風(fēng)儲(chǔ)制氫電廠的一次調(diào)頻控制策略

張玉瑩 李驥 許雷 常喜強(qiáng) 鄭聞遠(yuǎn) 于繼軒 孫東陽(yáng)

摘 要：針對(duì)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻特性弱且單一儲(chǔ)能裝置無(wú)法滿足全時(shí)間尺度功率能量需求的問(wèn)題，提出了風(fēng)儲(chǔ)制氫電廠的一次調(diào)頻控制策略。首先，依據(jù)傳統(tǒng)同步機(jī)組一次調(diào)頻功率輸出特性，確定風(fēng)儲(chǔ)制氫電廠一次調(diào)頻所需功率支撐。其次，通過(guò)分析電制氫裝置（P2H）作為一種大容量可控負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)頻的可行性，對(duì)比不同儲(chǔ)能介質(zhì)的應(yīng)用特點(diǎn)，選取超級(jí)電容與電制氫裝置減載的多能協(xié)同調(diào)頻方法。進(jìn)而，針對(duì)分布式儲(chǔ)能集中制氫架構(gòu)的風(fēng)儲(chǔ)制氫電廠的特點(diǎn)，提出了一種多能協(xié)同的一次調(diào)頻控制策略。最后，通過(guò)建立給予不同風(fēng)速初始狀態(tài)的風(fēng)儲(chǔ)制氫電廠仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性與合理性。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電制氫；超級(jí)電容儲(chǔ)能；一次調(diào)頻；多能協(xié)同

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.009

中圖分類號(hào)： TM614? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2024）01-0078-09

Research on Primary Frequency Regulation Control Strategy of SCESS-DFIG-P2H Generating Station

ZHANG Yuying1， LI Ji1， XU Lei1， CHANG Xiqiang1， ZHENG Wenyuan2， YU Jixuan2， SUN Dongyang2（1Electric Power Research Institute， State Grid Xinjiang Electric Power Co. Ltd.， Urumchi 830011， China;2School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：In order to solve the problem that the frequency regulation characteristics of wind turbines are weak and a single energy storage device cant meet the power and energy demand of the full time scale， the primary frequency regulation control strategy of SCESS-DFIG-P2H generating station is proposed Firstly， according to the primary frequency regulation power output characteristics of the traditional synchronous unit， the power support required for the primary frequency regulation of the SCESS-DFIG-P2H generating station was determined Secondly， by analyzing the feasibility of electric hydrogen production unit （P2H） as a large capacity controllable load to participate in system frequency regulation， and comparing the application characteristics of different energy storage media， the multi-energy collaborative frequency regulation method of SCESS and P2H load reduction is selected Furthermore， a multi-energy cooperative primary frequency regulation control strategy is proposed according to the characteristics of SCESS-DFIG-P2H generating station with distributed super capacitor energy storage and centralized hydrogen production architecture Finally， the effectiveness and rationality of the proposed control strategy are verified by establishing the simulation model of the wind-storage-hydrogen station with different initial wind speed states

Keywords：doubly fed induction generator （DFIG）; power to hydrogen （P2H）; super capacitor energy storage system （SCESS）; primary frequency regulation; multi energy cooperation

0 引 言

2021年我國(guó)在政府工作報(bào)告中明確指出，力爭(zhēng)在2030年之前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)［1］，屆時(shí)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)超過(guò)12億千瓦［2］。隨著風(fēng)電滲透率的日益增加，風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行中所表現(xiàn)出來(lái)的缺點(diǎn)也越發(fā)明顯［3，4］。不同于具備調(diào)頻能力的常規(guī)同步機(jī)組［5］，風(fēng)電機(jī)組按照最大風(fēng)功率曲線運(yùn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率完全解耦，因此其本身并不具備響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的能力［6］。這種調(diào)頻能力弱的缺點(diǎn)會(huì)加劇系統(tǒng)的源荷不平衡度，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰，這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)［7］。因此，為解決風(fēng)電能源大規(guī)模并網(wǎng)所帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)發(fā)布的電網(wǎng)導(dǎo)則中明確要求風(fēng)電場(chǎng)需具備常規(guī)發(fā)電廠相同的一次調(diào)頻能力［8］。

