基于DFIG虚拟惯量的微电网双维自适应动态频率优化控制

为了解决微电网高风电渗透率带来的惯性不足问题,需要利用虚拟惯量控制等手段来释放新能源的调频能力。通过对双馈感应风电机组(doubly fed induction generator, DFIG)的虚拟惯量控制进行研究,使虚拟惯量在适应风速变化的同时,适应动态频率调整不同阶段的取值要求,从而实现双维自适应控制。此外,利用深度信念网络预测动态频率调整的指标,从而优化双维自适应虚拟惯量的控制参数。微电网中仿真验证的结果表明,双维自适应控制策略可有效防止频率突变,能够减小扰动后的动态频率偏差及频率恢复的时间,展现出了更优的调频效果。研究结果可为风电机组参与调频的相关控制研究提供参考。     

计及辅助服务的微电网源荷协同调频优化控制策略

针对含高比例新能源微电网中调频资源缺乏且源荷参与调频意愿较低而导致的系统频率稳定性下降问题,通过辅助服务机制激励风电机组与可控负荷提供调频辅助服务,提出一种计及综合经济效益最优的源荷协同调频优化控制策略。该策略根据双馈异步风电机组调频、可控负荷一次调频、柴油机惯量调频以及一次调频计算提供辅助服务的效益和成本,综合考虑微电网的调频经济效益及调频效果,利用深度信念网络优化双馈异步风电机组的减载率、虚拟惯量、下垂控制及可控负荷的控制参数,实现双馈异步风电机组、可控负荷及柴油机多时间尺度的协同调频。通过搭建高比例新能源微电网模型仿真验证了源荷协同调频优化控制策略的有效性,使源荷提供辅助服务后能获得最优经济效益以及较好的调频效果,可有效挖掘源荷提供调频辅助服务的能力。     

基于可变系数的双馈风机虚拟惯量与超速控制协调的风光柴微电网频率调节技术

为了提高风光柴微电网孤岛运行时的频率稳定性,将变速恒频双馈感应风力发电机(DFIG)和柴油机作为调频电源,通过DFIG的虚拟惯量、转速和桨距角的协调控制与柴油机的一次调频相配合,共同抑制负荷波动和风速变化引起的微电网频率变化。低于额定风速时,DFIG采用虚拟惯量控制和超速控制;高于额定风速时,采用虚拟惯量控制和自动桨距角控制。以此弥补虚拟惯量控制作用时转速恢复过程的功率跌落问题,并为微网提供持久的功率支撑。为保证此调频策略在时变风速中的有效性,通过不同风速下的参数分析制定了DFIG的虚拟惯量控制系数曲线与功频静特性系数曲线,实现了可变系数控制。并在DIgSILENT PowerFactory软件平台上搭建了包含柴油机、DFIG、光伏电池的微电网模型,验证了此策略的有效性。     

风电机组虚拟惯量控制的响应特性及机理分析

虚拟惯量控制是风电机组参与系统调频的一种有效方式。基于风电机组比例微分(PD)虚拟惯量控制的基本原理以及单机并网系统的频率响应简化模型,对PD虚拟惯量控制的响应特性及机理进行了分析,推导了PD虚拟惯量控制与系统频率的量化关系。分析结果表明:风电机组PD虚拟惯量控制本质上为暂态频率调节过程,比例控制主要影响系统暂态频率响应的最低值,微分控制主要影响系统频率的下降速度和达到频率最低值的时间。利用实验室风电并网实验平台,在相同负荷扰动下增大PD虚拟惯量控制的比例系数后,风电机组参与系统调频的转子动能增加,最大频率偏差由0.84 Hz减小为0.59 Hz,风机转速由15.7 rad/s降低为13.4 rad/s;而增大微分系数后,系统频率的下降速度减小。实验结果与理论分析结果一致,从而证明了所述特性分析和机理分析方法的有效性,为风电机组虚拟惯量控制的参数整定和控制方法优化提供了一定的理论参考。     

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。     

风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时,其本质是带延时的快速功率响应,但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时,虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此,提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先,通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节,建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型;其次,基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析,求得系统频率最低点的解析表达式;然后,解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型,并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步,在设定下垂控制参数下,对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系,得出结论：适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量,并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后,建立仿真模型,并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。     

基于双馈感应风力发电机虚拟惯量和桨距角联合控制的风光柴微电网动态频率控制

微电网孤岛模式下的频率稳定性是微电网安全稳定运行的重要保证。为提高微电网频率动态特性,通过在双馈感应风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)中加入虚拟惯量控制环节,增加微电网惯性,释放转子中储存的部分动能为微电网频率提供动态支持;为解决虚拟惯性控制环节加入后转子转速恢复过程中DFIG的有功功率跌落问题,采用桨距角控制,在频率跌落时释放DFIG备用功率,从而弥补转速恢复过程的功率跌落,并减小电网的稳态频率偏差。结合DFIG虚拟惯量特性和桨距角控制,配合柴油机的一次调频功能,有效抑制了负荷变化引起的微电网频率波动。最后在DIgSILENT PowerFactory仿真软件中建立含柴油发电机、光伏电池、DFIG的微电网控制模型,验证了所提策略的有效性。     

