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1、第 卷 第 期Vol. No. 年 月 日 , 1 基 于 储 能 需 求 最 小 的 风 电 场 短 时 功 率 波 动 平 抑 指 标 制 定 方 法摘 要 : 本文提出了一种基于储能需求最小的风电场短时功率波动平抑指标的制定方法。首先，基于实测风速数据，对风电功率短时波动对电力系统频率偏差的影响进行了仿真分析。然后基于已有的波动平抑控制算法对风电功率进行平抑，并仿真分析了不同时间尺度上的平抑控制和不同大小的平抑指标对系统频率控制的改善效果，以及对储能容量和功率的需求。基于以上系统层面的仿真分析，提出了一种在满足系统频率偏差指标前提下储能需求最小的风电场短时功率波动平抑指标制定方法，并考虑
2、了系统不同负荷时段内风电渗透率的不同，以及电源配置方式的不同。关 键 词 : 风电; 功率波动; 平抑指标; 储能; 需求评估0 引 言 近 年 来 ， 风 力 发 电 作 为 一 种 清 洁 的 可 再 生 能 源发 电 在 世 界 范 围 内 得 到 迅 速 的 发 展 。 然 而 ， 随 着 风电 渗 透 率 的 不 断 提 高 ， 其 短 时 功 率 波 动 对 电 力 系 统爬 坡 和 备 用 容 量 的 需 求 也 日 益 增 大 ， 并 将 影 响 系 统的 区 域 控 制 、 频 率 控 制 与 系 统 安 全 1。 因 此 ， 包 括我 国 在 内 的 一 些 国 家 的 电
3、 力 公 司 已 经 或 将 要 出 台 针对 并 网 风 电 场 短 时 功 率 波 动 的 限 制 指 标 2-5。德 国 E.ON 电 力 公 司 和 美 国 ERCOT 电 力 公 司提 出 每 1 分 钟 内 风 电 的 最 大 功 率 波 动 不 能 超 过 其 额定 功 率 的 10%。 而 爱 尔 兰 ESBNG 电 力 公 司 提 出 每1 分 钟 内 的 最 大 功 率 波 动 不 能 超 过 其 额 定 功 率 的8%。 日 本 东 北 电 力 公 司 提 出 每 1 分 钟 的 最 大 功 率 波动 不 超 过 风 电 场 额 定 功 率 的 2%。 我 国 依 据 风
4、 电 场 的容 量 大 小 提 出 不 同 的 功 率 波 动 限 制 指 标 ： 对 于 小 于容 量 为 30MW 的 风 电 场 ， 每 1 分 钟 的 最 大 功 率 波 动不 超 过 3MW； 对 于 30150MW 的 风 电 场 ， 每 1 分钟 的 最 大 功 率 波 动 不 超 过 额 定 容 量 的 10%； 对 于150MW 以 上 的 风 电 场 ， 每 1 分 钟 的 最 大 功 率 波 动 不超 过 15MW。随 着 电 池 储 能 、 超 级 电 容 储 能 、 超 导 磁 储 能 以及 飞 轮 储 能 等 新 型 储 能 技 术 在 近 年 来 的 快 速 发
5、展 ，使 用 储 能 系 统 （ Energy Storage System， ESS） 对 风电 功 率 波 动 进 行 平 抑 成 为 研 究 的 热 点 。 相 比 于 改 进风 力 发 电 机 控 制 的 功 率 平 抑 方 法 67， 储 能 系 统 调 节能 力 更 强 ， 控 制 更 加 灵 活 ， 且 不 需 要 牺 牲 风 能 捕 获效 率 ， 更 适 用 于 已 并 网 发 电 的 风 电 场 。 文 献 8采 用一 阶 滤 波 控 制 液 流 电 池 储 能 系 统 对 风 电 场 的 功 率 波。动 进 行 平 抑 ， 并 加 入 储 能 能 量 状 态 （ State
