儲能對火電廠勵磁穩定性影響分析

朱建華 趙 啟 許立長 馮 斌 焦春雷

儲能對火電廠勵磁穩定性影響分析

朱建華1趙 啟2許立長1馮 斌2焦春雷2

（1. 潤電能源科學技術有限公司電氣技術中心，鄭州 450000； 2. 新疆電力有限公司電力科學研究院電網技術中心，烏魯木齊 830011）

本文針對目前儲能接入電廠后對發電廠勵磁系統調差系數、無補償相位特性、阻尼特性造成一系列影響的問題，研究了儲能接入電廠對勵磁系統穩定性的影響。首先，建立考慮儲能影響的發電廠單機模型，給出了儲能與調差系數、無補償相位特性、阻尼特性的理論關系，在此基礎上分析了不同儲能出力對上述三者的影響。仿真結果表明，儲能接入電廠后，對勵磁系統的調差系數、阻尼特性、勵磁系統無補償特性都產生了一定影響，需要對上述三者進行安全性評估。

儲能；調差系數；電力系統穩定器；無補償相位特性

0 引言

隨著我國風電、光伏占能源系統的比例不斷增加，新能源消納問題變得越來越嚴峻。為提升新能源消納水平，提高傳統火電廠調頻技術指標，近年來部分火電廠采用電化學儲能接入高壓廠用電系統的方案[1-3]，改善火電廠的調頻性能。儲能接入火電廠后，一方面因其較快的充放電速率改善了火電廠AGC的響應時間、調節速率、調節精度等指標，同時也可以參與電力市場輔助服務市場[4-7]，為火電廠獲取一定調頻收益；另一方面，儲能的接入增加火電廠廠用電波動，對勵磁系統的適應性提出了新的要求。廠用電負荷水平的變化首先對發電機機端潮流分配產生一定影響，進而改變了發電機與系統等值連接阻抗，所以對現有發電機的調差系數配置和計算都會造成一定影響。國內研究表明，勵磁系統的調差系數對發電機阻尼、幅頻特性、電力系統穩定器參數都會造成一定影響[8-10]，而業界對火電廠的無補償相位特性及阻尼目前鮮有研究。

鑒于此，本文針對上述研究的不足，以儲能接入電廠后的調差系數配置、發電機無補償相位特性和阻尼變化為研究對象，應用線性化分析方法對考慮儲能影響的發電廠勵磁系統模型特性進行研究，通過模擬儲能充放電過程，計算發電廠的無補償相位特性和阻尼變化趨勢，通過不同工況下的計算對比，分析儲能接入對發電廠穩定的影響，為儲能接入火電廠勵磁穩定性分析提供參考。

1 儲能對火電廠勵磁系統的影響

1.1 儲能對調差系數配置的影響

將儲能接入廠用電系統后，儲能工況對發電機勵磁調差特性產生影響。為模擬對火電廠勵磁系統[11]的影響，建立包含儲能的模型。其對應模型接線圖如圖1所示。

圖1 帶有機端負荷的單機-無窮大系統

式中：L為廠用電的一次等值電阻；L為廠用電的一次等值電抗；t為機端電壓。

應用戴維南原理進行等效，可以將機端廠用電等值到系統串聯阻抗中，對應的表達式如下

（4）

再次應用戴維南等值定理，可以將圖2簡化為圖3所示的一字型等值系統。

式中，1為圖3中等值電阻。圖3中，1為等值電抗；為系統等值電壓。

圖3 第二次等值單機-無窮大系統

主變高壓側發電機變壓器組的調差率T計算公式如下

式中：T為主變高壓側電壓調差率；K為主變的短路阻抗百分比；為發電機勵磁調差率；GN為發電機額定定子電流；TN為主變額定電流；GN為發電機額定定子電壓；TN為主變額定電壓。