基于状态观测器的风电机组单机储能系统虚拟惯量控制

随着风电在电力系统中的渗透率越来越高,特别是大规模风电场或风电集群集中接入电网,风电出力的波动性对电力系统的调度和频率稳定等诸多方面带来了不可忽视的影响。针对变速恒频风电机组通过变频器并网、机组功率与系统频率完全解耦、不具备惯量响应特性的问题,就风电机组单机储能系统基于扩张状态观测器提出一种利用储能补偿风电机组惯量的控制策略。该控制策略采用扩张状态观测器估计系统频率的变化率,将未知测量噪声和外部扰动作用作为扩张状态进行估计可较好地解决频率变化率测量中的噪声对控制效果干扰的问题。同时还可以通过变参数控制实现风储联合系统虚拟惯量的动态调节。以1.5MW直驱风电机组配备350kW储能为对象的仿真结果表明该策略能够在不影响风电机组最大功率追踪的情况下,有效补偿风电机组虚拟惯量,使风储联合系统输出功率迅速响应系统的频率变化,较比例微分(PD)虚拟惯量控制能更好地抑制电网频率波动,提高风电机组对电网的频率支撑能力。     

基于协同控制优化风储系统频率响应的策略研究

风电机组的友好型调频控制对改善风电并网系统的频率响应特性具有重要作用。该文在分析最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)运行风电机组,利用变比例系数调速、飞轮储能基于功率调节实现频率支撑可行性的基础上,从优化风储系统频率响应特性出发,基于协同控制理论,提出飞轮储能协同MPPT运行风电机组提供频率响应的两层协同控制方案。通过将频率偏差和风电机组虚拟电气惯量线性组合构成宏变量,并利用宏变量的零输入响应控制流形,设计实现不同风速风电机组协同提供频率支撑的变比例系数调速策略。进一步,基于频率偏差、储能调频功率指令和风电机组虚拟惯量的线性组合构成宏变量,采用相同的控制流形设计飞轮储能协同风电机组提供频率支撑、快速恢复风电机组MPPT运行和避免频率二次扰动的附加调频有功调节策略。最后,利用风电并网系统的负荷频率扰动,验证所提协同控制的有效性,结果表明,该策略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。     

考虑风速时空分布及机组运行状态差异的风电场有效惯量估计

风电机组采用虚拟惯量控制的能量主要来源于转子动能。受风速不确定性以及机组自身状态影响，风电惯量水平难以估计。针对此问题，提出了考虑风速时空分布和机组运行状态差异的有效惯量估计方法。首先，建立风电场风速分布概率模型，利用混合Copula函数在相关性拟合方面的优势，结合尾流效应快速分析相邻机组风速。其次，对不同运行状态以及不同控制参数下的风机虚拟惯量响应过程进行解析。最后，提出了考虑风速时空分布及机组运行状态差异的风电场有效惯量估计方法。根据某风场实际数据构建了风电场惯量响应仿真模型，验证了所提风速相关性模型具备较高的计算效率与准确度；评估得到的有效惯量响应能力能够较真实反映风机的实际响应过程。     

基于虚拟阻抗的微网功率分配策略研究

孤岛模式运行的微电网,其稳定性和可靠性要求各发电单元均衡分担负荷,电能质量要求系统电压和频率波动在一定范围内。采用传统下垂控制的微电网,电压和频率波动受负荷影响,电源输出特性与输电阻抗等因素有关,无法满足以上要求。本文分析了功率均衡分配条件,利用虚拟阻抗实现功率解耦和无功功率合理分配。针对虚拟阻抗以及下垂控制造成的母线电压降低,引入计算母线电压重新设计无功下垂方程,降低负荷变化和虚拟阻抗对母线电压的影响,保证其波动在规定范围内,提高了微网电能质量。     

自抗扰技术在微电网下垂控制策略中的应用

针对传统微电网下垂控制策略中控制参数整定复杂,以及受电网电压、负荷波动影响较大等问题,提出一种基于自抗扰技术的微电网下垂控制策略。该控制策略能够维持微电网在孤岛和并网模式下的稳定运行。自抗扰控制结构较强的抗干扰能力,能够有效抑制各参量的波动,对电网的不确定性干扰具有较好的抑制作用,且设计方法简单易行。仿真结果表明,当负荷发生变化时,该控制策略能够有效地调节微电网内功率的平衡,保证微电网电压和频率的恒定,对微电网起到支撑作用。     

