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。     

基于自适应虚拟惯量的孤岛VSG频率动态响应控制

虚拟同步发电机受扰时,恒定虚拟惯量无法适应不同运行时段内频率动态响应性能的需求.提出一种自适应虚拟惯量控制策略,采用角速度偏差和角速度偏差与角速度变化率乘积对虚拟转动惯量进行补偿.控制策略可调节不同时段的虚拟惯量从而提高孤岛虚拟同步发电机受扰后的频率稳定性,且平衡了频率响应快速性与抑制频率振荡之间的矛盾.最后通过MAT...     

直驱永磁风力发电机的变系数PD虚拟惯量控制研究

传统PD虚拟惯量控制虽然能有效避免无惯量情况下频率的二次跌落问题,但应对风速变化时,传统控制方法中固定的惯性系数可能导致惯量响应中惯量的过余或不足,风机输出有功功率延时变化,影响系统频率的变化,惯量响应效果不理想。为此,在搭建PD虚拟惯量控制模型的基础上,综合考虑转子动能与风速变化对虚拟惯量调节的影响,通过当前风速与下一时刻预测风速对应的旋转动能超前算出满足系统的变微分系数,优化传统控制方法中的风机辅助功率,匹配系统适时的惯量效应,在系统频率调整方面具有更高的灵活性,同时避免了传统控制方法机械、固定的全惯量支撑,减小机组的调频压力。最后通过仿真验证了所提策略的有效性。     

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。     

基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法

为使储能装置能够根据与频率稳定相关联的惯量补偿目标执行补偿控制,提出了“基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法”。首先依据参数的基本物理意义和储能控制模型,定义计算储能虚拟惯量(H_BESS),进而建立H_BESS与储能虚拟惯量控制相关参数的解析函数关系。然后提出由惯量补偿目标确定储能虚拟惯量控制参数,通过动态调节控制参数来跟踪惯量补偿目标的策略,即虚拟惯量补偿控制方法。最后通过独立微电网算例系统,验证了H_BESS计算结果的精确性和控制策略的有效性。     

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。     

电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述

风电、光伏、储能、柔性高压直流输电等通过电压源/电流源型变流器接口取代了传统的机械开关并网,将给电力系统的既有频率动态特性、有功平衡原理及相关控制方法带来改变。首先回顾了近年电力电子接口相关的系统频率事件,从惯量角度分析了规模化电力电子接口对系统频率控制的影响。总结了提高频率支撑能力的接口控制技术,分析了接口外特性在惯性响应和一次调频环节与同步机组等价性。基于能量守恒原理讨论了大规模电力电子接口接入下电力系统有功平衡机理,最后从机理、模型、方法层面提出了电力电子化该领域内值得探索问题。     

需求响应参与电力系统调频的延时建模与控制

传统的电力系统调频通过控制发电机的功率输出来跟踪变化的负荷。近年来,许多研究表明利用需求响应能够更好地控制辅助系统调频。然而需求响应控制过程中存在的响应延时和通信延时会对控制结果产生不良影响。本文分别对需求响应参与调频控制过程中的响应延时和通信延时进行建模,并研究其对控制结果的影响,及两种延时在最优控制问题中对最优控制参数的影响。仿真结果表明,正确地对需求响应参与调频过程中的延时进行建模,并设计最优控制策略,能够显著地改善控制效果。     

兼顾频率变化率和偏移量的光储虚拟惯量联合控制策略研究

针对传统虚拟惯量（VSG）控制无法兼顾光储并网系统频率下降与恢复特性的问题,提出了一种同时考虑频率变化率和偏移量的虚拟惯量联合控制（VIJC）策略。首先,将调频过程划分为以频率变化率为主导、以频率偏移量为主导和频率恢复3个阶段;其次,对3个阶段分别采用不同方式的VSG控制,充分发挥不同VSG控制的调频优势,简化了参数优化的过程;最后,选取具有代表性的VSG控制策略与VIJC策略进行仿真对比。仿真结果验证了所提策略的有效性。     

风电机组参与调频的虚拟惯量控制与快速频率控制

通过分析风力发电系统的功率控制特性,提出了一种风电机组快速频率控制方法,并将其与传统的虚拟惯量控制方法进行了对比研究。建立了风电参与系统频率控制的虚拟惯量控制和快速频率控制模型,分析了两种频率控制方法下系统的频率响应特性。采用虚拟惯量控制方法,风电机组跟踪系统频率变化情况释放风机旋转动能,需要合理整定控制器参数以保证风电机组的频率控制性能;快速频率控制可根据风电机组运行状态充分释放转子动能,对扰动后系统频率变化率改善效果更为明显,更适合高比例新能源接入后系统惯量较低的电力系统。     

