基于相对增益矩阵的惯量响应空间耦合特征分析

随着风电、光伏等新能源占比的不断提高,电力系统的惯性逐步降低,受扰动后惯量响应引起的频率变化率增大,给频率安全稳定带来了威胁。受电网拓扑结构的影响,惯量响应的频率变化情况与功率扰动位置之间存在空间上的耦合特征。针对惯量响应在空间上的差异性,通过计算多机系统惯量响应模型的相对增益矩阵,量化了发电机惯量响应与有功功率扰动之间在空间上的耦合关系。仿真结果表明,相对增益能直观地表征不同位置和类型的功率扰动对发电机惯量响应的影响,对功率事故下低惯量系统的频率安全稳定分析与控制具有重要意义。     

考虑频率稳定性的新能源电力系统惯量水平多区间评价方法

随着大量新能源机组取代同步发电机接入电网,系统惯量水平的下降将威胁系统频率稳定,但基于频率稳定评价系统实际惯量水平与充裕度的方法仍相对较少。本文通过量化分析惯量与频率动态响应的关系,提出一种新能源电力系统的惯量分区评价方法。首先,基于新能源电力系统频率响应模型求解,并借助提出的惯量灵敏度指标分析惯量对相关频率安全指标的影响。然后,依据频率稳定约束与综合惯量灵敏度指标确定区间边界,构建惯量危险区、惯量敏感区和惯量饱和区三类惯量水平区间,并分析潜在最大扰动功率及调频能力对区间边界的影响。进而,提出惯量安全性系数与充裕度系数评价系统当前惯量的水平高低。最后,在DIgSILENT中建立IEEE10机39节点标准系统,仿真验证了所提系统惯量分区评价方法的有效性与可行性。     

虚拟同步控制的暂态特性优化策略研究

虚拟同步控制策略具有降低功率暂态响应最大频率偏差的优势。但在指令功率或电网频率出现扰动时,虚拟惯量的引入会造成较大的暂态功率振荡和超调。与真实的同步发电机不同,虚拟同步控制策略可以灵活地改变控制结构及其相关参数以改善系统的暂态性能。该文提出2种基于电网频率参与虚拟惯量功率控制的改进虚拟惯量策略:电网频率估计策略和电网频率前馈策略。并根据响应特性能给出详细的参数设计方法。此外,对比研究2种策略在功率指令扰动和电网频率扰动工况下的暂态功率和频率的响应特性。仿真与实验结果表明,与传统方法相比,2种改进策略均能提高虚拟同步的暂态性能。     

基于主动支撑型VSCs的新能源电网惯量调控与特性分析

随着新能源渗透率的不断增加,电网的惯量水平和一次调频能力不断下降,导致系统鲁棒性降低。传统电网惯量由同步发电机的旋转大轴提供,为固定不变的刚性惯量,而主动支撑型电压源型变流器（VSC）具有惯量柔性调控特性,可灵活调控系统惯量中心偏向功率扰动点,以提高区域电网的频率稳定。首先推导了2区互联系统的惯量中心点位置,其次介绍了具有同步发电机惯量特性的VSC主动支撑控制策略,最后利用主动支撑型VSC惯量柔性调控特性,调节惯量中心点向功率扰动点偏移,削弱不平衡功率对系统频率的冲击,从而提高系统的鲁棒性。在DIgSILEN/PowerFactory仿真环境中搭建4机2区系统验证了结论的准确性。     

双馈异步风电机组模拟惯量响应控制技术综述

通过模拟惯量控制策略,双馈异步风电机组（DFIG-WTG）可以实现惯量响应,提高电力系统的频率稳定性。综述了3类双馈异步风电机组的模拟惯量响应控制策略：一是在MPPT控制策略中引入频率偏差或其导数,通过增益、比例积分（PI）控制器等控制环节后,得到双馈风电机组转矩或有功功率的补充控制参考值;二是当发生频率扰动时,屏蔽MPPT控制策略,采用瞬时有功功率超发实现模拟惯量;三是采用磁链幅值相角控制（FMAC）策略实现模拟同步发电机控制。通过合理的参数设定,理论上3种控制策略均可以最大化利用风电机组的转子动能。     

