做座利用储能提升含风电并网电力系统稳定性的研

利用储能提升含风电并电力系统稳定性的研究

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，含有大规模风电并电力系统安全稳定性将会受到严重威胁。另一坚持过去几年的既定布局方面，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。大规模风电并和规模化储能利用将会成为未来电的主要特征之一。如何利用规模化储能技术有效改善风电系统的运行特性、提高事实上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“隔离”，使得其对电贡献的惯量几乎为零。随着风电渗透率不断提高，电的频率稳定性问题也随之凸显。因此各国风电并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，制定公道的保护与保养方案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的支撑，成为了一个相对独立的孤岛电。如果此时风电场根据并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。1是圆弧同步齿轮带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

3.3 风电场发生高频振荡现象的机理分析与阻尼控制

国内外风电事故表明：风电弱联系统容易在发生扰动时出现频率为几到几十赫兹的功率振荡现象。由于双馈风电机组与常规同步发电机组运行特性具有明显的差异，其振荡原因已经无法用传统同步发电机组小扰动振荡机理完全解释。考虑到双馈风电机组主要通过锁相环与电之间实现同步运行，锁相环动态特性将会严重影响风电机组与电之间的交互作用。本论文在建立计及锁相环动态特性的双馈风电机组分析模型的基础上，研究了风电机组在不同运行状态下并入不同强弱电后的特征值分布情况，发现锁相环振荡是导致双馈风电机组在弱电中发生小扰动失稳的主要原因之一。

针对锁相环振荡失稳这一问题，类似于同步发电机机电振荡模态复转矩分析，建立了风电机组锁相环回路的复转矩分析模型。分析了风电场接入点短路比以及锁相环参数对系统稳定性的影响规律。针对弱电情况下锁相环回路阻尼水平不够的问题，类似于常规同步发电机组电力系统稳定器，提出了一种基于相位补偿的储能阻尼控制器，可以有效抑制大规模风电经远距离长线路并入电时的高频功率振荡现象。

图 4 不同短路比情况下，PLL回路开环回路Bode图

图 5 风电机组PLL阻尼控制器

3.4 风电与常规机组间相互作用规律分析及阻尼控制

风电机组并如何影响常规同步机组运行特性这一问题备受广大研究者密切关注。本论文针对小扰动特性，在建立含有风电和常规同步发电机组的双机无穷大系统Heffron-Philips模型的基础上，分析发现风电机组锁相环通过3个耦合支路来影响常规同步机组电磁转矩，探究了其对常规同步机组电磁转矩的作用机理和影响规律，发现风电机组可能恶化常规机组之间的阻尼特性。针对该问题，本论文基于暂态能量衰减的原理，设计了用于改善常规机组间阻尼特性的储能控制器。在系统的各种运行工况下均能有效阻尼常规同步机组间的功率振荡，其作用效果明显且具有良好的适应性。

图 6 含有风电并的单机无穷大系统Heffron-Philips模型

图 8 基于能量函数的储能阻尼控制器

4、论文主要创新点

1）确定了用于风电场虚拟惯量补偿的储能容量需求，提出了一种用于风电场虚拟惯量补偿以及快速频率响应的储能调频策略，有效改善了含风电电力系统的频率特性。

2）发现了风电场根据并导则在低电压穿越期间向系统注入无功电流引起风电系统发生频率失稳并导致低电压穿越失败的形成机理，设计了基于储能的风电场稳定控制器，给出了储能装置选型以及容量配置的建议。

3）发现弱电情况下锁相环振荡是大规模风电经远距离交流线路外送发生功率振荡的形成机理，基于相位补偿原理，利用储能快速功率响应特性设计了弱电情况下风电场锁相环阻尼控制器。

4）揭示了双馈风电机组通过锁相环影响邻近同步发电机组电磁转矩的作用机理和规律。设计了一种基于暂态能量衰减的储能阻尼控制器，能够有效阻尼常规机组间的功率振荡。