電制氫技術(shù)的蓬勃發(fā)展給電網(wǎng)調(diào)頻提供了新思路［9］。一方面，電制氫裝置作為解決棄風(fēng)問(wèn)題的有效手段，可以提高風(fēng)電消納能力，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性［10］。另一方面，電制氫可作為一種大容量可控負(fù)荷，具有能量轉(zhuǎn)換體量大的優(yōu)勢(shì)［11］，對(duì)提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性具有重要意義［12］。儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)功率平衡被打破時(shí)快速與系統(tǒng)進(jìn)行能量交換，輔助系統(tǒng)重建功率平衡［13-14］。通過(guò)電制氫裝置以及儲(chǔ)能裝置來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，為風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻問(wèn)題提供了新思路［15］。文［16］依據(jù)同步機(jī)組慣量特性定義了風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)慣量，對(duì)輔助風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻的儲(chǔ)能容量進(jìn)行計(jì)算，并采用模糊邏輯控制算法提出一種利用儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)慣量的控制策略，但并未考慮下垂特性。文［17-18］將電制氫裝置作為解決棄風(fēng)問(wèn)題的一種有效手段，同時(shí)將其視為一種可控負(fù)荷參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，但并未考慮電制氫裝置自身特性對(duì)調(diào)頻能力的影響。文［19］提出了一種調(diào)節(jié)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的功率補(bǔ)償方案，由電制氫裝置以及超級(jí)電容共同作用，確保并網(wǎng)功率與負(fù)荷調(diào)度一致，但并未說(shuō)明電網(wǎng)頻率變化與所需功率補(bǔ)償之間的關(guān)系。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了集中制氫、分布式儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)制氫電站架構(gòu)，基于同步機(jī)組的慣量響應(yīng)以及下垂特性，完成風(fēng)儲(chǔ)制氫電站模擬同步機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的理論分析。研究電制氫裝置數(shù)學(xué)模型及其動(dòng)態(tài)特性，對(duì)不同儲(chǔ)能介質(zhì)的多種特性進(jìn)行對(duì)比分析，選取超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置參與可調(diào)負(fù)荷通過(guò)協(xié)同控制滿足全時(shí)間尺度的一次調(diào)頻需求，提出一種多能協(xié)調(diào)的調(diào)頻控制策略。通過(guò)仿真對(duì)比不同風(fēng)速，采用所提控制策略在不同負(fù)荷跌落程度下的系統(tǒng)頻率曲線，驗(yàn)證該策略對(duì)風(fēng)儲(chǔ)制氫電站負(fù)荷突變時(shí)的一次調(diào)頻有效性。

1 基于風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)的一次調(diào)頻技術(shù)研究

1.1 風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)包括模塊中的配電網(wǎng)、模塊中的風(fēng)電機(jī)群、模塊中的電制氫系統(tǒng)及耗氫產(chǎn)業(yè)。

系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組輸出功率一部分輸送至模塊并網(wǎng)發(fā)電，另一部分輸送至模塊。模塊包含模塊及模塊，模塊為電制氫系統(tǒng)，其組成包括整流器、DC-DC變換器及電解槽；模塊所示的耗氫下游產(chǎn)業(yè)。

風(fēng)儲(chǔ)制氫電站常工況下的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

PG=Pwind－Pchu－Pqing（1）

式中：PG為風(fēng)儲(chǔ)制氫電站并網(wǎng)功率；Pwind為風(fēng)機(jī)輸出功率；Pchu為儲(chǔ)能裝置吸收功率；Pqing為電制氫裝置消納功率。

Pwind如式（2）所示：

Pwind=12ρπR2v3Cp（2）

其中：

Cp=002116λi－04β－5e－125λi1λi=1λ+008β－0035β3+1λ=ΩRv（3）

式中：R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速；Cp為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；SymbollA@為葉尖速比；SymbolbA@為槳葉角；Ω為風(fēng)機(jī)槳葉機(jī)械角速度。

風(fēng)儲(chǔ)制氫電站在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，作為能量源端的雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于最大風(fēng)功率跟蹤狀態(tài)，其輸出功率只與風(fēng)速有關(guān)，與電網(wǎng)頻率完全解耦，不具備同步機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的能力。因此，為增強(qiáng)風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)調(diào)頻能力，需依據(jù)傳統(tǒng)同步機(jī)組的一次調(diào)頻功率輸出特性對(duì)風(fēng)儲(chǔ)制氫電站進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)一種一次調(diào)頻控制策略使其具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組類似的一次調(diào)頻效果。