基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略

微电网作为分布式电源的有效载体,通过分布式电源并联连接形成独立电网。而微电网中传统下垂控制的输出频率动态响应速度快,在负荷频繁波动下易受到较大扰动。为了提高微电网频率的动态稳定性,文中提出了一种基于自适应虚拟惯性的同步发电机的控制策略,该方法模拟同步发电机的行为,构造频率变化率与虚拟惯性的关系,自适应改变虚拟同步发电机控制的惯性,从而提高微电网系统抗干扰能力和过载能力。相比于传统的交替惯性方法,所构造的自适应惯性算法不需要采样频率微分项,避免了引入系统噪声,同时实现了惯量的平滑灵活调节,具有较强的鲁棒性。另外,利用李雅普诺夫稳定理论分析了所提算法的收敛性和稳定性。仿真和实验结果表明所提方法提升了微电网频率的动态稳定性,从而验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

柴发主电源型孤岛微电网频率优化控制方法

针对以柴油发电机(Diesel Generator,DG)为主电源的孤岛微电网,存在负荷扰动下频率波动大、动态响应慢等问题,本文提出一种改进辅助调频方法以改善系统的动态响应过程。首先,建立了柴油发电机系统的模型,分析了柴发主要参数包括转动惯量、响应延时对柴发动态过程的影响。其次,提出储能(Energy Storage System, ESS)在下垂控制的基础上,增加惯量调频的方法进行辅助调频,并给出了适用于工程应用的储能辅助调频参数设计以及储能功率裕度设计方法,并通过建立柴储并列的小信号模型分析了该系统的稳定性。最后,搭建了柴储微电网的动模试验平台,试验结果表明,应对微电网内的静止负荷或者电动机类负荷,本文所提控制策略均可以有效减小系统在动态过程中的频率波动。     

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.     

光储直流微网混合储能控制策略研究

混合储能相较于单一储能可以更好地解决微电网电压、频率波动等问题。为了充分利用混合储能系统的优势,使各储能电池优势互补,并考虑到储能变换器弱阻尼、低惯性的特点,提出了基于虚拟直流发电机控制的混合储能单元分频控制策略。该控制策略在混合储能单元分频控制的基础上,对功率密度电池储能变换器采用虚拟直流发电机控制,以增大功率密度型储能的阻尼和惯性,提升直流母线电压的动态稳定性。为验证其有效性,在微源变化和负荷波动2种工况下与传统下垂控制进行仿真对比分析,结果表明所提策略可使母线电压的波动范围限制在±0.75%以内,增强了系统的鲁棒性和稳定性并优化了储能单元的充放电性能。     

微电网孤岛模式下虚拟同步发电机的频率控制研究

在微电网孤岛运行方式下采用传统虚拟同步发电机的控制方式,仅具有一次调频的功能;利用虚拟同步发电机控制参数灵活的特点,提出了一种改变下垂控制系数的二次调频策略,该策略利用频率和负荷变化量即可整定出新的下垂控制系数;虚拟同步发电机可根据负荷变化过程中频率是否超过其限定值,在一次调频控制和二次调频控制间灵活的切换,实现了微电网支撑频率的目的,提高了微电网抵御负荷变化的能力。最后通过MATLAB/Simulink仿真实验平台搭建了微电网的孤岛运行模型,验证了微电网孤岛模式下频率控制策略的正确性和有效性。     

虚拟复阻抗下的低压并联逆变器改进下垂控制策略

线路参数以阻性为主的逆变器并联系统中,通过在传统的P-f /Q-U下垂控制中引入虚拟阻抗实现负荷均分控制,会导致系统总阻抗增大,造成线路电压的进一步下降。针对上述问题,提出了一种基于虚拟复阻抗的改进下垂控制策略。通过设计虚拟复阻抗的值达到功率解耦的目的,并对下垂控制环进行改进。通过仿真结果分析,采用自适应下垂控制及电压补偿的方法,实现了微电网的电压补偿及功率均分,提高了电压质量,并保证系统频率在稳定的范围内波动,加快了系统的动态响应,提高了系统的稳定性。     

双馈风力发电机组惯量阻尼特性与改进附加频率控制策略

大规模风电场集中并网并经高压输电线输送到负荷中心,当输电线路发生短路故障时,送端会出现短时功率过剩,当故障解除线路恢复正常运行后,系统对送端功率需求又瞬时增大。研究发现已有的双馈风力发电机组(DFIG)基于虚拟惯性控制和下垂控制的附加频率控制策略,对负荷突变引起的频率波动控制效果显著,但对于输电线路短路故障发生到解除全过程所引起的频率波动控制存在局限性。对此,提出DFIG参与系统调频的改进附加频率控制策略,根据系统频率变化规律修正DFIG常规附加频率控制中的参数,使DFIG在输电线路故障发生到解除全过程中保持有效的惯量阻尼特性,并随系统频率变化迅速调整出力,提高系统频率动态特性。最后应用MATLAB/Simulink搭建4机2区域模型进行仿真分析,结果表明：该控制策略可有效降低DFIG频率波动幅值,调频效果得到显著改善。