电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析EI北大核心CSCD

高比例新能源和高比例电力电子设备电力系统中,频率安全问题突出。惯量和虚拟惯量被认为是改善系统频率动态的关键因素。针对电力系统频率动态问题,综述并分析不同物理惯量及虚拟惯量的响应特性和影响。分析同步电机惯量、异步电机惯量、直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)惯量、双馈风机(doubly fed induction generator,DFIG)惯量等旋转设备物理惯量对系统频率动态的影响。同步电机惯量、异步电机惯量、双馈风机惯量均会影响频率动态,但响应特性不同。比较电力电子设备虚拟惯量响应2种不同实现方式的区别,分析虚拟惯量响应所需储能以及控制响应延时的影响。电力电子设备可提供频率的稳态支撑加暂态支撑,虚拟惯量控制是暂态支撑的1种,但需要根据系统不同频率动态控制要求研究不同的暂态支撑控制策略。     

电网友好型双馈感应发电机的暂态协调控制策略

以风电运行"电网友好化"为背景,综合考虑电网友好型双馈感应发电机(DFIG)控制策略在应用中的相互影响并提出改进稳定控制策略。以满足并网导则要求的DFIG虚拟惯量控制、暂态有功控制与暂态无功控制3种电网友好型DFIG控制策略为对象,首先分析了暂态无功控制与暂态有功控制对于暂态有功给定的影响,其次分析了暂态有功给定对虚拟惯量控制效果的影响,最后分析了虚拟惯量控制对暂态无功控制效果的影响。在考虑以上3种影响的基础上,针对上述电网友好型DFIG控制策略在具体暂态阶段中相互制约的现象,从最终控制效果出发,提出能够同时改善送端系统在短路故障及其恢复过程中的功角稳定,减小故障期间电压跌落深度的综合控制方案,并通过时域仿真验证了影响分析与改进控制的正确性和有效性。     

双馈风电机组对并网电力系统暂态稳定性的影响模式分析

分析了双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)的励磁特性和暂态响应特性,指出由电磁暂态特征主导的DFIG暂态响应过程快速灵活,不具备类似于传统同步发电机组的功角特性,使其与系统内的同步发电机组间无法构成互同步机制,揭示了DFIG与同步发电机在暂态行为上的本质区别。基于此提出了DFIG以类似于非线性功率源功率的方式参与影响系统暂态稳定性的基本模式,其有功功率和无功功率的暂态特性成为其参与影响系统暂态功角稳定性和暂态电压稳定性的基本方式。基于PSCAD/EMTDC的仿真结果验证了上述理论分析的正确性,指出DFIG将改变同步发电机组的暂态有功功率输出并导致系统惯性的缺失,从而影响系统内同步发电机组的功角稳定和振荡模式;另一方面,DFIG的暂态无功功率补偿能力决定了其对系统暂态电压稳定性的影响,同时通过改变同步发电机组的暂态有功功率响应来进一步影响系统暂态功角稳定性。     

电网对称故障下双馈风力发电机的虚拟同步控制策略

将虚拟同步控制策略运用于双馈感应发电机(DFIG)变频器控制,可使DFIG为电网提供有惯量的频率与电压支撑。但现有虚拟同步控制策略主要关注DFIG对同步发电机机电动态特性的模拟,未考虑DFIG的电磁暂态过程。分析了基于虚拟同步控制的DFIG在电网对称故障下的电磁暂态特性,指出了现有虚拟同步控制策略存在的两大缺陷:无法完全模拟同步电机故障暂态下的电磁关系,且无法抑制转子过电流。提出了一种适用于电网对称故障的DFIG暂态电压补偿虚拟同步控制策略,即通过补偿转子控制电压的暂态分量来抵消或削弱转子暂态反电势对转子过电流的影响。通过仿真对比了现有虚拟同步控制策略与所提策略对DFIG的控制效果,证明了所提虚拟同步控制策略不仅具备更好的惯性支撑能力,同时可显著抑制DFIG转子过电流与电磁转矩暂态冲击,并对系统进行无功支撑,有效提高了DFIG不间断运行能力与电网故障恢复能力。     

含可控惯量发电系统的功角暂态稳定分析与惯性控制策略

具备虚拟惯性的变速风电机组可改善系统频率稳定性,但发电系统的功角暂态稳定也会因可控惯性的改变而发生显著改变。该文首先推导两端接入风电的互联两区域电网的数学模型,并分析在两区域电网中,风电机组的惯性调节对互联系统暂态能量的影响,以评估系统功角暂态稳定性。之后,为改善风电惯性控制对系统功角暂态稳定的不利影响,提出基于暂态能量的双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)变虚拟惯量控制策略,通过快速调节两端区域电网内风电机组的虚拟惯性,不仅可避免故障后快速的惯性响应导致功角失稳,还能够提高系统暂态稳定性。最后,建立高风电渗透率的两区域互联系统仿真模型,验证了所提出的控制策略的有效性。     