1.2 風(fēng)儲(chǔ)制氫電站參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的容量匹配設(shè)計(jì)

在響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，同步機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率具有耦合關(guān)系，將頻率變化限制在很小的范圍內(nèi)（國(guó)內(nèi)電網(wǎng)導(dǎo)則［8］要求，電網(wǎng)頻率在52Hz到47Hz內(nèi)波動(dòng)）。

由于系統(tǒng)頻率上升與下降情況類似，且頻率上升幅度小于下降幅度，因此下文只對(duì)頻率向下波動(dòng)的情況進(jìn)行分析。同步機(jī)組慣量響應(yīng)能量來(lái)源為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，假定電網(wǎng)頻率由工頻50Hz下降至f1，參與調(diào)頻過(guò)程中同步機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化為f1/50～1pu，同步機(jī)組釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能為

ΔEk_max=12J（12－（f1/50）2）ω2S（4）

由能量守恒定律可知，風(fēng)儲(chǔ)制氫電站若具有傳統(tǒng)電廠相同的慣量響應(yīng)特性，則慣量響應(yīng)過(guò)程釋放的能量應(yīng)與同步機(jī)組等值：

ΔEW=ΔEk_max=PWΔt=2500－f215000PNTJ（5）

式中：PN為發(fā)電機(jī)額定功率。假定風(fēng)儲(chǔ)制氫電站參與系統(tǒng)慣量響應(yīng)的時(shí)間與同步發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)一致，即TJ=Δt，則風(fēng)儲(chǔ)制氫電站完成慣量響應(yīng)所需功率為

PW=2500－f215000PN（6）

由同步機(jī)組功頻特性曲線可知，在系統(tǒng)頻率跌落至f1時(shí)，下垂特性提供的功率支撐為

PV=K（50－f1）（7）

式中：K為發(fā)電機(jī)的下垂系數(shù)。綜上，風(fēng)儲(chǔ)制氫電站若具有與傳統(tǒng)電廠相同的一次調(diào)頻效果，需提供的調(diào)頻功率總量為

PWSP=2500－f215000PN+K（50－f1）=PP2H+PSC（8）

式中：PP2H為電制氫響應(yīng)一次調(diào)頻的減載功率，PSC為儲(chǔ)能裝置響應(yīng)一次調(diào)頻釋放的功率。

如式（8）所示，風(fēng)儲(chǔ)制氫電站完成一次調(diào)頻所需功率總量為PWSP，由儲(chǔ)能裝置以及電制氫裝置共同承擔(dān)。為合理分配調(diào)頻功率，下一章節(jié)將對(duì)電制氫裝置與儲(chǔ)能裝置的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

2 基于一次調(diào)頻的風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理分析

2.1 電制氫裝置的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)特性研究

目前電解槽主要有3種，包括堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽。堿性電解槽具有研發(fā)最早、技術(shù)最成熟、設(shè)備成本最低的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前唯一滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的電解水制氫設(shè)備［26］。本文選用堿性電解槽，建立電解槽模型如下。

電解槽單體電壓、電流方程如式（9）所示：

Ucell=Urev+r1+r2TelAelIel+（s1+s2Tel+s3T2el）lgt1+t2Tel+t3T2elAelIel+1（9）

式中：Ucell為電解槽單體電池電壓；Iel為流經(jīng)電解槽的電流；Urev為可逆電池電壓；r1、r2為電解液的歐姆參數(shù)；s1、s2、s3、t1、t2、t3為電極過(guò)電壓參數(shù)；Ael為電極面積；Tel為電解液溫度。

電解槽串聯(lián)電壓方程如式（10）所示：

Uel=NelUcell（10）

式中：Nel為電解槽電池串聯(lián)個(gè)數(shù)；Uel為電解槽電壓。

根據(jù)法拉第定律，電解槽產(chǎn)氫速率與電解槽等效電流Iel成正比，表達(dá)式如式（11）所示：

VH2=ηFNelIel2FηF=965e（009/Iel－755/I2el）（11）

式中：ηF為法拉第效率；VH2為電解槽的產(chǎn)氫速率。

考慮堿性電解槽自身工作特性對(duì)響應(yīng)調(diào)頻功率指令的影響，選取堿性電解槽主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析［20-21］，如表1所示。

