水力机组与超级电容协同快速调频策略研究_叶荣.pdf

第39卷 第6期2023年6月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.6Jun.2023清洁能源Clean Energy基金项目：国家自然科学基金项目（52179090）；江西省重点研发计划项目（20214BBG74004）。Project Supported by National Natural Science Foundation of China（52179090）；theKeyR&DProgramofJiangxiProvince（20214BBG74004）.ABSTRACT：With the large-scale integration of new energy intothe power grid，the system regulation performance and stability ofthe power system have become increasingly prominent.In thispaper，this paper proposes a coordinated control method forsynchronous hydraulic units combined with super-capacitors，andthe rapid response of super-capacitors is used to improve the anti-regulation effect of hydraulic units during regulation，whichimproves the shortage of hydraulic units in the regulation of gridfrequency and power balance rapidity.First of all，through theresearch on the energy storage principle and working mode of thesuper capacitor，the paper builds the super capacitor energy storagedevice and its control model and the hydraulic unit regulationsystem model.Second，the coordinated control strategy for supercapacitors combined with hydraulic units is proposed，whichimproves the frequency regulation characteristics of the unit byadding the virtual inertial control and virtual droop control of thesuper capacitor.Finally，on the basis of Matlab/Simulink platform，the simulation experiment is carried out，and the super capacitoris configured according to the actual capacity and capacityconfiguration principle of the hydraulic unit，and the frequencyresponse characteristics of the unit under load disturbance in bothstand-alone and grid connected conditions with and without thesuper capacitor auxiliary frequency modulation are compared，which proves that the super capacitor can indeed assist thesynchronous hydraulic unit in frequency modulation，thus verifyingthe effectiveness of the proposed control strategy.KEY WORDS：hydraulic unit；super capacitor；frequencyregulation；control strategy摘要：随着新能源大规模并入电网，系统调节性能和稳定性问题日益突出。该文提出采用同步水力机组结合超级电容储能的协同控制方法，改善了水电机组在调节电网频率以及功率平衡快速性方面的不足。通过研究超级电容的储能原理、工作模式，建立超级电容储能装置和控制模型及水力机组调节系统模型；提出超级电容-水力机组协调控制策略，通过附加超级电容的虚拟惯性控制与虚拟下垂控制来改善机组的调频特性；以 Matlab/Simulink 平台为基础进行仿真实验，根据水力机组实际容量与容量配置原则来配置超级电容，对比有无超级电容辅助调频时，机组在单机、并网 2 种工况下受到负荷扰动时的频率响应特性，说明超级电容确实可以辅助同步水力机组调频，验证了所提控制策略的有效性。关键词：水力机组；超级电容；调频；控制策略随着新能源大规模并网，对于电网的快速调节以及电网稳定均提出了新的挑战。解决此问题，可以从新能源发电本身的调节能力和稳定性控制入手。例如，文献1提出风电机组的减载变速与变桨协调，以实现频率控制的方法，不同减载率对应不同的减载策略；文献2通过虚拟同步机为光伏发电系统提供虚拟惯性响应，进而为电网提供所需的频率支持；文献3提出可以在风电场中增加储能设置，通过储能设置快速弥补功率差值，同时通过实时反文章编号：1674-3814（2023）06-0124-05中图分类号：TM61文献标志码：A水力机组与超级电容协同快速调频策略研究叶荣1，林乐平2，刘倩3（1.江西赣能股份有限公司，江西 南昌330096；2.江西江投电力技术与试验研究有限公司，江西 南昌330096；3.