的输出功率随气候因素频繁波动，大规模接入电网后，将成为引发电力系统频率波动的新因素。大规模风电并网已对传统电网提出了嚴峻的挑战，为维持电网的安全稳定运行，需要电网能提供更多的调频支持。
由于传统调频机组出力不够精确，传统调频电厂不灵敏区的存在，频率波动加剧的可能性增大，大规模风电的接入会导致频率波动更加频繁，而且也导致了传统调频电厂的频繁动作，严重影响机组寿命。因此，储能系统参与电网的一、二次调频，将减少传统调频电厂的频繁动作，其精确出力、无差调节，也可很大程度的减轻频率的波动辐度，提高电网的电能质量。
储能系统对频率的一次调节是利用其电池能量的双向流动性，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。
2 传统火电-风电-广域储能联合一次调频的协调控制研究
BODE图是进行系统频率响应分析有效方法，BODE图可描绘在不同频率下系统增益的大小和相位及其随频率变化的趋势。下面将针对不同工况下系统的频域特性，基于 MATLAB 仿真平台绘制系统中各调频源对于风电功率波动响应BODE图，研究不同频段的电磁功率变化对电网频率影响的相关性。
2.1 各调频源不参与一次调频
在火电机组、风电机组和储能装置均不参与一次调频的情况下，系统BODE图如图2。
2.2 仅风电机组参与一次调频
接下来讨论仅风电机组参与一次调频，通过MATALAB建模输入数据，可以得到结论如图3所示。
由图3可看出，当功率波动特性为高频波动时，即波动频率在1Hz及以上时，传递函数的幅值相对与高频段和中频段来说相对较小。这表明风电机组对系统中的高频波动可以起到一定的抑制作用。对比图3可以看出，风电机组对高频波动的抑制作用不如系统本身对高频波动的抑制作用强，应充分利用系统本身的惯性来抑制高频的功率扰动。
2.3 仅火电机组参与一次调频
同理讨论仅火电机组参与一次调频，通过MATALAB建模输入数据，可以得到结论如图4所示。
当功率波动为低频波动时，即波动频率在0-0.01Hz时，传递函数幅值很小;当功率波动为高频波动时，即波动频率在 1Hz 及以上时，传递函数的幅值接近于0;当功率波动为中频波动时，即波动频率在0.01-1Hz之间时，传递函数的幅值较大。这表明火电机组对系统中的高频波动和低频波动都可以起到较好的抑制作用，对中频段的功率波动并不能起到很好的抑制作用。
2.4 风电机组、火电机组、储能装置都参与一次调频
当风电，火电以及储能装置同时参与调频时，通过MATLAB计算可以得出BODE图如图5。
从图5中的结果可以看出，此时系统对高频、低频、中频三个频段的功率波动引起的频率偏差均起到良好的抑制作用。
3 结语
本报告基于传统电源、风电机组和储能的功率-频率特性，以及电网的惯性响应、一次调频，探索了广域储能系统在调频应用中的参与时机与深度、及其与传统电源、风电机组间的协调联合运行控制，主要研究内容总结如下：
分析了风电机组和火电机组运行特性及其参与调频存在的问题;分析了储能电池的运行约束及其对调频效果的影响;分析了风电机组通过增加频率控制环节对电磁转矩和桨距角控制，可具备惯性响应和一次频率调节能力的可行性;基于某风电场的实测数据，分析了风电波动特性建立了风电机组、火电机组和储能系统的一次调频特性仿真模型;研究了基于调频源一次调频性能与调节效果的扰动量分配方法，储能系统的最佳动作频率点，提出了火电-风电-储能联合参与一次调频自适应协调运行算法。
参考文献：
[1]朱峰，李端超，汪德星.电力系统调频与自动发电控制[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2]杨水丽，李建林，李蓓.电池储能系统参与电网调频的优势分析[J].电网与清洁能源，2013，29（02）：42-46.
[3]陈大宇，张粒子，五澍等.储能在美国调频市场中的发展及启示[J].电力系统自动化，2013（01）：9-13.
[4]毛丹，诸粤珊.发电机组一次调频动作不理想的原因分析与改进[J].山东电力高等专科学校学报，2010，13（04）：18-20.
[5]李锋，陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响[J].中国电力， 2006，39（11）：80-84.
[6]吕清洁，王韶，刘庭磊.含分布式发电的配电网有功—无功综合优化[J].电力系统保护与控制，2012，40（10）：71-76.
[7]胡泽春，谢旭，张放等.含储能资源参与的自动发电控制策略研究[J].中国电机工程学报，2014，34（29）：5080-5087.