從表1中得出，堿性電解槽無(wú)啟動(dòng)延時(shí)，可以迅速開(kāi)機(jī)耗電制氫，考慮堿性電解槽工作范圍為25%～100%的額定功率Pmaxel，且單日只可進(jìn)行單次啟停，對(duì)電解槽參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的功率指令約束如式（12）所示：

14NelPmaxel≤PP2H≤NelPmaxel（12）

此外，受限于溫度、物料的變化慣性，堿性電解槽在運(yùn)行中另需滿足爬坡功率指令限制：

|Pel，t－Pel，t-1|≤ΔPmax（13）

式中：Pel，t為t時(shí)刻電解槽需承擔(dān)的功率指令；ΔPmax為單位時(shí)間內(nèi)功率變化閾值。

綜上，堿性電解槽受自身工作特性限制，響應(yīng)調(diào)頻功率與調(diào)頻功率總量之間有差額。儲(chǔ)能裝置可以通過(guò)快速的能量吞吐，承擔(dān)超出電制氫裝置工作范圍的功率指令，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)調(diào)頻功率，增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)頻能力，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2 對(duì)不同儲(chǔ)能裝置與電制氫結(jié)合后的電氣特性比對(duì)分析

對(duì)比分析各儲(chǔ)能裝置以及結(jié)合電制氫后的電氣特性和經(jīng)濟(jì)特性如圖2所示。

如圖2（a）所示，超級(jí)電容與飛輪儲(chǔ)能可以彌補(bǔ)電制氫裝置在靈活性和大功率輸出上的缺點(diǎn)，且中長(zhǎng)時(shí)間功率調(diào)節(jié)性能的不足可由電制氫裝置補(bǔ)償。如圖2（b）所示，兩者與電制氫裝置結(jié)合后的特性曲線更接近龜背圖的外側(cè)邊緣，具有較好的電氣特性與經(jīng)濟(jì)特性。相比于超級(jí)電容，飛輪儲(chǔ)能自放電率高，且尚未發(fā)展至工程應(yīng)用階段，采購(gòu)較難。

綜上所述，選用超級(jí)電容進(jìn)行功率補(bǔ)償，解決了參與系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)的電解槽功率調(diào)節(jié)能力受限的問(wèn)題。同時(shí)，由于超級(jí)電容僅作為輔助裝置解決電解槽自身特性所帶來(lái)的問(wèn)題，調(diào)頻服務(wù)仍以電制氫系統(tǒng)為主體，因此無(wú)需過(guò)高的容量配置，一次投資成本較小。

3 基于風(fēng)儲(chǔ)制氫電站的一次調(diào)頻控制

在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，本節(jié)建立了電制氫裝置以及超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的控制方程研究?jī)烧叩目刂撇呗圆⑻岢隽孙L(fēng)儲(chǔ)制氫電站多能協(xié)同調(diào)頻控制策略。

3.1 電制氫裝置控制策略研究

電制氫裝置控制單元方程為

Del=Kp1+Kp2s（Ielref－Iel）+UelUeldc（14）

式中：Del為電制氫系統(tǒng)的控制信號(hào)；Kp1和Kp2分別為電流環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；Ielref和Iel分別為電解槽電流的參考值和反饋值；Ueldc為電制氫系統(tǒng)直流母線的電壓值。

綜上所述，考慮電解槽自身工作特性，結(jié)合電制氫裝置控制單元方程，建立電制氫系統(tǒng)的控制策略為：風(fēng)儲(chǔ)制氫電站一次調(diào)頻所需功率總量為PWSP，電制氫裝置減載響應(yīng)該功率指令時(shí)，受限于溫度、物料的變化慣性具有響應(yīng)延遲特性。因此，經(jīng)由延遲環(huán)節(jié)得到電制氫裝置的參考功率值，限幅器使得電制氫裝置在工作區(qū)間內(nèi)參與系統(tǒng)調(diào)頻。電制氫裝置需承擔(dān)的功率指令為PP2H，與電解槽兩端實(shí)際電壓Uel作商產(chǎn)生參考電流指令I(lǐng)elref，Ielref與實(shí)際電流Iel作差經(jīng)PI控制得到電制氫裝置的控制信號(hào)Del，與三角波通過(guò)比較器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，電制氫裝置的控制框圖如圖3所示。

