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聚焦|利用储能提升含风电并网电力系统稳定性的研究

北极星风力发电网  来源:中国电机工程学报  作者:刘巨  2017/5/4 17:03:59  我要投稿  

北极星风力发电网讯:1、论文背景

风力发电因其具有资源分布广泛、存储容量大、环境友好、开发技术成熟等特点,已经成为全球最受欢迎的可再生能源之一,是各国未来能源战略中的重要组成部分。大规模发展风力发电已经成为了全球能源开发中的一种主流趋势。然而与广大研究者所熟知的常规同步发电机组运行特性不同,风力发电具有强随机、弱可控以及弱抗扰特性。大规模风电并网将会使得电力系统的运行特性发生实质性变化,含有大规模风电并网电力系统安全稳定性将会受到严重威胁。另一方面,材料、化学等学科的长足发展促进了规模化储能技术的明显进步。中、美等国已经建立了大量的储能-新能源联合运行示范基地。大规模风电并网和规模化储能利用将会成为未来电网的主要特征之一。如何利用规模化储能技术有效改善风电系统的运行特性、提高含风电电力系统的安全稳定性,将会是未来储能广泛应用及大规模风电并网消纳进程中的一个重要课题,也是一个亟需研究解决的问题。

2、论文所解决的问题及意义

论文主要解决如何利用储能技术来提升含风电并网电力系统的安全稳定性。从含风电电力系统频率稳定、低电压穿越、功角稳定三个方面阐述了含风电电力系统存在的安全稳定问题,根据储能技术的现有应用情况,提出了利用储能技术提高含风电电力系统安全稳定性的解决思路。选取了含风电电力系统虚拟惯量补偿和快速频率响应、故障情况下的低电压穿越以及系统阻尼特性分析和控制这三个研究小点,分析了大规模风电并网后系统稳定性减弱的机理,设计了用于系统稳定性提升的储能控制器,有效地改善了含风电电力系统的稳定特性,有利于大规模风电的并网和消纳。

3、论文重点内容

3.1 风电场虚拟惯量补偿与快速频率响应研究

变速恒频风电机组转子动能被变频器与电网“隔离”,使得其对电网贡献的惯量几乎为零。随着风电渗透率不断提高,电网的频率稳定性问题也随之凸显。因此各国风电并网导则均明确要求风电场需具有参与系统频率调整的能力。由于风电场内部机组数量庞大,机组间运行工况不一致,风电场层面的控制仍然具有很大的难度。基于此,本论文提出利用储能补偿风电场虚拟惯量的解决思路。

首先,本论文在定义风电-储能联合运行系统虚拟惯量的基础上,分析得到了使得风电场具有和等容量同步发电机类似惯量响应能力所需最小储能容量为风电场额定装机容量的5%。进一步的,基于模糊逻辑推理原理设计了风电储能控制器,有效减小了储能在进行频率响应过程中的最大输出功率,使得风电场需要配备的储能容量达到了上述分析的最小储能容量。最后在我国某西北电网等值系统上进行仿真验证,发现所提出的控制策略能够有效补偿风电场虚拟惯量、协调风电-储能系统和常规电网之间的能量交换,使得风电场迅速响应系统的频率变化,利于含大规模风电并网电力系统的频率稳定。

图 1 负荷突增时系统频率响应情况

图 2 负荷突降时系统频率响应情况

3.2 风电场低电压穿越期间稳定特性分析和致稳措施研究

如图3所示,当电网发生三相金属性短路故障后,短路点的电压为零,风电系统与外部电源之间的耦合作用为零,二者会成为了两个完全独立的系统。外部电网由于常规同步发电机的支撑作用,其运行频率维持在50Hz。而风电场失去了外部电网的支撑,成为了一个相对独立的孤岛电网。如果此时风电场根据并网导则在低电压穿越期间必须向系统注入无功电流,可能会引起风电系统发生频率失稳现象,进而导致风电场低电压穿越失败。

针对该现象,本论文从线路传输电流受限特性出发,分析了其产生的原因以及对风电场低电压穿越特性的影响规律。进一步地建立了风电场低电压穿越情况下系统的状态空间模型,计算得到了该运行状态下的系统特征值分布规律,有效揭示了系统频率失稳的形成机理。随后,设计了用来改善系统特征值分布规律的储能控制器,给出了储能装置选型以及容量配置的相关建议。研究结果表明储能装置改善了风电场故障期间注入电流特性,能够有效稳定风电场出口母线处的频率,增强了风电机组在故障工况下的抗扰性,进而维持了含风电电力系统低电压穿越期间的频率稳定。

图 3 风电场故障后系统分析示意图

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