基于电力电子接口的储能系统惯性特征研究

该文从惯性参考系下宏观物体的惯性特征入手,通过惯性是能量的固有属性这一物理观点,引出电势能和磁场能惯性的概念并给出其表征方法。根据能量守恒定律,给出电势能与磁场能的等效转动惯量的计算方法,形成基于电力电子接口的储能系统惯性特征理论研究方法。在此基础上,以电池储能系统为例,论证储能电池本体及储能变流器的等效转动惯量计算方法。通过搭建储能系统仿真模型,对比不同控制方式下储能变流器等效转动惯量参与系统调频响应,并验证在虚拟同步发电机控制方式下的储能变流器及储能系统等效转动惯量计算方法的有效性。     

基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制

双馈风电机组采用电力电子变流器控制使得机械部分与电气部分解耦,大规模风电并网后电力系统总有效转动惯量下降,增加了系统的调频压力。文中通过对双馈风电机组运行及控制特性的分析,研究给出了反映机组有效储能的等效虚拟惯性时间常数的计算方法,提出了基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化以及动态识别机组运行状态,修改控制参数控制机组有功输出,释放或吸收机组有效动能,对电网提供动态频率支撑。在理论分析基础上进行时域仿真验证,仿真结果表明,双馈风电机组变参数虚拟惯量控制在机组各种运行工况下实现了对系统频率的有效支撑,提高了电力系统频率稳定性,且保证了机组调频过程中自身运行的稳定性。     

双馈风电机组变系数虚拟惯量优化控制

传统的变速恒频风力发电机采用电力电子变流器控制,导致机组输出功率与系统频率解耦,使风力机无法响应系统频率变化,降低了系统转动惯量。在分析双馈风力发电机运行特性和虚拟惯量特性的基础上,研究了双馈风力发电机采用虚拟惯量控制的机组转速变化与输出功率的关系,提出了同时考虑调频效益和调频成本的变系数虚拟惯量控制策略。该控制策略分别以调频时双馈风电机组输出功率、转速恢复时间衡量调频效益、调频成本的大小,并采用遗传算法离线计算机组不同运行状态下的调频系数曲线和机组转速变化程度的最优值,以实现机组频率控制系数随机组转速变化而改变。根据计算所得调频系数曲线在MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,结果表明所提方法能够使双馈风电机组在不同运行状态下响应系统频率变化,并保证机组自身稳定运行。     

风力发电对系统频率影响及虚拟惯量综合控制

针对大规模风电接入引起系统等效转动惯量下降、系统频率稳定风险上升的问题,在分析电力系统调频过程与风电常规虚拟惯量调频的基础上,建立了含风电的电力系统频率动态响应模型,研究了风电及调频参数对系统频率动态特性的影响及变化规律。提出了基于选择函数的风电机组新型虚拟惯量综合控制方法,利用有限风电机组转子动能,有效增加了系统等效转动惯量,同时避免了传统控制所造成的功率二次跌落。在MATLAB/Simulink中建立了系统仿真模型,仿真验证了控制策略有效性及对频率动态特性的改善作用。     

计及功率响应延时补偿的换流器接口电源等效惯量估计方法

随着大量基于换流器接口的新能源电源的接入,系统转动惯量下降。新能源电源采用虚拟惯量、一次调频控制可以提高其主动支撑电网频率的能力。根据换流器接口电源频率控制响应特性,文中提出了一种计及功率响应延时的换流器接口电源等效惯量估计方法。首先,测量换流器接口电源并网点的节点频率和有功功率,通过节点频率判断调频控制是否被触发。然后,通过对触发调频控制后并网点的有功增量进行长时间尺度的积分,计算等效一次调频系数及有功响应延时。最后,修正并网点投入虚拟惯量后的有功增量并计算等效惯量。利用实时数字仿真系统和风光储频率控制器构建了闭环实时仿真系统,验证了所提方法在系统发生不同扰动、不同调频控制策略参与下等效惯量估计的正确性,并分析了算法关键参数设置对响应延时计算准确性的影响。仿真结果表明,所提方法适用于换流器接口的等效惯量估计,具有较高的精度。     

基于协同控制理论的微电网频率控制

为提高微电网频率响应的动态性能，提出一种基于协同控制理论的微电网频率稳定性控制策略。根据微电网频率特性与微源的调频特性，基于协同控制理论构建含有系统动态性能及控制指标的宏变量，由定义的控制流形推导出微电网频率调节的协同控制律，设计了一种微电网协同控制器。其中储能装置在系统受到扰动时迅速参与调频，通过释放或吸收功率，减小频率的恶化程度，同时柴油发电机根据储能功率变化量与系统频率对微电网的功率进行调节，保证了微源侧供电的可靠性。最后基于MATLAB/Simulink软件搭建仿真平台，对所设计的控制策略进行验证，对比分析了不同控制方式下微电网调频效果。仿真结果表明所提出的协同控制器可以在微电网功率发生扰动时，充分利用微源的调频特性，快速平抑微电网内功率不平衡产生的频率波动。     