3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略研究

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置通過(guò)雙向DC-DC變換器耦合于儲(chǔ)能型雙饋風(fēng)機(jī)的直流母線，DC-DC變換器工作模式分為Buck模式以及Boost模式。

當(dāng)雙向DC-DC變換器處于Buck模式時(shí)控制方程為

Dscbuck=Ks1+Ks2s（Iscref－Isc）+UscUdc（15）

式中：Dscbuck為超級(jí)電容儲(chǔ)能單元雙向DC-DC變換器處于Buck模式時(shí)的控制信號(hào)；Ks1和Ks2分別為電流環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；Iscref和Isc分別為流經(jīng)超級(jí)電容電流的參考值和反饋值；Usc為超級(jí)電容兩端電壓值。Udc為雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)直流母線電壓值。

當(dāng)雙向DC-DC變換器處于Boost模式時(shí)控制方程為

Dscboost=Ks1+Ks2s（Iscref－Isc）+Usc－UdcKs1+Ks2s（Iscref－Isc）+Usc（16）

式中：Dscboost為超級(jí)電容儲(chǔ)能單元雙向DC-DC變換器處于Boost模式時(shí)的控制信號(hào)。

超級(jí)電容采用恒功率控制策略如圖4所示。通過(guò)超級(jí)電容快速充放電，吸收/補(bǔ)償電制氫裝置響應(yīng)延遲及功率限定引起的調(diào)頻功率的差額（即PWSP與PP2H的差值）。超級(jí)電容需承擔(dān)功率指令Psc與超級(jí)電容兩端實(shí)際電壓Usc作商產(chǎn)生參考電流指令I(lǐng)scref，Iscref與實(shí)際電流Isc的誤差經(jīng)PI控制產(chǎn)生控制信號(hào)Dsc，與三角波通過(guò)比較器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，作用于雙向DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)器件。

3.3 風(fēng)儲(chǔ)制氫電站一次調(diào)頻控制模式

結(jié)合上文所提電制氫以及超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略，建立風(fēng)儲(chǔ)制氫電站多能協(xié)同控制策略，其總體控制流程圖如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生改變時(shí)，鎖相環(huán)首先反饋系統(tǒng)頻率改變值。003Hz為系統(tǒng)頻率調(diào)整死區(qū)界限設(shè)定，當(dāng)頻率變化量超過(guò)該設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)動(dòng)作。對(duì)系統(tǒng)頻率跌落情況分析如下：系統(tǒng)頻率跌落時(shí)，原有功率平衡被打破，風(fēng)儲(chǔ)制氫電站需要提供額外的有功功率輸出。因此，電制氫裝置作為一種可控負(fù)荷進(jìn)行減載，超級(jí)電容釋放能量完成系統(tǒng)一次調(diào)頻。風(fēng)儲(chǔ)制氫電站模擬傳統(tǒng)同步機(jī)組的慣量響應(yīng)所需功率由式（6）計(jì)算得到，下垂特性所需功率由式（7）計(jì)算得到，二者功率之和即為調(diào)頻功率總量。該功率指令經(jīng)由延遲環(huán)節(jié)以及限幅器作用，得到電制氫裝置減載的功率指令PP2H，超級(jí)電容補(bǔ)償功率差額，即PSC=PWSP-PP2H。超級(jí)電容以及電制氫裝置經(jīng)由自身的控制環(huán)節(jié)，承擔(dān)對(duì)應(yīng)的功率指令提供額外的功率輸出，輔助系統(tǒng)重建功率平衡，頻率恢復(fù)，完成風(fēng)儲(chǔ)制氫電站一次頻率調(diào)整。頻率上升時(shí)控制機(jī)理見(jiàn)圖5。

4 仿真驗(yàn)證

在SIMULINK仿真軟件中搭建風(fēng)儲(chǔ)制氫電站系統(tǒng)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。仿真模型包括由3組額定功率為75MW的儲(chǔ)能型雙饋風(fēng)機(jī)構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)、同步發(fā)電機(jī)SG、負(fù)荷L1、負(fù)荷L2。

如圖9所示，風(fēng)電場(chǎng)中3個(gè)機(jī)組在不同風(fēng)速下，經(jīng)由交流母線與10組17MW電制氫模塊組成的17MW電制氫系統(tǒng)相連。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)升壓變壓器與負(fù)荷L1、L2和同步發(fā)電機(jī)SG相連。其中同步發(fā)電機(jī)額定功率為100MW，配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與調(diào)速器，L1為30MW固定負(fù)荷，L2為引起系統(tǒng)頻率下降的突增負(fù)荷。風(fēng)電機(jī)組和同步機(jī)組仿真參數(shù)如表2所示。

