1、第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology飞轮储能辅助风电一次调频仿真分析陈俊涛1，王亚军2，宋顺一2，曲文浩2，柳亦兵1（1华北电力大学先进飞轮储能技术研究中心，北京 102206；2深能南京能源控股有限公司，江苏 南京 210000）摘要：随着风电比重的迅速增加，电力系统的频率稳定性问题也愈加严重。基于Matlab/simulink仿真研究在一定风电渗透率的区域电网中，采用飞轮储能辅助风电进行一次调频的作用和效果。首先，采用简化的线性频率控制建立飞轮储能辅助风电一
2、次调频控制模型，根据传递函数分析飞轮储能参与一次调频的频率特性，然后在负荷功率发生阶跃扰动和连续扰动的情况下，通过时域仿真对区域电网频率特性进行仿真论证，通过对比得出结论，配置一定比例的飞轮储能系统可以迅速响应频率偏差信号，在一次调频仿真过程中系统最大频率偏差以及稳态偏差都得以减少，满足电力系统的性能指标要求，有效提高系统的频率质量。关键词：飞轮储能；风电机组；频率特性；一次调频doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0489 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-172-08Simulation of the primar
3、y frequency modulation process of wind power with an auxiliary flywheel energy storageCHEN Juntao1,WANG Yajun2,SONG Shunyi2,QU Wenhao2,LIU Yibing1(1Advanced Flywheel Energy Storage Technology Reserach Center,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2Shenzhen Energy Nanjing Holding
4、Co.,Ltd.,Nanjing 210000,Jiangsu,China)Abstract:With increasing wind power,the frequency stability of power systems is getting increasingly serious.The impact of primary frequency control supported by flywheel energy storage is examined through Matlab/Simulink simulation under certain wind power pene
5、tration.First,the simplified linear frequency control is used to establish the primary frequency regulation control model of the flywheel energy storage auxiliary wind power,and the frequency characteristics of the flywheel energy storage participating in primary frequency regulation are analyzed in
6、 accordance with the transfer function.Then,the frequency characteristics of a regional power grid in the case of step and continuous disruptions of load power were examined.Comparatively,it was found that a certain proportion of flywheel energy storage systems could quickly react to the frequency d
7、eviation signal,and the maximum frequency and steady-state deviations of the system are reduced in the primary frequency modulation simulation process,which meets the performance index requirements of the power system and significantly enhances the frequency quality of wind power.Keywords:flywheel e
8、nergy storage;wind power;frequency characteristics;primary frequency modulation储能系统与工程收稿日期：2022-08-29；修改稿日期：2022-09-26。第一作者：陈俊涛（1997），男，硕士研究生，研究方向为飞轮储能辅助风电调频，E-mail：；通讯作者：柳亦兵，教授，研究方向为旋转机械及飞轮储能，E-mail：。第 1 期陈俊涛等：飞轮储能辅助风电一次调频仿真分析我国为了积极实现“碳达峰、碳中和”的目标，提出要构建以新能源为主的新型电力系统，推动能源电力低碳转型发展1。在新能源的快速发展中，清洁无污染、分布