双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理分析

随着具备惯量调节能力的双馈风力发电机组大规模接入电网，电网的功角稳定特性变得更加复杂。该文以双馈风机（DFIG）接入两区域互联电网为研究背景，首先推导两区域惯性中心等效模型，分析DFIG直接接入电网时虚拟惯量对两区域惯性中心转子运动方程的影响；然后从系统暂态能量的角度出发，研究系统发生三相短路故障及负荷突增时，系统功角摆动方向不同、两区域互联系统DFIG等效惯量控制环节比例系数不同对系统加速及减速过程中暂态能量的影响，进而研究其对系统功角首摆稳定的影响机理；最后通过系统功角首摆最大偏移量对系统功角首摆稳定性进行评估，并在PSASP仿真软件中搭建两区域系统仿真模型，验证所提理论的正确性。     

基于特征值分析的DFIG风电机组在微电网中的频率控制策略研究

随着电力电子技术的发展,变速恒频DFIG风电机组可通过虚拟惯量控制和超速控制减载运行参与电网频率调整。针对含DFIG风电机组的风光柴中压微电网,采用特征值分析方法,分析DFIG风电机组虚拟惯量控制、超速控制和柴油机调速器控制参数变化时微电网的特征值轨迹,找出反映微电网频率响应特性的典型特征值。并通过分析不同虚拟惯量控制和超速控制参数对应的典型特征值变化轨迹,判断微电网频率稳定性的变化,得到虚拟惯量控制和超速控制参数合理选取范围。为改善频率控制参数选取过大产生的频率振荡问题,进一步改进DFIG风电机组有功功率控制系统PI控制参数,从而在改善微电网频率动态响应特性的基础上提高了微电网小干扰稳定性。最后,在DIg SILENT/Power Factory仿真软件中搭建微电网模型,通过动态时域仿真验证所提方法对提高微电网频率稳定性和小干扰稳定性的有效性。     

双馈风电机组对接入区域系统暂态功角稳定性的影响分析

系统惯性中心的动态行为可以有效地反映系统的整体动态趋势。基于系统惯性中心的动态数学模型,推导了双馈风电机组(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)接入后的系统惯性中心运动方程。并通过分析DFIG接入对系统惯性中心运动方程中关键因素的影响,揭示了DFIG以不同方式接入系统时对系统惯性中心功角加速度暂态响应的影响机理。当DFIG直接接入系统时,系统惯性中心的暂态功角加速度的变化趋势主要取决于DFIG的接入容量和暂态功率响应特性。当DFIG等容替代同步发电机组接入系统时,DFIG的暂态功率响应和被替代同步发电机组的功率和惯量在原系统中的比重大小将共同决定系统惯性中心的暂态功角加速度的变化情况。仿真结果验证了理论分析的有效性和正确性。     

含风电孤立中压微电网暂态电压稳定协同控制策略

分析了孤立中压微电网中双馈异步风力发电机组(DFIG)与动态负荷的暂态运行特性。为改善含DFIG微电网的暂态电压稳定性,提出了基于就地层储能稳定控制、DFIG快速变桨控制和甩动态负荷的暂态电压稳定协同控制策略。基于PSCAD/EMTDC建立了东澳岛中压微电网系统和稳定控制策略模型,研究结果表明,微电网暂态电压稳定性与微电网中风电渗透率和负荷特性密切相关;在大扰动下,提出的暂态电压稳定协同控制策略能有效增强微电网的电压稳定性。     

基于改进粒子群算法的阻尼惯量自适应控制策略

针对传统虚拟同步发电机控制策略存在暂态调节时间长及稳定性差等问题,提出一种基于改进粒子群算法的阻尼惯量自适应控制策略。首先,通过分析系统受扰动后功角特性,提出阻尼惯量自适应控制策略;然后,利用改进粒子群算法选择控制策略初始值,给出关键参数的选取原则及具体范围;最后,通过与现有控制策略进行对比,分析不同惯量及阻尼下对系统影响并验证控制策略的优越性。结果表明,该策略可有效提高系统稳定性及动态响应性能。     

弱电网下基于虚拟母线电压控制的双馈风机稳定性优化研究

为了提高弱电网下双馈风机并网的稳定性,研究了弱电网下基于虚拟母线电压控制的双馈风机稳定性优化问题。首先建立了双馈风机系统接入弱电网的小信号模型,基于特征值分析法,发现电网强度较弱或风机输出功率较高时,会导致系统稳定性变差甚至振荡失稳。然后提出了一种弱电网下提高双馈风机稳定性的虚拟母线电压控制方法,相当于改变了锁相环跟踪并网点的位置,降低了电网阻抗,等效为提升了风机并网点的电网强度。接着分析了虚拟母线电压控制对系统稳定性的影响效果并分析了补偿因数和时间常数的设计范围,研究发现系统稳定性随着补偿因数的增加而增强,随着时间常数的增加而变弱。在Matlab/Simulink中搭建了双馈风机接入弱电网的时域模型并在半实物平台中进行实证,验证了该优化控制方法的正确性和有效性。     