基于代理模式的电动汽车参与调频服务PSASP建模

电动汽车(Electric Vehicle)作为电网中移动式储能单元,在向电网"索取"电能的同时,也可提供应急电源、调频等V2G(Vehicle to Grid)服务,使电网运行更加安全经济。电动汽车接入系统建模是各种分析计算的基础。本文基于控制逻辑,提出了等效智能充电机的概念;并借鉴其它电力系统储能元件的控制方法,分析了基于代理模式的电动汽车参与调频的控制策略;运用PSASP中用户自定义建模方法建立了电动汽车参与调频服务模型;最后,利用该模型对EPRI 7系统进行了仿真计算。结果表明,该模型能够很好地反映电动汽车系统频率响应特性,并根据频率偏差调整调频功率从而控制系统频率回至额定值的过程。所建模型可用于复杂电网的分析计算。     

基于等效氢耗特征的孤岛电-氢混合储能多微电网功率自适应分配控制方法研究

在含电–氢混合储能系统的复杂多微电网中，为解决不同规模及类型微源所导致的公共负荷难以合理分配进而使交流母线电压频率失稳的问题，提出了一种基于等效氢耗的孤岛复杂多微电网功率分配自适应控制方法。该方法将微电网内不同微源承载能力等效为氢耗，统一评估不同微电网的载荷裕量，并根据实际微源的动态特性和运行机理自适应改变多虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)一次调频分配系数，实现了通过分布式控制对公共负荷的实时合理分配。此外，所提出的VSG自适应控制方法通过识别频率变化快慢，使转动惯量和阻尼系数协同自适应控制。实现了减小频率波动超调量的同时提高系统的响应速度。最后，开展半实物实验，对所提方法的有效性进行了验证。     

新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制方法综述

在“双碳”战略目标下,我国将构建高比例新能源电力系统。高比例新能源电力系统的转动惯量和调频容量降低、故障冲击功率提升,使大电网暂态频率稳定受到威胁。当前的调频控制方法及其所依赖的分析模型难以很好地适用于高比例新能源电力系统。为适应暂态频率稳定要求,需探索新的调频控制方法。为了更好地理解高比例新能源电力系统的暂态频率稳定问题,准备调频应对策略,对暂态频率稳定分析与调频控制方法的研究现状进行综述和展望。首先,归纳现有暂态频率分析模型,然后从系统和厂站2个层面梳理了调频控制方法的研究现状,从分析基础出发归纳不同调频控制方法的适用特性。最后,总结了高比例新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制的特征变化及其影响,并对未来可能的发展思路进行展望。     

基于一致性算法的直流受端电网分布式调频资源协同频率控制

直流受端电网中大容量直流功率的馈入和大量分布式光伏及储能经电力电子变换器接入,导致受端电网同步机电源逐渐被取代,系统等效惯量下降,严重影响了受端电网的频率特性。因此,挖掘电网调频资源、增加电网频率控制的灵活性十分重要。针对上述问题,基于一致性算法,提出了利用受端电网中配电网的分布式调频资源,包括分布式光伏、储能、柔性负荷等协同参与电网一次调频的分布式控制方法。该控制方法能够有效应对由于调频资源数量大而导致的计算难度增大问题,并可通过定时刷新分布式调频资源的运行状态并自适应计算频率响应系数,实现在故障发生时快速响应频率变化。通过对等效直流受端电网中配电网调频资源以不同控制策略参与频率调节的仿真对比分析,验证了文中方法对直流受端电网频率调节的有效性及经济性。     

VSG虚拟惯量动态区间控制策略

随着高渗透率光伏发电系统接入大电网,光伏逆变器因为缺乏转动惯量支撑严重威胁了系统稳定性。根据传统发电机模型,建立了光储结合形式的虚拟同步发机电（virtual synchronous generator,VSG）等效模型。根据功率守恒原则,在光伏输出功率波动或者负载波动时,因储能环节的存在以及功率的可控性,蓄电池可以提供类似于同步发电机的转子暂态功率。由于蓄电池不同于转子通过转动储存能量的特性,在不同蓄电池荷电状态（state of charge,SOC）下,蓄电池可以提供不同的惯性支持,同时需要最小转动惯量来保证系统频率的稳定性。文章提出了根据蓄电池SOC变化和以频率改善为目的的改进VSG优化控制方案,最后通过MATLAB/simulink仿真,验证了其理论分析的有效性。     