上海电气风电集团股份有限公司，上海200233）Research on the Coordinated Fast Frequency Regulation Strategy ofHydraulic Units and SupercapacitorsYE Rong1，LIN Leping2，LIU Qian3（1.Jiangxi Ganneng Co.，Ltd.，Nanchang 330096，Jianqxi，China；2.Jiangxi Jiangtou Electric Power Technology and Test ResearchCo.，Ltd.，Nanchang 330096，Jiangxi，China；3.Shanghai Electric Wind Power Group Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）第39卷第6期电网与清洁能源清洁能源Clean Energy馈的频率信号来调整功率输出。但上述方法无法解决因新能源间歇性而导致的问题，亟需借助新的调频手段来弥补一次调频能力的缺量。常规水电机组的调节能力不能满足新型电网的建设需求，应对风光并网的响应能力不足。本文借鉴在异步发电机组集成储能装置加强频率调节能力的思路，将快速响应的储能设备应用到常规水电机组中，由储能在短期内响应系统的频率变化，以改善常规机组的调频特性。该策略可以在提升水力机组调频能力的同时不影响水力机组原本的控制，而且减少了同步水力机组的动作，可以节省维护成本。在水电系统中应用快速储能的实例并不多，相关最早的一项研究可以追溯到 2009 年，太平洋西北国家实验室（PNNL）提出的 1 个项目4指出，可以通过区域之间的能量交换或者使用储能装置，来提高电力系统的惯量支撑和频率响应能力。第一阶段，PNNL 提出一种控制算法5，以飞轮和水电站为总调节单元，在追踪控制区域内控制误差信号的同时，使飞轮实际 SOC（荷电状态）最接近目标值以及水电功率及最佳效率点功率误差的二次方最小，其仿真结果表明：加入飞轮可以提高水力机组的运行效率，而水力机组又可以平衡飞轮的充放电状态，以使其 SOC 在允许的范围内。第二阶段6的硬件在环仿真试验证明了该算法的有效性。文献7改进了上述算法，提出 SOC“带”控制：当飞轮的 SOC 在“带”内时，飞轮优先跟随控制误差信号，从而进一步降低水力发电机组对频率的调节；水力发电机组只在飞轮荷电状态出“带”时，才起到频率调节的作用。改进前的算法需要水电机组每 4 s 调节一次输出，改进后的算法则少于每 1 小时一次。文献8提出超级电容与可变速抽蓄机组协调运行的控制方案，并与其他 2 种常规控制方案进行对比，仿真结果表明，当系统负载增加或由于风速变化导致发电量减少时，所提出的协调控制方案可以延迟系统频率到达最低频率点的时间，使反应速度慢的其他频率调节单元能有效捕捉到系统频率变化，并做出相应动作。印度国立技术研究所 Silchar 的研究团队研究了包括火电、风电、太阳能光伏发电、抽水蓄能和超级电容器在内的系统最佳运行策略9，在某种程度上也考虑到了抽水蓄能与超级电容的协调。综上所述，诸如超级电容等新型快速储能与水电机组的协调及联合运行，可以改善电力系统的频率响应能力。本文提出一种超级电容结合水电机组的协同控制策略，实现了水电机组的快速调节。1超级电容模型本文中所使用的超级电容储能装置由双向DC-DC 转换器、电压型变换器和超级电容模组组成，其中超级电容模组可简化为等效电路模型。储能装置总体拓扑框图见图 1。图1储能装置总体拓扑框图Fig.1Overall topological block diagram of theenergy storage device超级电容储能装置的整体控制框图见图 2。其中：双向 DC-DC 转换器及其控制器用于控制切换超级电容的工作模式；电压型变换器用于维持超级电容工作时直流母线的电压稳定。图2超级电容储能装置控制框图Fig.2Control block diagram of the supercapacitorenergy storage device1）双向 DC-DC 转换器的充放电控制超级电容的充放电功率就等于超级电容的端电压Vsc 与电感电流iL的乘积，即PSC=VSCiL（1）若想得到一定的功率需求值PCMD，只要通过改变 PWM 脉冲波的占空比D就能改变电感电流的大小与方向。双向 DC-DC 转换器的具体控制方式见图 3。2）电压型变换器的稳压控制基于 PI 控制的电压型转换器，由电压跟踪外环和电流跟踪内环组成。其中：电压跟踪外环能够稳定高压直流侧电压；采用电流内环控制可以实现单125清洁能源Clean Energy位功率因数的正弦波电流控制。电压型变换器的具体控制方式见图 4。图 4 中：Vdc-ref为直流母线电压的设置值；Vdc为直流母线电压的实测值；iT-abc、VT-abc分别为 AC 端的电流和电压信号。图4电压型变换器控制示意图Fig.4Control of the voltage source converter2水电机组控制模型水轮机调节系统是一个复杂的闭环控制系统，其在并列运行工况下的控制框图见图 5。图 5并列运行工况下水轮机调节系统控制框图Fig.5Control block diagram of the hydraulic turbinegoverning system under parallel operating condition其中，伺服系统的传递函数为Gy(s)=1Tys+1（2）水轮机及引水系统采用刚性水击下的理想水轮机模型，其传递函数为Gt(s)=1-Tws1+0.5Tws（3）发电机的传递函数为Gg(s)=X(s)Mt(s)-Mg(s)=1Tas+en（4）3水电机组与超级电容储能控制策略超级电容储能装置与水电机组协调控制的系统控制框图见图 6。图6超级电容-水力机组协调控制系统框图Fig.6Block diagram of the supercapacitor-hydraulicunit coordinated control system由图 6 可知，该控制方案是由超级电容辅助水力机组进行调频的。作为可以快速响应的储能装置，超级电容主要作用于频率变化初期的有功需求值，而其在整个响应过程中不会持续太久，所以此处不需考虑有功功率的详细分配。基于虚拟惯性控制和虚拟下垂控制这 2 种控制策略，本文提出一种同时考虑了频率偏差值f和频率偏差变化率df/dt的控制策略，前者模拟下垂特性控制系统的误差量，后者模拟惯性响应以便提高系统的稳定速度。该控制方式下超级电容的出力为PSC-cmd=KDRf+KIRdfdt（5）式中：KDR、KIR分别为虚拟下垂和虚拟惯性的控制系数。