標準要求并網點電壓調差率在5%～10%之間整定，則發電機勵磁調差系數需滿足下面條件（忽略系統電阻1）。

式中：1min為儲能充電最大出力時發電機到系統等值電抗；1max為儲能放電最大出力時發電機到系統等值電抗。

從式（8）可以看出，當儲能接入發電廠后，需要根據儲能的兩種極限出力來確定調差系數的變化范圍。

1.2 儲能對勵磁系統無補償相位特性和阻尼的影響

將儲能接入后改變了發電機系統連接的等效電阻和電抗，特別是儲能可以充電和放電，儲能雙向特性使得發電廠與系統之間的等效電阻和電抗變化范圍變大。研究發電機與系統穩定性常用的模型為Phillips-Heffron模型，其示意圖如圖4所示。

圖4 Phillips-Heffron模型示意圖

根據圖4所示的邏輯關系，可以推導得出勵磁系統無補償相位特性表達式[13]，即

勵磁系統的無補償相位特性是1—6和發電機參數的函數。當儲能出力發生變化時，無補償相位特性產生也會對應發生變化，進而影響發電廠的阻尼特性。

2 仿真分析

廠用電負荷（不含儲能）容量為35MW，功率因數為0.8。PSS模型為PSS2B型，其模型見文獻[12]。對應參數為：w1=w2=w3=10，w4=0，1=0.15，2=0.025，3=0.15，4=0.02，S1=20，S2=0.99，S3=1.0，=1，=5，7=10，8=0.5，9=0.1，10=0。

2.1 儲能對調差系數范圍的影響

儲能的最大出力在正16MW和負16MW之間，原有的廠用電負荷水平在35MW水平，考慮儲能后廠用電的負荷水平在19～51MW之間。根據式（1）—式（8），計算并比較儲能接入前和接入后的調差系數范圍，其對應圖形如圖5所示。

從圖5可以看出，考慮廠用電的算法與常規算法相比，調差系數降低了1%左右，說明考慮廠用電和儲能影響后，對調差系數的影響基本不大。

2.2 儲能對勵磁系統無補償相位特性的影響

在對發電廠系統進行PSS參數測試時，通常會在PSS接入前，在PSS接入點加入白噪聲信號，同時測量機端電壓，通過頻譜分析儀辨識出機端電壓與PSS接入點之間相頻信號，通常也被稱為無補償相位特性。搭建單機系統的線性模型，通過線性化函數辨識出機端電壓與PSS接入點之間傳遞函數的相頻特性。圖6所示為=0.9、=0.43時的相頻特性，從圖6可以看出，儲能在充電和放電狀態時，兩者之間的相頻特性差別不大，差別最大的點在=2Hz時，相位差值在1.3°左右。

圖5 儲能對調差系數的影響

圖6 P=0.9最大滯相運行時無補償相位

圖7所示為=0.9、=-0.05時的勵磁系統無補償相頻特性。與=0.9時滯相工況相比，儲能在充電和放電狀態時，兩者之間頻率差異更大，在=2Hz時最大，相位差值在3°左右。

圖7 P=0.9最大進相運行時無補償相位

圖8所示為=0.48、=0.16時的勵磁系統無補償相頻特性。與=0.9時滯相工況相比，儲能在充電和放電工況下位置恰好相反，在=2Hz時最大，相位差值在7°左右。

圖8 P=0.48最大滯相運行時無補償相位

圖9所示為=0.48、=-0.16時的勵磁系統無補償相頻特性。與=0.48時滯相工況相比，在=2Hz時最大，相位差值在10°左右。

圖9 P=0.48最大進相運行時無補償相位

綜合上述4種典型工況可以看出，儲能最大充電和最大放電在低頻時相位差異較小，隨著頻率的增大，相位差逐漸增大，在2Hz時達到最大相位差。

高負荷運行時，進相運行和滯相運行相位差異較小；低工況運行時，進相運行和滯相運行的相位差異較大。

2.3 儲能對阻尼的影響

當儲能接入系統后，配置的PSS需要在不同工況下都具有較好補償效果，一種常見檢驗補償效果的計算方法為不同工況對應的阻尼，本文選取4種典型工況：①工況一=0.9p.u.，=-0.05p.u.；②工況二=0.9p.u.，=0.05p.u.；③工況三=0.48 p.u.，=0.2p.u.；④工況四=0.48p.u.，=-0.2p.u.。這4種工況對應的阻尼見表1。

表1 不同工況的阻尼

從表1可以看出，在不同工況和儲能充電和放電情況下，PSS接入后阻尼稍有變化，但阻尼基本上滿足PSS標準要求，說明現有的PSS參數配置可以滿足儲能接入后工況變化要求。