计及虚拟惯量控制的DFIG等效惯量在线评估与响应特性分析

虚拟惯量控制的引入提高了双馈风机的频率调节能力,然而其惯量表现形式依赖于不同控制方式,导致其惯量响应特性不尽相同,亟需实现对其惯量水平及变化特征的准确感知。对基于转子动能虚拟惯量控制的双馈风机等效惯性定量表征及响应特性问题展开研究。首先,基于利用转子动能的虚拟惯量控制策略,建立了双馈风机在转子转速时间尺度下的简化模型,进而理论推导了双馈风机等效惯性常数的数学解析式。其次,针对解析式中双馈风机控制参数的“黑箱”问题,提出了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波的控制参数在线辨识方法。在此基础上,利用双馈风机稳态运行下的量测信息在线评估双馈风机等效惯性常数,定量表征双馈风机的惯量支撑能力。最后,在改进的四机两区仿真系统上验证了该方法的准确性。仿真分析结果表明：虚拟惯量控制参数主要影响惯量响应过程的初始阶段和恢复阶段,速度控制器参数主要影响惯量响应过程的恢复阶段和稳定阶段。     

基于模糊控制的储能参与一次调频综合控制策略

针对储能调频控制模式间以临界值方式直接切换造成功率跃变及储能荷电状态（SOC）过高过低,储能出力受限问题,提出一种基于模糊控制的储能参与的一次调频综合控制策略。首先,分析储能虚拟下垂、虚拟惯量和虚拟负惯量控制参数对系统频率响应的影响,确定各控制参数调频优势和稳定变化范围;其次,设计含虚拟负惯量控制的模糊控制器,实现控制模式之间的平滑切换和优势互补,加快频率恢复;最后,采用logistics函数设计SOC反馈控制策略和SOC自恢复控制策略,使储能容量得到更好的保持,提高储能的调频能力。仿真实验验证了所提策略的有效性。     

能量约束下电力电子并网装备的最优频率控制

大规模新能源并网导致现代电力系统的旋转惯量相对减少,频率动态特性变差。为支撑系统频率,通常要求新能源发电装备具备一定的惯量模拟或一次调频等附加控制功能,但目前在新能源的最优频率支撑方面研究较少。文中以最优控制为切入点,初步探讨了当参与调频的新能源存在能量约束时,作为并网接口的电力电子装备的最优功率支撑轨迹以及近似的最优控制结构。首先,从理论上推导并给出了多机系统的频率共模分量。该共模分量主导了电网的频率跌落特性。然后,基于高斯伪谱法研究了能量约束下电力电子装备在系统频率跌落时的最优支撑轨迹。最后,探索了电力电子并网装备支撑电网频率的最优反馈控制结构,指出虚拟惯量控制加下垂控制近似于最优的控制结构,且在可调用的能量较小时单独使用虚拟惯量控制优于下垂控制。仿真验证了理论分析和所讨论的频率最优控制结构的合理性。     

基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制策略

针对高风电渗透率下的频率恶化问题,提出一种基于动态任务系数的储能参与一次调频的综合控制策略.首先,在惯性响应阶段采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制;在一次调频阶段采用虚拟下垂控制和虚拟负惯性控制.其次,基于双曲正切函数分别构建适应于惯性响应阶段和一次调频阶段的动态任务系数模型,根据频率偏差变化率和频率偏差的变化,动态调整一次调频过程中虚拟惯性控制、虚拟负惯性控制及虚拟下垂控制所承担的调频任务比例.根据储能荷电状态(SOC)和系统最大频差来调整负惯性控制单位调节功率,从而加速频率恢复;在虚拟下垂控制的基础上,提出变虚拟下垂控制单位调节功率方案,使虚拟下垂控制单位调节功率随SOC自适应变化.最后,以某区域电网为例,在阶跃负荷扰动和连续负荷扰动工况下验证了所设计策略的有效性.     

高风电渗透率下考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法

提出了一种高风电渗透率下考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法.以频率变化率和频率偏差为限制条件,建立新能源系统所能承受的最大功率增量与等效惯性常数、调差系数以及风电渗透率等已知参数的联系.通过对3阶虚拟同步机控制策略下的储能系统容量与控制参数进行量化配置,提高不同风电渗透率系统对不平衡功率的消纳能力.以储能配置在频率支撑中贡献的等效单位调节功率为参考,对不同功率增量下储能系统的频率响应贡献、调频出力占比以及输出功率特性进行刻画与分析.仿真验证了该配置方法下的储能系统可控性强,能够较为精准地提供电网所需的有功调节量,有效改善风电并网环境.     

储能电池与常规机组配合参与一次调频的自适应控制策略

为充分发挥电池储能系统与常规机组在一次调频中的各自优势,文中对储能采用下垂控制与虚拟惯性控制结合的控制策略,通过设置随频率偏差变化而调整的下垂系数,实现增发功率在常规机组与储能之间的合理分配;为避免储能电池发生过充过放现象,提出一种考虑SOC反馈调整出力的自适应控制策略;电网中储能容量配置不如常规机组,设计一种储能适时投入与退出调频的控制策略,使储能在频率急剧变化或偏移至常规机组一次调频能力范围外时投入调频;在频率基本稳定时储能平稳退出调频以保持SOC。最后利用Digsilent/PowerFactory软件对区域电网分别进行阶跃负荷扰动和连续负荷扰动仿真实验,结果表明在阶跃扰动下该控制策略可显著改善暂态频率特性,在连续扰动下可以兼顾频率偏移指标与SOC的保持。