风电机组及场站惯量响应与一次调频调压关键技术与核心装备

华北电力大学 分布式储能与微网河北省重点实验室 风电机组及场站惯量响应与一次 调频调压关键技术与核心装备 颜湘武 新能源电力系统分析与稳定控制团队 2022年11月1日 团队介绍-新能源电力系统分析与稳定控制研究团队 “新能源电力系统分析与稳定控制研究团队”是华北电力大学“河北省分布式储能与微网重点实验室”主要研究团队。现有教授1人，副教授2人，讲师3人，在读博士生研究生6人，在读博士留学生2人，在读硕士研究生60余人 交流直流输电国际会证 颜湘武 董清 张波 张建坡 贾焦心 崔森 博士、教授 博士、副教授 博士、副教授 博士、讲师 博士、讲师 博士 博士生导师硕士生导师硕士生导师硕士生导师硕士生导师 团队先后承担承担：国家“863计划”项目2项、国家科技支撑计划项目1项、国家 自然科学基金2项、北京市自然科学基金1项、河北省自然科学基金6项、河北省科技支撑计划项目2项、国网总部科技项目1项、雄安新区重天专项项目1项 获河北省科技进步奖2项，中国电力科技进步奖2项，江苏省科技进步奖1项， 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队2/45 团队介绍-团队负责人 1997年毕业于哈尔滨工业大学电力系统及其自动化专业 获工学博士学位。2007-2008年美国威斯康辛麦迪逊大学访问 颜湘武学者。河北省分布式储能与微网重点实验室副主任，河北电机 工程学会理事，中国电源学会元器件专委会委员， 主持国家863计划、国家自然科学基金、河北自然科学基金等国家及省部级纵向项目20余项；获得中国电力科学技术奖等奖1项和三等奖1项、江苏省科技进步奖二等奖1项、河北 省科学技术三等奖2项：SCI、EI收录150余篇：授权国家发明 专利40余项。 博士、教授 长期从事新能源电力系统稳定与自治控制、分布式发电并 博士生导师 网与系统特性分析、风电/光伏发电惯量支撑和一次调节控制、 电动汽车高效&安全充电、新型储能与节能等领域研究 联系电话：13903365326 E-mail:xiangwuy@163.com 获要证书票证书 河北省科学技术委河北省科学技术奖 证书证书 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队3/45 汇报大纲 报告提纲 背景意义 风机一次调频技术 3风机一次调压技术 4实验平台验证 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队4/45 背景意义 （1）新能源持续快速的发展趋势 2011-2019年中国风电发电量和占比快速增长2020年3-8月风电发电量和同比正常情况 电 买电发电点 国家统计局最新发布数据显示，2011即使在新冠疫情的影响下，2020年上半2019年我国风发电量和占比连续快速增长。年风电的发电总量依然快速增长 根据十四五可再生能源高比例发展规划，预计2030年和2050年风光发电量占比将分别达到30%和60%以上。从近期政策来看，“十四五”期间风电的发展进程将进一步加速推进， 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队5/45 背景意义 （2）重大脱网事故频发 2011年就发生了193起，其中损失风电出力500MW以上的脱网事故就达12起 以2011年2月24日甘肃酒泉风电基地发生的脱网事故为例，先后经历了低电压脱网、高电 压脱网以及频率保护脱网3个阶段，共造成598台风电机组脱网，损失出力837MW。 11s 风电大发，场内无功补偿装置全部投入运行。 00:34:17场内35kV电缆单相故障，故障未切除，总结规模风电脱网事故 的特征，多为集群风电接入， 低00:34:28:480事故扩大，发展为三相故障。 长距离外送的网架结构及风 电三相故障导致系统电压跌落 压60ms大量风电机组因不具备低电压穿越能力而电大发运行工况，由轻微故 脱脱网，损失出力377MW。 网 障逐步演化发展为严重故障 都伴随着大量风电机组在短 00:34:28:540电网保护动作，故障被切除。 高低 场内无功补偿装置未被切除，系统无功过 剩、电压升高，电网频率降低。路故障中和故障切除后电网 电频63s 压脱 大量风电机组因不具备少量风电机组因频率“连续”出现低电压或高电 脱网高电压穿越能力而脱越限保护动作脱网， 网网，损失出力424MW损失出力36MW， 00:35:31:540系统电压达到最高 压相继脱网的现象。 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队6/45 背景意义 （2）重大脱网事故频发 英国8-9大停电事故：2019年8月9日，英格兰及威尔士地区发生大规模停电事故。值得注意的 是，因缺乏旋转机械惯量和无功输出能力而对系统稳定性支持较弱的电力电子并网型非同步电源 （包括高压直流送电、风电和光伏）占比为47%，接近系统发电出力的一半。 50.4 50. 49,8 融阳浦障：16:52.33.564禁车优复到50Hz 16:57.15 分有式电源国置岛保萨分西北锁网共00W： 王恩风电场脱网圳率确应房动 损失737MW16:52-14 16:52:33,835 19,6 小巴摄模壶汽机门 周天动车244MW 16.52:34 在领半明应产品的作用下，辆丰恢型到49212 49,2 建权失210MW，16331 线落量合成功：不巴相想第智智气机GTIB建闸款 大187NW：165158 16:52.53 16:52:58在操事为9时，分车式 电源院网200MW ESD皂调出1240FW备加 16:53:34预中政落43.812，低师减现A动：16.9349308 16:51:3915:52:0016:82:3016:82:13.;16:53:3116:54:0016:54:3016:56:0016:55:3016:56:(016:56:3) (6:57:00 15:57:3016:58:00 15;52:58 16:53:18 _16:53:34:16:53:58 16:57:15 2018年8月9日英国事故过程中事件发生的时序与频率变化 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队7/45 背景意义 （3）新能源高比例接入给电网频率稳定带来的挑战 1.