6、 of Charge， SOC） 反 馈 控 制 ， 有 效 地 将 储 能 系 统 的SOC 控 制 在 安 全 的 范 围 之 内 。 文 献 9采 用 卡 尔 曼 滤波 控 制 锂 电 池 储 能 系 统 对 风 电 波 动 进 行 平 抑 ， 并 在卡 尔 曼 滤 波 环 节 之 后 ， 加 入 两 个 基 于 复 杂 逻 辑 的 反馈 控 制 ， 依 据 储 能 系 统 的 充 放 电 功 率 和 能 量 状 态 对卡 尔 曼 滤 波 的 控 制 参 数 进 行 实 时 调 整 。 文 献 10采用 滑 动 平 均 滤 波 方 法 控 制 超 级 电 容 器 和 蓄 电 池 分 别对
7、 时 间 尺 度 较 短 和 较 长 的 风 电 功 率 进 行 平 抑 ， 并 依据 储 能 系 统 的 SOC 实 时 调 整 滑 动 平 均 算 法 的 窗 口 宽度 以 及 补 偿 系 数 ， 避 免 储 能 系 统 的 过 充 过 放 。上 述 研 究 的 重 点 均 放 在 波 动 平 抑 控 制 算 法 和 储能 的 能 量 管 理 方 面 ， 并 未 将 电 力 系 统 提 出 的 基 于 时间 尺 度 的 波 动 限 制 指 标 作 为 控 制 的 目 标 。 在 作 者 的前 期 工 作 11-15中 ， 分 别 采 用 了 基 于 变 时 间 常 数实 时 优 化 的 一
8、 阶 滤 波 控 制 、 模 型 预 测 滚 动 优 化 控 制以 及 实 时 小 波 滤 波 控 制 对 风 电 功 率 进 行 平 抑 ， 在 满足 两 个 时 间 尺 度 的 功 率 波 动 平 抑 指 标 的 同 时 ， 减 少了 储 能 容 量 的 使 用 。 但 是 ， 其 针 对 的 是 示 范 工 程 项目 提 出 的 特 定 的 功 率 波 动 平 抑 指 标 ， 例 如 每 1 分 钟最 大 功 率 波 动 不 得 超 过 风 电 额 定 功 率 的 2%， 每 30分 钟 不 得 超 过 7%， 并 未 对 该 指 标 制 定 的 合 理 性 ， 以及 指 标 的 完 成
9、 对 系 统 运 行 控 制 的 影 响 进 行 深 入 研 究和 分 析 。 而 在 实 际 电 力 系 统 中 ， 风 电 功 率 短 时 波 动对 系 统 频 率 的 影 响 与 该 系 统 的 电 源 配 置 、 控 制 方 式以 及 风 电 渗 透 率 有 密 切 的 关 系 。 即 使 对 于 特 定 的 系统 ， 在 不 同 的 负 荷 时 段 ， 风 电 的 渗 透 率 并 不 相 同 ，其 功 率 波 动 对 系 统 的 影 响 也 需 要 分 析 研 究 。本 文 将 从 电 力 系 统 频 率 仿 真 出 发 ， 分 析 风 电 功率 波 动 对 不 同 负 荷 时 段
10、系 统 频 率 控 制 的 影 响 ， 并 考 2 虑 不 同 的 电 源 配 置 方 式 。 然 后 ， 将 分 析 不 同 时 间 尺度 的 平 抑 控 制 和 不 同 大 小 的 平 抑 指 标 对 系 统 频 率 控制 的 改 善 效 果 ， 以 及 对 储 能 容 量 和 功 率 的 需 求 。 最后 ， 提 出 一 种 基 于 系 统 层 面 仿 真 分 析 的 储 能 需 求 最小 的 风 电 场 波 动 平 抑 指 标 的 制 定 方 法 。1 风 电 功 率 波 动 对 电 力 系 统 频 率 的 影 响 分 析如 引 言 中 所 述 ， 电 力 系 统 对 风 电 场 提
11、出 的 波 动限 制 指 标 基 本 都 是 由 时 间 尺 度 和 最 大 波 动 幅 值 组 成的 ， 这 样 的 设 定 与 系 统 的 运 行 控 制 时 段 相 配 合 ， 更易 于 实 时 平 抑 控 制 的 实 现 ， 也 更 有 利 于 平 抑 效 果 的量 化 分 析 。 然 而 ， 目 前 已 有 的 风 电 功 率 波 动 对 电 力系 统 频 率 的 影 响 研 究 大 多 将 风 电 功 率 波 动 转 换 为 频域 信 号 ， 重 点 在 于 分 析 不 同 频 段 的 波 动 对 频 率 偏 差的 影 响 16-18， 不 适 用 于 分 析 基 于 时 间 尺
