适应大规模新能源消纳的网源协调系统控制优化研究.pdf

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 Frequency 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 of 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 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 time,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 frequency 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 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 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 system（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。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，具有两种控制方式，即通过改变Pg从而调节风机转速棕t（称为转速控制）、改变茁（称为桨距角控制）。通过设计风机转速控制与桨距角控制的协调策略，用于在减小调节桨距角的前提下，在整个运行风速区间内实现风机的减载运行，并在电网低频事件时释放减载功率，提供持续可靠的频率支撑9。通过以上控制方式，实现了风机在减小调节桨距角的前提下，在整个运行风速内的减载运行。2.1.2风电场多风机协调优化为使风电场中多台风机协调地参与电网 FFR，电网将参与 FFR 所需要的总有功指令发送至风电场，接着风电场通过自身内部风机与风电场控制中心之间的信息交互，协调地分配这个总有功指令至风电场中每台风机中，风电场中每台风机按照风电场分配的有功功率指令向电网输出有功功率10。通过上述风电场与电网之间的互动，以及风电场内部风机之间的互动，可实现风电场中多台风机协调地参与电网 FFR，最终增强电力系统的频率稳定性。2.1.3光伏增压控制光伏电站处于 MPPT（MaximumPowerPointTracking，最大功率点追踪）工作模式时，因不存在备用功率，无法参与电网的实时调频。通过增大光伏阵列的实际工作电压，使它高于 MPPT 模式下的工作电压，光伏发电系统留有一定比例的备用功率，从而具备实时参与电网调频的能力。在增压控制模式下，所有光伏发电单元将降低相同的出力，但由于每个发电单元的备用容量都不相同，备用容量较小的发电单元的调频能力较差，为了解决各光伏发电单元调频能力的不均匀分布问题，可通过增加基准电压参数来调节各光伏发电单元参与调频的备用功率11。图 1 为光伏发电系统减载运行预留备用功率图。2.1.4光储联合调频光伏电站具备调频能力，往往不是在 MPPT 模式下工作，只能以放弃最大功率跟踪为代价，在增加光伏发电成本的同时，由于光伏出力的随机性和波动性使462023 年 8 月2023 年第 8 期调频资源类型 调节性能经济性控制模式控制策略需解决的主要问题风电、光伏发电等新能源调节容量大、调节性能随工况变化调节成本相对较低，但能量市场收益受损控制中心发送指令至场站，场站控制器分配指令至单个机组适应调节能力的不确定性需求侧资源工业负荷调节容量大、调节速率与负荷类型相关调节成本与负荷特性相关控制中心可直接发送指令至工业负荷满足用户负荷需求商业、居民负荷调节性能取决于负荷类型和控制模式调节成本一般，涉及多利益主体控制中心发送指令至负荷集成商，集成商分配指令至各个负荷储能系统指令跟踪能力强、单向调节持续时间受容量限制调节成本相对较低，对火电机组替代效益明显控制中心直接发送指令至储能系统或储能系统与传统火电机组联合运行保证储能系统的利用率表 1不同调频资源的优劣对比表得调频质量无法保证，储能系统具有的响应速度快、控制精度高的特性可有效抑制光伏发电出力的波动，同时能与光伏电站联合运行，使得光伏电站既能以最大功率输出，又能提高光伏电站的频率调节能力。P光伏电站发电功率；PMPPT光伏电站的峰值发电功率；P减载光伏电站减去一定负载后的发电功率；P备用光伏电站的备用发电功率；U光伏电站的工作电压；UMPPT光伏电站最大功率下的最大发电电压；U减载光伏电站减去一定负载后的工作电压。图 1光伏发电系统减载运行预留备用功率图2.2需求侧资源参与调频辅助服务需求侧资源指具有能量存储特性，在满足用户用电需求的前提下可进行灵活控制的负荷，其广泛分布在工业用户、商业用户和居民用户中，随着电网对需求侧资源的管理和控制能力不断提高，需求侧资源参与电网调控、平衡电力系统供给侧可作为电网提高新能源消纳能力的一种有效方法得到了广泛关注12。需求侧资源参与电网调频的控制策略可分为总控制指令的生成和不同需求侧资源间控制指令的分配下发，功率较大的工业负荷可直接接受调度机构下发的调节指令，蓄冷/蓄热负荷、电动汽车等功率不大的需求侧资源则在接受调度机构下发的总调节指令后在多个需求侧资源间分配调控指令。2.3储能系统参与调频辅助服务飞轮、压缩空气等储能资源具有爬坡力强、响应速度快等特点，同时还可以起到双向调节的作用，参与电网调频时可快速响应调频指令，实时跟随新能源出力的变化，使得储能系统在参与调频中具有较大的性能优势，近些年来得到了紧密关注13。但在许多实际电网中，储能系统无法作为独立调频资源直接参与电网调频，通过将传统火电与储能系统联合运行，提高“火-储”联合的调频性能，增加机组的调频服务收益。2.4对比分析不同调频资源的优劣对比如表 1 所示。针对大规模新能源接入电力系统后，导致电网对调频有了更深的需求，光伏发电、风电等可再生能源，工业负荷等需求侧资源，储能系统等调频资源都可在一定程度上提高电力系统的调频能力。