RoCoF下垂控制的直驱式风电系统惯量特性分析

直驱式风电机组大规模接入电网,导致传统电网的惯量减小,电网频率支撑能力相对减弱,在受到扰动时更容易引起电网频率偏移和频率变化率过大。针对此类问题,本文首先提出一种频率变化率(the rate of change of frequency, RoCoF)下垂控制策略,旨在提高直驱式风电系统的惯量作用,抑制频率偏移量和RoCoF。其次,类比传统同步机在机电时间尺度下的动态分析理论和方法,建立了风电系统在直流电压时间尺度(DC-Voltage Timescale, DVT)下的动态模型。基于所建立的DVT动态模型,采用经典的电气转矩分析法研究了风电系统的惯量效应,揭示了主要的控制环节对风电系统惯量特性的影响规律、主导因素与作用机制。最后,对传统的频率偏差下垂控制与本文提出的RoCoF下垂控制策略进行了详细的对比,并通过实验验证了所提出的控制方法和分析结论的正确性。     

基于功率跟踪曲线切换的变速风电机组虚拟惯量控制

提出一种基于功率跟踪曲线切换的变速风电机组虚拟惯量控制方法:在电网正常时,风电机组接近最大功率跟踪曲线工作并储存动能;当电力系统频率发生跌落时,风电机组切换至另一近最大功率跟踪曲线工作,并释放转子动能。采用次优曲线切换机制可极大削弱惯量响应过程中原控制系统外环对df/dt前馈控制环节的抵消作用,提高惯量响应的动态性能。通过合理选择次优功率跟踪曲线,可减少因惯量控制导致的风能利用效率的降低。仿真中所选取的次优功率跟踪曲线可保证风电机组在惯量控制过程中,捕获的风功率始终不低于最大跟踪功率的98%。     

PMSG风机直流电容虚拟惯性控制及惯性影响分析

为解决风电在电力系统中渗透率不断增加而导致的电网惯量不断降低的问题,提出了永磁直驱风机参与电网频率调节的直流电容虚拟惯性控制。该虚拟电容控制能够耦合直流电压和交流频率,利用储存在直流电容中的静电能提供惯性支撑,并能有效地抑制频率变化的斜率和减小最大频率偏差,提高频率的动态特性。此外,详细研究了影响虚拟惯性时间常数的关键参数以及虚拟惯性时间常数与直流电容的确切关系,并给出了相关参数的选取方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真算例,仿真结果表明直流电容虚拟惯性控制能够准确模拟同步发电机的惯性响应,其控制性能优于传统转子虚拟惯性控制。     

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。     

双级式光伏发电虚拟惯量控制策略

大规模光伏发电并网挤占了具有转动惯量的同步发电机组空间,导致惯量减小与调频能力不足的问题,迫切需要光伏发电主动参与电网频率调节。以双级式光伏发电为研究对象,在研究基于锁相环动态的常规虚拟惯量控制的同时,提出基于低压直流电容动态的虚拟惯量控制和基于高压直流电容动态的虚拟惯量控制,并分析控制参数对虚拟惯量控制的影响。研究结果表明:①对于常规虚拟惯量控制,锁相环控制带宽越小,频率跌落过程中光伏发电可提供支撑的功率越多;②对于低压直流电容动态的虚拟惯量控制,由于电压环中引入电网频率—低压侧直流电压(f-U_(PV))补偿环节,低压直流电压的改变不仅影响频率的暂态过程,还影响频率的稳态偏差;③对于高压直流电容动态的虚拟惯量控制,减小Boost变换器的电压环积分系数,减缓直流电压的动态过程,频率跌落过程中光伏发电可提供支撑的功率越多。     

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。     

含虚拟惯量的电力系统频率响应特性定量分析方法

虚拟同步机可以使并网逆变器具有类似于同步发电机的外特性,从而使逆变器参与频率调节并为电力系统增加虚拟惯量。但目前,对于含虚拟惯量的电力系统的频率响应特性缺少定量的刻画指标,难以从理论上指导大规模电力电子设备接入时虚拟惯量的优化配置,也无法从理论上刻画虚拟惯量的加入对于电力系统频率响应特性的影响。针对这一问题,提出以系统相位扰动到频率输出的闭环传递函数(或传递函数矩阵)的H2与H∞范数作为描述系统频率响应特性的指标,从而定量刻画虚拟惯量的加入对系统频率的扰动抑制能力的影响。在此基础上,分析了同步发电机和虚拟同步机的频率响应特性,并进一步结合频率响应的时域波形验证该指标的有效性。     

计及等效转动惯量的储能最优调频控制方法

未来电网侧大规模储能将承担系统更多调频任务,因此研究储能系统提供的等效转动惯量是十分必要和有益的。根据系统频率变化等效原则,研究了储能系统转动惯量计算方法,同时比较了典型控制方式下的储能系统转动惯量特性,给出了储能系统不同控制方式的应用场景。根据储能系统不同控制方式下的等效转动惯量特性,给出了一种最优调频控制方法。通过建立仿真环境,对不同控制方式下的储能转动惯量进行计算,对储能系统不同控制方式在频率变化的不同阶段进行分析,验证了理论分析结果的正确性及最优调频方法的有效性。