基于改进虚拟同步发电机控制的功率交互振荡抑制策略

在指令功率发生扰动时,虚拟同步发电机控制环路易产生功率交互振荡,威胁系统的安全稳定运行。为此,提出一种基于改进虚拟同步发电机控制的功率交互振荡抑制策略。基于相对增益矩阵原理研究不同系统参数变化时虚拟同步发电机输出功率间交互作用的变化规律;采用转速阻尼功率高通反馈改进虚拟同步发电机有功功率-频率控制环路,并通过绘制Bode图对比传统虚拟同步发电机控制策略与改进虚拟同步发电机控制策略的暂态和稳态性能;利用相对增益矩阵原理分析改进虚拟同步发电机控制策略的有功功率环路交互作用情况。仿真及实验结果表明,所提策略可有效实现虚拟同步发电机交互振荡的抑制。     

基于功率耦合的双馈风机并网系统同步控制技术

双馈风机处于虚拟同步运行时与同步发电机的功率耦合关系是合理设计控制参数、降低附加运行风险的关键。建立双馈风机并网系统的动态模型,分析处于虚拟同步运行时的双馈风机与同步发电机之间的功率耦合关系。分析风机同步并网耦合关系及控制参数对稳定性的影响,并引入耦合系数。基于此,提出基于功率耦合的双馈风机同步并网优化控制策略,通过动态调整风机虚拟惯量使双馈风机同步并网系统处于稳定运行区域,从而降低运行风险。最后,通过搭建双馈风机同步并网仿真系统验证了风电机组能够根据系统运行状态的动态变化提供虚拟惯量响应,从而为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。     

虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换

现有控制策略难以在电网频率发生波动时实现并网虚拟同步发电机(VSG)的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调控制。针对此问题,提出一种VSG的PQ控制模式,使得并网状态下VSG能够实现稳态恒功率运行,同时在动态过程中可以为系统提供惯量支撑。对比分析VSG功率环模型与基于虚拟功率的锁相环模型,提出将功率环模型校正为有零点典型二阶系统,在保持同步机制的同时实现电网频率扰动下VSG的PQ控制模式。通过比例—积分(PI)环节与惯性环节的切换以及参数设计来实现恒定稳态有功功率控制与频率下垂控制之间的平滑切换;从输入和扰动响应这2方面对恒定有功功率控制与频率下垂控制模式进行对比分析。最后,对这2种模式的稳定运行与平滑切换进行了仿真和实验验证。结果表明:PQ控制模式的有功功率控制稳态性能明显优于频率下垂模式,动态性能则弱于频率下垂模式。     

基于虚拟惯量控制的新型电力系统功率差前馈振荡抑制方法

为了解决新型电力系统的低惯量、弱阻尼问题,虚拟同步发电机技术备受关注。但虚拟同步发电机在为系统提供惯量和阻尼的同时,也使得系统在受扰动影响时产生有功振荡问题,并且容易产生稳态误差。为此,提出基于虚拟惯量控制的新型电力系统功率差额前馈振荡抑制方法,优化虚拟同步发电机控制,有效地减小了系统在扰动下产生的有功功率和频率冲击,改善了系统的动态稳定性。同时,分别建立常规控制、普通微分前馈控制和功率差前馈控制等控制策略的有功闭环小信号模型,并给出相关参数设计方法。仿真验证表明,所提策略对解决动态振荡、稳态误差问题的有效性与优越性。     

基于系统惯量需求的风储协同快速频率响应技术EI北大核心CSCD

利用频率安全预警预估系统惯量需求,并通过风储协同虚拟惯量支撑完成频率快速响应是保障新型电力稳定运行的关键。该文首先分析频率安全约束下的系统惯量需求。其次,分析风、储虚拟惯量响应特性,建立含虚拟惯量风储系统的频率响应模型,并量化系统频率变化特性及惯性响应时间。在此基础上,为完成频率预警,通过风、储运行约束离线评估风、储惯量的储备能力,并根据系统惯量需求,预估扰动参考功率,提出风储协同快速频率响应技术,完成风、储虚拟惯量分配。最后,搭建风电高渗透区域电网仿真系统,验证在所提控制策略下常规发电机组及风储可协同形成多源频率快速响应,灵活满足系统频率安全的设定要求。     

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。     

基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略

伴随着分布式能源渗透率的提高,电力系统中同步发电机的装机比例逐渐减小,电力系统的稳定性日益受到挑战,其稳定性分析方法与提高措施均亟待研究。虚拟同步机(VSG)能够在一定程度上为系统提供惯性和阻尼,被视为提高系统稳定性的重要措施。然而,VSG通常接入中低压配电网,不仅呈阻感特性的线路阻抗会造成功率耦合,而且功角过大也会造成功率解耦控制困难。文中分析了线路阻抗及功角所造成的功率耦合机理,并通过建立VSG并网时功率与频率的响应模型,发现有功功率的大幅度增加或电网频率下降都会造成功角变大、无功功率控制出现显著偏离的情况,为此提出了基于自适应虚拟阻抗的VSG功率解耦控制策略。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建VSG并网模型,验证了所提出解耦控制策略的正确性与有效性。     