其中，储能系统的指令跟踪能力最强、精度最高，光伏发电等新能源的调节成本相对较低，需求侧资源更易满足负荷侧用户的需求。3结束语大规模风电、光伏发电等可再生能源并网导致电力系统发电侧和负荷侧在时间和空间上不匹配，引起电力系统的频率波动，影响了电力系统的安全稳定运行，大规模新能源、需求侧资源与储能系统参与调频是维持电网可持续发展、提高电网新能源发电比例、保证电网安全、实现能源结构转型的必然选择。由于新型电力系统信息化技术、通信技术等发展尚不成熟，目前各种调频技术仍然较少应用在电网中，未来对于相关技术的研究仍需进一步加强。参考文献：1国家能源局.电力系统安全稳定导则：GB 387552019 S/OL.（2019-12-31）2023-01-17.http：/ P.电力系统稳定与控制 M.周孝信，宋永华，李兴源，等译.北京：中国电力出版社，2002.3新华社.2020年全国可再生能源发电量同比增长约 8.4%EB/OL.（2021-01-30）2023-01-17.http：/ 200 页）472023 年第 8 期2023 年 8 月4梁恺，彭晓涛，秦世耀，等.基于协同控制优化风储系统频率响应的策略研究 J.中国电机工程学报，2021，41(8)：2628-2641.5CONTO J.Grid challenges on high penetration levels of wind powerC/IEEE Power and Energy Society General Meeting.San Diego：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2012.6 SHARMA A，HUANG S H，SARMA N.System inertial frequencyresponse estimation and impact of renewable resources in ERCOTinterconnection C/IEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeet-ing.Detroit：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2011.7王管建，牟伟，范磊.一种新型网源协调在线监测系统 J.大电机技术，2020(1)：84-88.8ZHANG H C，HU Z C，XU Z W，et al.Evaluation of achievable ve-hicle-to-grid capacity using aggregate PEV model J.IEEE tran-sactions on power systems，2017，32(1)：784-794.9LIN Y S，BAROOAH P，MEYN S，et al.Experimental evaluation offrequency regulation from commercial building HVAC systems J.IEEE transactions on smart grid，2015，6(2)：776-783.10赵蓓.大型光伏电站并网频率控制策略研究 D.北京：华北电力大学，2015.11撖奥洋，何俊峰，张冰，等.大容量电池储能电站在山东电网应用的可行性分析 J.山东电力技术，2019，46(5)：30-34.12彭春华，余愿，孙惠娟.基于源网荷协同优化的配电网光储联合系统规划 J.电网技术，2019，43(11)：3944-3951.13张博，唐巍，蔡永翔，等.面向高比例户用光伏消纳的储能系统与通信网络协同规划 J.电网技术，2018，42(10)：3161-3169.（编辑：刘晓芳）帮压力增大的问题。3金属梁；3-1木板。图 4棚式支护示意图2.4采用护帮装置对于一些片帮比较严重的区域，已经难以通过支护的方式控制片帮，需要采用相应的护帮装置。一种简单且成本较低的护帮装置是金属网。可以在两帮上挂设金属网防治片帮，如图 5 所示。采用金属网有两方面好处，一方面是可以通过金属网的变形抵消煤体的变形，控制煤体片帮；另一方面是可以通过金属网将片帮下的煤块固定于两帮上。图 5护帮金属网金属网不但便于安装，而且便于在煤矿井下运输。对于一些存在较大片帮可能性的区域，在两帮永久支护完成后，立即安装金属网。而对于局部出现片帮迹象的区域，可根据具体情况确定金属网的安装范围。此外，也可以采用特制的木板配上特定的金属架安装于两帮上，以达到防治片帮的效果。应在尽量控制片帮的同时，将成本控制到一个较低的水平。3结束语煤巷掘进过程中，应力区煤壁片帮是一种常见的现象。对片帮进行有效防治，对于煤巷的正常和安全使用十分关键。煤巷片帮的主要原因有支护强度低、煤体破碎、煤体硬度高和地应力异常等，应该从加强巷道支护、煤层注水、做好临时支护和采用护帮装置几方面进行防治。研究可为掘进巷道片帮治理提供一定的参考。参考文献：1赵晓锋，张健.极软煤层工作面片帮机理及防治技术研究 J.能源技术与管理，2022，47(4)：5-7.2朱锦文.掘进巷道煤壁片帮机理及控制技术 J.机械管理开发，2021，36(12)：104-105.3张宏钢.综采工作面煤壁片帮防治技术研究 J.煤，2021，30(10)：78-79.4张斌.掘进巷道应力区煤壁片帮治理分析 J.能源与节能，2021(8)：223-224.5白帆.煤矿掘进巷道应力区煤壁片帮治理技术研究 J.山西化工，2021，41(2)：132-133.6张楠.掘进巷道应力区煤壁片帮治理技术 J.山东煤炭科技，2021，39(1)：75-76.7杨雷.松软煤层综采工作面煤壁片帮防治研究 J.能源与节能，2020(9)：89-91.8王志浩.三软煤层煤壁片帮原因分析及防治技术探析 J.科技风，2019(24)：117.9周仁斌.综采工作面煤壁片帮治理技术研究 J.技术与市场，2016，23(12)：81-82.（编辑：高志凤）33-1（上接第 47 页）200