本文控制方式下，超级电容的充放电控制策略框图见图 7。图7超级电容控制策略框图Fig.7Block diagram of the supercapacitor control strategy图 7 中，超级电容在单机带负荷工况下的死区为 0 Hz，而在并列运行工况下，其与水力机组的频率调节死区保持一致，为0.05 Hz。图3双向DC-DC转换器控制示意图Fig.3Control of the bidirectional DC-DC converter叶荣，等：水力机组与超级电容协同快速调频策略研究Vol.39No.6126第39卷第6期电网与清洁能源清洁能源Clean Energy4算例本文采用的调频水力机组的额定出力为PHP-R=140MW，所需要的超级电容模组的容量为W=5%14015=105（MJ）；使用型号为 MCP0055C0-0144R0SHB的超级电容模组10，其容量为 144 V55 F，采用 22 串8 并共 176 个电容模组可构成 140 MW 同步水力机组的辅助调频储能设备。分别在单机带负荷和并网 2种工况下，设定水轮机在 0.8 pu 的负载下工作，按照第 1 节和第 2 节所述，搭建超级电容及其控制系统、水力机组的仿真模型，设定超级电容的参数如下：CT=20F，URated=3168V，UInitial=2700V，R=2e-3，L=1e-2H。4.1单机带负荷仿真设定 8 s 时在负载端施加一个大小为 0.1 pu 的负荷扰动，分别进行 2 个模型的仿真实验，对有、无超级电容辅助的 2 个调频方案进行对比分析，所得频率响应、系统总出力的对比曲线分别见图 8、图 9。图8单机带负荷工况下有无超级电容辅助调频的频率响应对比曲线Fig.8Frequency response comparison curve of singlemachine with or without supercapacitor auxiliaryfrequency regulation图9单机带负荷工况下有无超级电容调频时系统总出力对比曲线Fig.9Total output comparison curve of single machinewith or without supercapacitor auxiliaryfrequency regulation由图 8 可知，有超级电容辅助调频时，频率响应时长为 2.007 s，且频率的最大偏差值、调节时间均优于水力机组单独调频时，具体的频率响应情况见表 1。由表 1 可知，超级电容辅助调频时的频率调节时间比水力机组单独调频时要快近 1 倍，且其对机组与系统的出力所造成的扰动更小，能够更快速地响应需求功率值。表12种调频方案下机组响应特性对比Table 1Comparison of the unit response characteristicsunder two FR schemes调频方案水力机组单独调频超级电容辅助调频频率响应时间tr/s3.5602.007最大频率偏差fmax/pu-0.031 58-0.010 60调节时间ts/s15.8409.462功率超调量/%16.9010.48功率反调量/%50.0045.594.2并网工况仿真系统在 10%负荷扰动下频率响应和功率响应的对比曲线分别见图 10、图 11。图1010%负荷扰动下2种方案系统频率对比曲线Fig.10System frequency comparison of two schemesunder 10%load disturbance图1110%负荷扰动下2种方案系统出力之和对比曲线Fig.11Comparison of system output sum of twoschemes under 10%load disturbance2 种方案下的系统响应特性对比见表 2。由表2 可知，从频率响应时间、频率最大偏差值、调节时间、功率的超调与反调等方面看，附加了超级电容的系统响应特性均优于无附加超级电容的系统。表210%负荷扰动下2种调频方案系统响应特性对比Table 2Comparison of system response characteristics oftwo frequency regulation schemes under10%load disturbance调频方案并列运行机组调频超级电容辅助调频频率响应时间tr/s3.9402.247最大频率偏差fmax/pu-0.034 68-0.017 46调节时间tp/s26.9412.89功率超调量/%208.4功率反调量/%66.0855.23127清洁能源Clean Energy5结语本文利用超级电容的快速响应特性，提出了水电机组-超级电容的协调控制策略，并在超级电容-同步水力机组这一模型的基础上，进行了单机带负荷仿真实验与并列运行仿真实验，通过对比不附加超级电容与超级电容辅助调频这 2 种方案在同样负载扰动下的频率响应特性，验证了超级电容参与辅助调频的能力，说明所提控制方案的正确及有效性。本文据此提出的超级电容辅助调频控制策略可以满足系统的调频需求：超级电容辅助水力机组调频，可以改善系统的调频性能。该辅助调频方案的实现过程不会影响原本同步机组的结构及其控制，特别适合已经投产的同步水力机组的现场改造，为电力系统中承担主要调频任务且占比较大的同步水力机组的改造，提供了新的解决思路。参考文献1胡家欣，胥国毅，毕天姝，等.减载风电机组变速变桨协调频率控制方法J.电网技术，2019，43（10）:3656-3663.HU Jiaxin，XU Guoyi，BI Tianshu，et al.A strategy offrequency 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Edition），2020，47（6）:42-51.收稿日期：2022-10-12。作者简介：叶荣（1974），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力能源政策、清洁高效发电技术应用碳中和实验等；林乐平（1983），男，本科，工程师，研究方向为电力技术开发与应用、综合智慧能源、清洁高效发电技术应用、碳中和实验等；刘倩（1996），女，硕士研究生，工程师，研究方向为清洁能源厂级控制系统等。（编辑卢秀）叶荣，等：水力机组与超级电容协同快速调频策略研究Vol.39No.6128