9、广泛、可再生的风能越来越受到人们的重视，截止到2021年底我国风电装机容量已突破3亿千瓦。但风电渗透率的不断提高给电力系统的正常稳定运行带来了巨大挑战，首先是因为风能具有波动性和随机性，风电的大规模接入会增大电网系统净负荷波动的幅值和速率；其次风电机组往往采用最大功率跟踪模式运行，并通过电力电子装置接入电网，导致电网惯性降低，并且转子动能被隐藏，转子转速与电网频率处于解耦状态,使得风电机组无法实现惯性响应和一次频率调节2。为了提高风电机组对电力系统频率变化的响应能力，维持系统频率稳定，使风电机组具备一次调频能力，目前常采用不同的控制策略来利用风电机组本身隐含的转子动能的能量3，但受转子转速约束
10、和变桨控制响应慢的影响，控制过程比较复杂，难以满足系统调频需求，并且会损失一部分经济效益。因此，通过具有快速负荷响应的储能系统耦合风电机组进行频率调节成为研究热点4。近年来国内外利用电化学储能辅助风电进行调频的工程项目发展迅速，虽然取得一定的效果，但是电化学储能存在燃烧和爆炸风险、对温度敏感和废弃物回收等问题5-6。飞轮储能作为一种新型物理储能技术，具有功率密度大、响应速度快、长寿命、环境影响小、可扩展性好、无污染等特点，可以很好地匹配频率调节频繁的功率波动以及有较小时间尺度的要求，因此比较适合辅助调频以及新能源消纳等应用场景7-8。目前飞轮储能系统的应用研究集中于辅助火电机组调频以及平滑风电
11、功率波动等，文献9-11发现利用飞轮储能系统辅助火电机组进行一次调频和二次调频，可以明显提高机组的调频性能，减少火电机组的调频负担。文献12通过在风光储基地搭建飞轮储能系统进行实际充放电验证，表明飞轮储能系统运行稳定、可靠，其功率、容量和响应速度等均具有显著优势。文献13-14采用飞轮储能系统平滑风电的输出功率，显著降低了风电功率的波动量。文献15通过利用飞轮储能协同风电机组运行，不仅有助于提高系统恢复同步稳定的动态特性，而且能够降低同步发电机参与调频的有功调节速度要求。并网电源一次调频技术规定及试验导则规定风电场必须具备一次调频功能，一次调频主要针对变动幅度小、周期很短的负荷波动，考虑将小负
12、荷波动下调频任务由飞轮储能单独承担，利用飞轮储能装置的快速响应能力协助风电机组进行一次调频控制，不仅提高系统频率的稳定性，而且简化风电机组的协调控制，提升风电消纳，具有较好的应用前景。本工作在传统电力系统频率分析模型的基础上，研究飞轮储能参与一次调频对电网频率特性的改善效果，采用传递函数进行等效建模，建立飞轮储能辅助风电进行一次调频系统低阶线性模型，通过传递函数分析系统的频率特性，在阶跃负荷扰动和连续负荷扰动的条件进行飞轮储能辅助风电一次调频的仿真验证。1 电力系统一次调频原理电力系统一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，电源通过控制系统的自动反应，调整有功出力减少频率偏差的控制过程，一次
13、调频属于有差调节。基于同步发电机的传统电力系统的一次频率模型是一个闭环控制系统，主要包括调速器、汽轮机及发电机与负荷等。在分析电力系统总体频率特性时，忽略对电压和功角的动态特性研究，采用小信号模型将电力系统频率一次调频模型简化为图1所示16。图1中，R为调差系数，T为汽轮机的等值惯性时间常数，a为汽轮机的特征系数，M为与系统惯量相关的转子时间常数，D为负荷的有功频率响应系数，Pm为汽轮机变化功率，PL为负荷变化功率，Pe为负荷变化总功率，fref为参考频率，f为实际频率，f为频率变化量。2 飞轮储能辅助风电一次调频分析2.1飞轮储能辅助风电一次调频模型假设某区域电网发电单元场景主要由风电场和调
14、速器-汽轮机 发电机及负荷1R1+aTs1+Ts1Ms+D-Pm-PLPeffref+f+图1同步发电机组一次调频模型Fig.1Primary frequency modulation model of power system of synchronous generators1732023 年第 12 卷储能科学与技术火电机组构成，飞轮储能作为辅助风电的调频系统，飞轮储能单元主要组成结构包括飞轮本体、双向电机、机侧变流器，通常由多个飞轮储能单元通过直流母线并联到网侧变流器组成飞轮阵列系统，同时为了简化控制，飞轮储能系统采用集中配置的方式布置在风电场出口母线处，并通过升压变等设备并入电网，系
15、统拓扑结构简图如图2所示。根据图1，忽略火电机组具体的调速器控制、汽轮机模型、限幅等非线性环节与二次调频，典型火力发电系统中调速器和汽轮机部分的传递函数为：GR(s)=1+aTsR(1+Ts)(1)风电机组是一个非线性系统可通过转子惯性控制、超速控制和变桨控制等，使其具备一次调频能力。其中变桨距控制调节能力较强，调节范围较广，适用于所有风速模式17。当风电机组通过利用桨距控制器进行变桨控制，改变桨叶角度调整机组出力以减少电网频率波动时，风电机组处于最大功率点之下的某一运行点，以留出一定的备用容量，因此风电机组的一次调频模型等效为一阶滞后传递函数18：GW(s)=KW1+TWs(2)式中，KW为
16、风电机组一次调频系数，TW为风电机组的变桨控制响应时间常数。飞轮储能的基本原理是绕定轴旋转的飞轮转子通过转速变化实现能量转换，转子加速过程存储能量，减速过程中释放能量。飞轮系统存储的能量与飞轮转子的转动惯量和转速有关，可以用下列公式表示：E=12J2(3)式中，E为飞轮转子所具有的动能，J；J为飞轮转子的转动惯量，kg m2；为飞轮转子的工作转速，rad/s。为着重分析飞轮储能参与一次调频的效果，通常采用一阶惯性模型作为飞轮储能的等效模型，并以虚拟下垂控制作为飞轮储能参与一次调频的控制方法18-19，则飞轮储能控制系统由飞轮出力控制模块和飞轮传递函数模块组成。飞轮储能控制系统的传递函数可以表示为GF(s)=KF1+TFs(4)式中，KF为飞轮储能系统的下垂控制系数，TF为飞轮储能系统的时间惯性常数，通常取决于飞轮储能系统本身的特性。随着风力发电比重的提高，逐渐代替火电等常规同步发电机组，电力系统中提供惯性和一次调频响应的调节资源逐步减少，表现为电网等效惯性时间常数减小。定义常规同步发电机组系数K：K=常规同步机组发电出力(MW)系统负荷功率(MW)(5)K的取值范围为0K1，则同步发电