系统惯量降低 新能源大量替代同步机后，旋转备用容量降低，将导致系统惯量水平下降恶化频率响应特性，削弱系统抵御功率差额的能力。当系统受到同等程度的扰动时频率变动幅度更大，过渡过程更快，陡然加大了电网安全稳定运行风险 2.调频能力下降 传统同步汽轮发电方式下锅炉汽包时刻存储着高温、高压蒸汽，蓄热储能的热备用容量可及时参与系统一次频率调节，通常能维持数十秒钟。而新能源大量替代同步机后，系统热备用容量响应降低了；同时新能源随机性、波动性强，增加了电网的功率扰动量，加大了传统同步发电机协调运行的难度。 系统频率动态特性恶化 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队8/45 汇报大纲 报告提纲 背景意义 风机一次调频技术 3风机一次调压技术 4实验平台验证 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队9/45 研究内容-风机一次调频技术 研究内容1：基于超级电容器的双馈风力发电机组一次频率调节方法 （2）配置储能参与电网一次调频 （1）变浆距角控制与超速减载控制 P+ 梁距角控制转子转速 P/限制 PIPPT减载率d% P 11.1 Omax AC/DC 储能系统 桨距角控制缺点：调整速度较慢，降低了正常工（1）集中式储能装置的安全可靠性风险 况下的风能利用率，风机机械部件频繁动作增加往往大于分布式储能模式。 了维修风险和维护成本。缺（2）集中式储能装置并不能改善风电机 点组本身性能，风电机组弱的自抗扰性没有 超速减载控制缺点：易达到限值，降低风能利用得到根本性的解决。 率的同时也减小了功率的实际可调节深度。（3）集中式储能相对于本文所提储能协 调控制方法来说的建设投资成本较高， 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队10/45 研究内容-风机一次调频技术 研究内容1：基于超级电容器的双馈风力发电机组一次频率调节方法 储能类型的选取： 小时 抽水储能 压缩空气 增加超级电容储能模块扩展功能，无需修改或增加原风电机组结构和控制方案，使得单台风电机组具有良好的鲁棒性和兼容性， 分钟级 锂电池提高单台风机抗扰性。 飞轮储能 领定功间率下可放电时 Pn 超极电容超导磁齿箱轮 Ps.QsPA,QA 1kw10kW100kW1MVMO1100M1GN 功率等级范围 Pr,Qr 不同类型储能的功率范围以及充放电时间尺度图Pg.Qs 43 储能装置的相关参数表RSC 类型时间 储能放电时间循环寿命(次数)功率密度响应 (W/kg) GSC 锂电池 分钟～小时 2000~5000 150~315 ms级 超级电容器 1~30s 000001< 500~5000 S级 Pscss 储能装置 基于分布式储能的DFIG结构图 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队11/45 研究内容-风机一次调频技术 研究内容1：基于超级电容器的双馈风力发电机组一次频率调节方法 超级电容器不同组合方式下的工作电压和效率表储能系统投资明细表 串联组数并联组数最小最大充放电效率 储能土建及 3 386 864 99.31 变流 4 385 720 99.12 投资金额/万元 36 9 5 390 576 98.84 6工作电压N工作电压分项成本超级电容器 5 4 器配套设备合计 5499.31 效率由线2种应用模式技术经济性对比表 0.990 0.990应用模式技术性经济性 0.966 0.960 预留10%pu 备用容量 与火电机组相当年经济损失约30.8万元 0.475 0.990 配置10%pu 储能装置 优于火电机组年均投资约3.85万元 2.96由对比可知预留备用的调频方案可以在 超级电容储能装置的效率曲线图调节过程中提供长期的功率支撑，其调节性储能装置在恒功率充放电时，其充放电效率能与火电相当，但经济损失巨大：相比之下， 与最高工作电压大小成正比，且本文需采用配置储能方案仅需一次性投入，投资额在可 144V*55F超级电容模组6串3并共18组组成该双馈接受的范围之内，且调频性能明显优于火电。 风电机组的储能装置。 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队12/45 研究内容-风机一次调频技术 研究内容1：基于超级电容器的双馈风力发电机组一次频率调节方法仿真验证：系统负荷增加100MW： BIBS Gi ArenOne 86B7 ['te Bs _110kmI110km110km AreaTao B9B10 B11_B3 1.450.02 3.350 4).98 超退减载10% 速表载20% 超换电容器控制 B2Lead1 Lead2Load3 0. 19.9 含双馈风电场的4机2区域系统图超级电容配置前后的双馈风电机组系统频率偏差 负荷突增100MW时响应性能指标表输出功率曲线 控制策略风能利用系数输出功率/pu最大转速/pu浆距角°）超级电容器0.480.4610 超速减载10%0.4780.381.020 0 0.4 15 (s）风能利用系数(b）风机输出功率 超速减载20% 0.450.351.16 负荷减小180MW时响应性能指标表 控制策略风能利用系数输出功率/pu最大转速/pu桨距角） 14/38±-3# 1/e 超级电容器0.480.3703045 超速减载10%0.33 1.1 0(e）转子转速(d）浆距角 超速减载10%超速减款20%超级电容器控制 超速减载20%0.390.311.2173.6负荷增加100MW下风电机组响应对比 颜湘武崔森宋子君孙雪孙颖基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略J.电力系统 自动化2020.44(14)：111-120 华北电力大学（保定）新能源电力系统分析与稳定控制团队13/45 研究内容-风机一次调频技术 研究内容1：基于超级电容器的双馈风力发电机组一次频