双馈风力发电机虚拟同步控制策略研究

双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)可通过虚拟同步控制方法为电网提供电压及频率支撑,优化机组并网特性。传统的虚拟同步控制技术以模拟同步发电机机电动态特性为主要目标,未对电磁暂态的DFIG控制进行深入分析。当电网发生不对称故障时,分析虚拟同步控制DFIG的故障特性,发现传统控制方法无法抑制电磁转矩振荡与DFIG故障电流。因此,基于电网不对称故障,本文提出DFIG电压补偿虚拟同步控制方法,通过对转子电压故障分量进行补偿,提高DFIG转子电压响应速度,减少其反电动势故障分量。通过对传统及电压补偿虚拟同步控制方法控制效果的仿真对比可知,电压补偿虚拟同步控制方法可对电磁转矩的持续振荡及暂态冲击进行有效抑制,明显降低了DFIG转子的故障电流,提高了DFIG不对称故障穿越能力。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略

针对双馈风电机组(DFIGs)不具备调频控制能力的问题,设计DFIG一次调频控制策略,实现了DFIG参与电网一次调频。研究DFIG功率控制原理和频率响应过程,并考虑虚拟惯量、频率下垂控制对应的响应时间尺度不同,提出基于虚拟惯量和频率下垂控制的DFIG一次调频策略,增强了DFIG应对频率变化时的暂态和稳态功率调节能力。基于RT-LAB软件搭建了DFIG频率响应控制的半实物仿真平台,仿真与实测结果验证了该方法能够有效提高DFIG电网频率适应性。     

基于定子虚拟阻抗的双馈风电机组虚拟同步控制策略

随着可再生能源的渗透率越来越高,分布式电源面临多重挑战,虚拟同步发电机技术模拟同步发电机运行机制,成为有效解决方法之一。以双馈风电机组为研究对象,研究分析其虚拟同步控制策略,使双馈风电机组具有更大的惯性和频率支撑能力。内环采用改进型双馈风电机组定子电压、转子电流双闭环控制结构,并且建立定子电压控制模型及发电机输出阻抗模型。针对并网时功率存在的耦合问题,采用基于自适应的定子虚拟阻抗控制策略,实现了双馈风电机组并网功率的解耦。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

电压控制的DFIG对风火打捆系统暂态稳定性的影响

风火打捆外送是解决风电消纳问题的重要措施,但风火打捆系统联络线潮流重,在发生大扰动时系统失稳风险较大。因此,提高风火打捆系统的暂态稳定性具有重要意义。结合简单风火打捆系统,采用等面积法则分析了DFIG采用定电压控制、定功率因数控制对系统暂态稳定性的影响。DFIG采用定电压控制,在扰动后可以向系统提供较多的无功功率,从而提高发电机电压,增加发电机输出的有功功率,增大减速面积,从而提高系统的暂态稳定性。最后,通过仿真算例分析验证了本文的结论。     

基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术

基于电力电子换流器并网的变速恒频风力发电机组对电力系统的惯性几乎没有贡献,这将成为风电场大规模接入电网之后面临的新问题。在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上,研究双馈机组的虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化的关系,提出双馈风电机组的虚拟惯性控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线,从而释放双馈机组"隐藏"的动能,对电网提供动态频率支持。通过对含20%风电装机容量的3机系统的仿真分析,验证该控制策略在系统出现功率不平衡后,能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力,从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性。     

改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性研究

提出了改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性的措施以实现风电场的低电压穿越(low voltage ride through, LVRT)功能。目前，大部分基于双馈感应发电机的变速风电机组不具有故障情况下的暂态电压支持能力，当电网侧发生严重短路故障时，风电场的暂态电压稳定能力会影响到电网安全稳定。该文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了具有暂态电压支持能力的变速风电机组转子侧变频器控制模型及用于故障后稳定控制的桨距角控制模型，通过包含风电场的电力系统仿真计算验证了模型的有效性及其对风电机组和电网暂态电压稳定性的贡献。仿真结果表明，当电网侧发生三相短路故障时，风电机组转子侧变频器暂态电压控制能够控制风电机组发出无功功率支持电网电压；桨距角控制能有效降低变速风电机组机械转矩，避免出现风电机组超速及电压失稳。得出结论：采用变频器暂态电压控制及桨距角控制能够改善基于双馈感应发电机的并网风电场的暂态电压稳定性，确保风电机组低电压穿越(LVRT)功能的实现及电网安全稳定。     

接于弱电网的双馈感应发电机在定子故障情况下的无功功率控制策略

针对双馈感应发电机(DFIG)发生定子绕组匝间短路(SWITSC)故障后对弱电网并网点电压稳定性的影响问题,构建了含SWITSC故障DFIG的弱电网模型。通过仿真分析和理论分析得到如下结论:DFIG发生SWITSC故障后输出无功、有功功率将变化进而导致弱电网并网点电压降落,而不同的输电线路阻抗比、电网强弱程度以及DFIG的SWITSC故障严重程度均会影响DFIG的输出无功、有功功率。针对上述影响,基于维持并网点电压稳定的目的,提出了一种改进的DFIG输出无功功率控制策略。仿真结果表明,该控制策略充分发挥了DFIG的无功功率调节能力,在SWITSC故障情况下可以有效遏制并网点电压的降落,在正常情况下则与常规控制策略等效。