3 結論

本文考慮了儲能接入廠用電影響以及對勵磁系統調差的影響，并將其寫入Phillips-Heffron模型，分析了儲能在不同充放電工況下的相位變化規律，分析結果表明：

1）儲能接入后對火電廠勵磁系統的相位特性有一定影響，頻率越高，對應的相位差異越大，最大相位差在7°左右。

2）儲能接入后對調差系數計算造成一定影響，與原有算法最大差異在1%左右。

本文建議在帶有儲能的發電廠PSS試驗時應該考慮儲能的充電和放電過程的影響。發電廠調差參數整定時也應考慮發電廠的儲能影響。

[1] 高春輝, 肖冰, 尹宏學, 等. 新能源背景下儲能參與火電調峰及配置方式綜述[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 38-43.

[2] 王華衛, 張平. 350MW級火電機組與電儲能聯合調頻系統設計研究[J]. 電工技術, 2019(6): 61-63, 117.

[3] 劉奇琦, 許曉峰. 傳統火電-風電-廣域儲能聯合調頻的協調控制研究[J]. 山東工業技術, 2019(6): 187-188.

[4] 李欣然, 崔曦文, 黃際元, 等. 電池儲能電源參與電網一次調頻的自適應控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(18): 3897-3908.

[5] 黃際元, 李欣然, 常敏, 等. 考慮儲能電池參與一次調頻技術經濟模型的容量配置方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(21): 112-121.

[6] 郭國偉, 劉鵬祥, 徐欣慰, 等. 含可再生能源的配網中儲能容量優化配置方法及軟件設計[J]. 電氣技術, 2020, 21(4): 56-60.

[7] 王京景, 吳旭, 王正風, 等. 基于多目標模糊優化的抽蓄水火電聯合調峰方法[J]. 電氣技術, 2019, 20(11): 33-38, 45.

[8] 段俊東, 張曉芳, 張濱, 等. 勵磁調差單元對電力系統低頻振蕩的影響[J]. 電源學報, 2019, 17(3): 182- 190.

[9] 霍承祥, 劉取, 劉增煌. 勵磁系統附加調差對發電機阻尼特性影響的機制分析及試驗[J]. 電網技術, 2011, 35(10): 59-63.

[10] 吳跨宇, 竺士章. 發電機勵磁系統調差對PSS參數整定的影響與對策[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(9): 67-71.

[11] 張俊峰, 李鵬, 蘇寅生, 等. 勵磁系統調差系數優化整定存在的風險分析[J]. 電力系統自動化, 2015, 39(20): 141-145, 151.

[12] 劉取. 電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M]. 北京:中國電力出版社, 2007.

[13] 霍承祥, 劉增煌, 朱方. 運用電力系統穩定器對勵磁系統進行相位補償的理論與實踐[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(12): 2989-2997.

Influence analysis of energy storage on the stability for exciting system of thermal power plant

ZHU Jianhua1ZHAO Qi2XU Lichang1FENG Bin2JIAO Chunlei2

(1. Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450000; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830011)

Aiming at the problems caused by the adjustment coefficient, amplitude-frequency characteristics and damping characteristics of the excitation system of the power plant after the energy storage was currently connected to the power plant. Therefore, the effects of connecting energy storage to the power plant on the stability of the utility power and the excitation system were studied. First, a single-machine infinite-bus model of a power plant considering the impact of energy storage was established, and the theoretical relationship between the energy storage coefficient of adjustment, uncompensated phase characteristics, and damping characteristics was derived. Based on this, the impact of different energy storage outputs on the three was analyzed. The simulation results show that after the energy storage was connected to the power plant, it will have a certain impact on the adjustment coefficient, damping characteristics, and uncompensated characteristics of the excitation system. After the energy storage is connected to the power plant, the safety assessment of the above three needs to be performed.

energy storage; compensation coefficient; power system stabilizer; no angle com- pensation characteristic

2020-05-07

2020-07-03

朱建華（1986—），男，工程師，河南洛陽人，碩士，工程師，主要研究方向為勵磁穩定和電能質量分析。