考慮風(fēng)儲(chǔ)制氫電站的聚合效應(yīng)，設(shè)定三組儲(chǔ)能型雙饋風(fēng)機(jī)分別工作在高風(fēng)速、中風(fēng)速和低風(fēng)速下。突增負(fù)荷在2s時(shí)加入，值為15MW，采用不同控制策略參與系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)系統(tǒng)頻率調(diào)整曲線、調(diào)頻相關(guān)功率曲線如圖7～8所示。圖9描述了采用所提控制策略在不同程度突增負(fù)荷（10MW、15MW、20MW）下的電網(wǎng)頻率變化曲線。

由圖7～8可見(jiàn)，初始狀態(tài)下系統(tǒng)源端與負(fù)荷功率平衡，頻率在合理區(qū)域（即調(diào)頻死區(qū)內(nèi)）波動(dòng)。2s時(shí)系統(tǒng)突增負(fù)荷15MW，功率失衡致使系統(tǒng)頻率下跌。系統(tǒng)頻率最低跌落至4968Hz、72s時(shí)，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至合理區(qū)域，調(diào)頻結(jié)束。2s時(shí)頻率跌落，調(diào)頻功率突增，電制氫受自身特性限制無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)頻功率指令。此時(shí)，超級(jí)電容迅速動(dòng)作，承擔(dān)調(diào)頻功率與減載功率的差值。318s時(shí)，調(diào)頻功率小于減載功率，超級(jí)電容停止動(dòng)作。72s時(shí)，調(diào)頻結(jié)束，電制氫裝置緩慢退出調(diào)頻。由圖9可見(jiàn)，采用所提控制策略參與系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)，負(fù)荷突增區(qū)間為10MW至20MW時(shí)，系統(tǒng)頻率跌落最大值不超過(guò)04Hz，符合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)導(dǎo)則要求［7］。

5 結(jié) 論

針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)制氫電站中風(fēng)電機(jī)組不具備調(diào)頻能力，電制氫裝置與儲(chǔ)能裝置獨(dú)立調(diào)頻時(shí)無(wú)法滿足調(diào)頻需求的問(wèn)題。本文提出了多能協(xié)同調(diào)頻控制策略，結(jié)合了電制氫裝置與儲(chǔ)能裝置功率輸出上的優(yōu)點(diǎn)，提高了風(fēng)儲(chǔ)制氫電站的運(yùn)行穩(wěn)定性。由仿真分析得出以下結(jié)論。

1）采用電制氫裝置作為可控負(fù)荷參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，由于其具有功率輸出大的優(yōu)點(diǎn)，作為參與系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)的主體。然而，受其自身工作特性的限制，實(shí)際響應(yīng)功率與所需調(diào)頻功率具有差值。

2）采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置參與系統(tǒng)調(diào)頻可以快速響應(yīng)調(diào)頻功率指令，輔助系統(tǒng)頻率恢復(fù)，但所需超級(jí)電容配置容量大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差。針對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷突增所引起的頻率跌落問(wèn)題，提出了電制氫減載作為調(diào)頻主體，超級(jí)電容補(bǔ)償差值的多能協(xié)調(diào)控制策略，輔助系統(tǒng)重建功率平衡。通過(guò)仿真分析，采用所提控制策略可以實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)頻功率指令，并在負(fù)荷突增時(shí)快速響應(yīng)，減小系統(tǒng)頻率跌落程度。

綜上所述，本文通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了所提協(xié)調(diào)控制策略能有效減小系統(tǒng)的頻率偏差，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)頻的應(yīng)用和風(fēng)電制氫技術(shù)的推廣具有重要的參考意義。

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（編輯：溫澤宇）

基金項(xiàng)目： 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司科技項(xiàng)目（5230DK22000T）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（2019YFE0100200）.

作者簡(jiǎn)介：張玉瑩（1995—），女，碩士，助理工程師；

許 雷（1993—），男，學(xué)士，助理工程師

通信作者：李 驥（1988—），男，博士，工程師，E-mail：564574343@qq.com