改善含风电场虚拟惯量互联电力系统稳定性的自适应鲁棒滑模控制策略

在以风电为代表的可再生能源大规模接入传统电力系统的背景下,非同步机电源与同步机电源之间的耦合作用以及风电出力的不确定性,使互联电力系统稳定性控制面临复杂的运行场景。针对该问题,基于功率平衡原理建立考虑双馈风电机组虚拟惯量影响的同步发电机组等效转子运动模型,将系统参数协调性及故障因素统一表达为等效惯量参数摄动及有界的不确定扰动;运用滑模变结构方法,结合等效惯量和等效阻尼的可变性及可控性,提出一种自适应鲁棒滑模控制策略以改善互联电力系统的动态稳定性。理论分析和仿真结果表明,与传统的虚拟惯量控制方法相比,所提控制策略能够更好地抑制频率振荡,降低频率变化率以及相对功角振荡幅度。     

纯清洁能源下水电高占比送端电网频率稳定协调控制策略研究

含大容量密集型直流的送端电网在实现纯清洁能源转型后,其转动惯量和有功调节能力将大幅下降,进一步加剧直流闭锁故障时的频率失稳风险。为保障水电高占比送端电网在纯清洁能源形态下的频率稳定性,提出一种统筹考虑虚拟惯量、需求响应、直流调制和稳控切机的多阶段协调控制策略。以规划的四川中长期目标网架为基础,分析了该电网在纯清洁能源形态下发生直流单极、双极、多极闭锁故障后的频率稳定特性,并通过BPA仿真验证了所提频率稳定协调控制措施的有效性。     

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。     

基于风机调频特性的储能配置方法及协调运行策略

针对大规模风电机组(wind turbine,WT)接入电网,导致电网惯量响应能力和调频备用容量不足,进而造成电网频率稳定性下降的问题,文章提出一种风储系统与等容量同步发电机等惯量响应能力的储能(energy storage,ES)配置方法。方法旨在实现WT取代同步发电机接入电网前后,电网惯量响应能力和调频能力不变。并在此基础上,根据WT在不同风速下,具有不同的调频能力这一特性,文章进一步提出了风储协调控制策略,该策略既能在低风速下提供惯量响应支持,又能在中风速下辅助WT转速恢复,避免频率二次跌落。仿真结果表明,仅配置风电场额定功率5%的容量,既可补偿电网惯量响应能力,又能满足WT转速恢复所需功率,大大提升了电网频率运行稳定性。     

新能源同步机并网系统的阻尼特性

针对高比例新能源电网存在的低惯性和弱阻尼问题，提出新能源通过驱动同步电动机—同步发电机(MGP)后并网的新方式；阐述了MGP系统小干扰稳定的建模方法，通过小干扰模型研究了MGP的阻尼特性，推导了质量块相同的MGP和单个发电机阻尼比的定量关系；在5 kW实验系统中设计了质量块相同的MGP和单个发电机两种工作模式，对比了相同负载扰动下MGP和单个发电机的频率响应曲线，通过拟合小扰动后的频率响应曲线，分别确定了相同质量块的MGP和单个发电机的阻尼比，对比二者的关系验证了理论推导的结果，证明了相同质量块的MGP相比单个发电机能提供更大的阻尼，为提高高比例新能源电网的稳定性提供了新的解决方案。     

虚拟同步机惯量及阻尼系数协调优化方法

为了提升虚拟同步机(virtual synchronous generator,?VSG)在各种扰动下的动态响应,提出了一种虚拟惯量及阻尼系数的参数协调优化方法。推导了VSG有功指令与输出电磁功率之间的二阶传递函数,定量分析了VSG动态响应特性与虚拟惯量及阻尼系数的关系。在扰动的初期调整两参数使VSG呈欠阻尼状态实现加快调节,在扰动后期则使VSG呈过阻尼状态来减小超调,兼顾功率调节速度和频率稳定性,降低储能充放电深度。最后,基于Matlab-Simulink仿真软件开展了VSG出力扰动和电网故障扰动下的仿真,对比参数优化前后的动态响应。结果验证了所提优化方法的优越性及稳定性,可以有效提升VSG的动态响应能力,延长VSG储能寿命。