12、度 的 波 动 平抑 的 实 现 对 系 统 频 率 控 制 的 影 响 ， 并 且 没 有 考 虑 实际 系 统 不 同 负 荷 时 段 的 电 源 配 置 与 控 制 方 式 的 不 同 。1.1 IEEE RTS 测 试 系 统本 文 的 仿 真 分 析 都 将 基 于 IEEE RTS 系 统 19，其 总 装 机 容 量 3405MW， 负 荷 峰 值2850MW（ 17:0019:00） ， 负 荷 谷 值1682MW（ 03:0005:00） ， 负 荷 均 值2365MW（ 21:0023:00） ， 其 发 电 数 据 如 表 1 中 所 示 。同 时 ， 本 文 考 虑 两
13、 种 机 组 并 网 优 先 序 列 20， 优 先 序列 1 按 照 爬 坡 速 率 从 大 到 小 排 序 ， 优 先 序 列 2 按 照机 组 类 型 的 经 济 性 排 序 。表 1 IEEE RTS 系 统 发 电 数 据 与 机 组 发 电 优 先 序 列Table 1 Generator Data and Loading Priority Order序号 机 组机 组 类型机 组 容 量（ MW）爬 坡 速 率（ MW/min）优 先序 列1优 先序 列21 U125 Oil 125 15 28-32 28-322 U204 Oil 204 34 20-23 18-213 U50
14、6 Hydro 506 506 1-6 22-274 U764 Coal 764 24 24-27 8-115 U1003 Oil 1003 73 9-11 15-176 U1554 Coal 1554 34 16-19 4-77 U1973 Oil 1973 33 13-15 12-148 U3501 Coal 3501 41 12 39 U4002 Nuclear 4002 202 7-8 1-2在 MATLABSimulink 中 建 立 整 个 系 统 的 动 态 仿真 模 型 ， 各 发 电 机 组 及 其 调 速 器 的 动 态 模 型 与 参 数参 考 于 文 献 2122。 本
15、 文 假 设 系 统 除 核 电 机 组 以 外的 所 有 并 网 机 组 都 参 与 一 次 调 频 和 二 次 调 频 （ AGC控 制 ） 。 机 组 一 次 调 频 下 垂 特 性 均 设 定 为。 系 统 AGC 控 制 框 图 如 图0(pu)GPKff1 所 示 ， 其 中 （ MW/Hz） 为 系 统 有 功 /频 率 偏 差 系数 ， 为 控 制 时 滞 ， 为 有 功 偏 差 滤 波 时 间 常 数 ，DTACET为 比 例 调 节 系 数 ， 为 有 功 调 节 量 。 按 照PRGPREGP并 网 机 组 的 爬 坡 速 率 比 例 进 行 分 配 。f1ACEsTKD
16、se图 1 AGC 控 制 框 图 23Fig. 1 Block diagram of AGC control1.2 基 于 实 测 风 速 的 风 电 场 功 率 波 动 分 析选 取 某 地 实 测 单 日 风 速 数 据 如 图 2 所 示 。 假 设该 地 区 建 有 含 200 台 GE 1.5MW DFIG24， 额 定 容 量为 300MW 的 风 电 场 。 200 台 DFIG 按 地 理 位 置 的 不同 等 分 为 10 组 ， 每 组 内 各 台 DFIG 风 速 相 同 ， 各 组风 机 之 间 风 速 依 次 相 差 3050 秒 不 等 。 将 风 速 数 据输 入 MATLABSimulink 中 仿 真 可 得 到 风 电 场 在 不同 负 荷 时 段 的 输 出 功 率 ， 如 图 3 中 所 示 。00:00 0
