风电场等效虚拟惯性时间常数计算

随着风电渗透率不断提高,应用虚拟惯性控制技术解决频率事故下的频率安全问题是未来电网发展的必然需求,含风电虚拟惯性控制的动态频率特性研究也将是电力系统要面临的新问题。文中研究了双馈型风电场等效虚拟惯性时间常数HeqWF的定量表征方法。定义HeqWF并阐明了其物理意义,分析了求解HeqWF与研究电网动态频率特性的关系;建立了含虚拟惯性控制的双馈风电机组简化模型和风电场模型,计算求得了HeqWF频域和时域解析解。通过计算值与仿真值比较验证了HeqWF的正确性和精确性,并探明了HeqWF的时变特性和形成机理。     

双级式有功备用光伏虚拟同步机控制策略

大规模光伏并网发电导致电力系统面临惯性下降与调频能力不足的问题,迫切需要光伏系统主动参与电网频率调节。以双级式光伏拓扑结构为基础,提出有功备用跟踪的光伏虚拟同步机控制策略。DC\DC侧根据光伏单元运行的最大功率点确定系统的有功备用点,使系统运行在有功备用模式;当电网频率扰动时可调节光伏单元的有功输出来参与一次调频。逆变侧采用与同步机等效的下垂控制方案,将高压直流侧电容模拟为虚拟转子响应功率动态调节,并通过PI控制维持直流电容电压恒定。建立光伏有功调频的小信号模型,运用传递函数分析了直流电容参数对动态性能的影响。在辐照度突降、电网频率突变以及不同系统参数下进行仿真分析,证明了所提方案的有效性。     

区域负荷惯性时间常数分析及辨识

“双高”电力系统降低了惯量,危及频率稳定。负荷构成复杂,准确的惯性时间常数辨识有利于系统的惯量评估。为此,提出一种区域负荷惯性时间常数辨识方法。首先,基于广义惯量给出负荷惯性时间常数表达式,提出基于负荷并网点电压频率和功率摇摆曲线;然后,利用最小二乘法进行惯性时间常数辨识,并针对多点负荷,给出了区域负荷综合惯性时间常数计算式;最后,通过ETAP12.0对IEEE的3机9节点系统(不含新能源机组)和华东电网局部(含新能源机组)仿真验证所提方法的先进性和有效性。结果表明,提出的方法能够有效计算评估负荷的惯性特性,支撑电网频率稳定分析。     

含虚拟惯性与阻尼控制的变速风电机组综合PSS控制器

大规模风电场接入电网将削弱系统的惯性和阻尼特性,不利于电网安全运行。本文首先分析变速风电机组的传统功率控制,根据虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化的关系,提出适用于变速风电机组的虚拟惯性控制策略,解决高风电渗透率区域电网惯性不足的问题。其次,通过分析所提虚拟惯性控制对系统阻尼特性的影响,发现该控制方法对功率振荡具有抑制作用,实现了惯性控制与阻尼控制在有功环节上的有机结合。为进一步增强风电机组的阻尼能力,提出无功阻尼控制与虚拟惯性控制相结合的综合控制方案,从而完善风电场对系统的支持能力。最后,通过对含变速风电机组区域电网的仿真分析,验证在所提控制方案下风电机组不仅能够快速对电网提供频率支持,并且具备阻尼系统功率振荡的能力。     

基于VSC-HVDC并网风电场的系统调频综合控制

针对采用柔性直流输电并网方式(VSC-HVDC)的风电场两侧交流系统解耦特性,无法采用传统控制方式调频问题,结合风电机组虚拟惯性控制和下垂控制,以及直流电容快速充放电原理,在VSC-HVDC的网侧变流器增加变直流电压控制环节,提出一种改变直流母线电压并以此作为风电机组调频信号的综合调频控制方式。当电网因功率不平衡而发生频率波动时,VSC-HVDC直流电压能随之改变,快速释放或者吸收直流电容中存储部分的电能,再将电压值作为调频信号传递给风电场,使风机释放或者吸收转子动能,对电网频率提供动态支撑。仿真结果验证了提出的综合调频控制的有效性。     

高渗透率下变速风力机组虚拟惯性控制的研究

由于双馈感应发电机的电力电子变换器将风机转速和电网频率进行了解耦,导致其对电力系统的惯性控制几乎没有任何贡献。随着风电场在电网中的渗透率的不断提高,这种电网频率的波动会越来越明显。为了能够将“隐藏”在双馈感应发电机中的惯性进行有效的利用,将双馈感应发电机的旋转质量块和并联在转子侧变换器和电网侧变换器之间的超级电容器同时作为虚拟惯性源,并采用自适应模糊控制策略来进行控制。通过在实时仿真平台RT-LAB上对不同比例的风电装机容量的电力系统进行实验分析。与其他控制方法进行对比发现,当系统负荷突然发生变化后,所提出的混合虚拟惯性控制法能够迅速地提供有功功率支持,并能在频率误差减少后很快地恢复到MPPT状态。     

双级式光伏发电主动参与电网频率调节

为解决大规模光伏发电并网带来系统调频能力不足的问题,提出了双级式光伏发电有功功率-频率下垂控制和虚拟惯量控制,通过修改Boost变换器或网侧逆变器原有的控制结构来实现光伏发电主动参与电网频率调节。并分析虚拟惯性时间常数、锁相环控制带宽对虚拟惯量控制的影响。基于光伏发电的有功功率-相位运动模型、同步发电机组的频率响应模型来分析光伏发电的虚拟惯量特性及其对系统频率动态特性的影响。仿真结果表明:Boost变换器和网侧逆变器均可按照设定的下垂曲线来控制光伏阵列增发或减少一定量的有功功率,抑制电网频率跌落或升高;虚拟惯性时间常数越大或锁相环控制带宽越小,光伏发电的虚拟惯量越大,频率动态过程中可提供支撑的功率越多。     

改善惯性响应与一次调频的风电全直流系统协调控制策略

针对风电全直流系统并网后给交流电网带来的系统惯量降低、调频能力不足等问题,提出一种改善惯性响应与一次调频的变系数风电全直流系统协调控制策略。在惯量响应方面,网侧换流站采用惯性同步控制,直流升压站采用恒变比控制,实现直流电容对电网的惯量支撑及直流低压侧的直流电压对交流系统频率的感知,在此基础上对直流风电机组(DC wind turbine, DCWT)附加变虚拟惯性系数的虚拟惯量控制,使风电全直流系统在不同频率响应阶段具备不同的等效惯量。在一次调频方面,DCWT采用超速与变桨结合的减载运行方式,通过变下垂控制来改变它的有功出力,充分利用不同风速下的备用容量,从而使风电全直流系统更有效地参与一次调频。最后仿真算例表明,该策略改善了风电全直流系统接入后的电力系统的惯性响应及一次调频。     

基于VSC-HVDC的海上风电系统虚拟惯性控制技术

海上风电系统的惯性响应有利于增强其所在区域电网的暂态稳定性。文中首先提出适用于海上风电场并网的VSC-HVDC控制策略,并解决由风电机组组网的海上交流系统缺乏惯性的问题。其次,基于所提的VSC-HVDC控制策略,结合变速恒频风电机组的虚拟惯性控制,研究海上风电系统的虚拟转动惯量与电网频率变化的关系,实现海上风电系统对电网频率的动态支持。最后,通过对含海上风电系统的区域电网的仿真分析,验证所提控制策略能够实现海上风电系统对电网频率的快速响应。     

基于VSC-HVDC的双馈风电场并网协调控制策略研究

针对双馈风电场经VSC-HVDC并网时,受端电网惯量不足而出现扰动下频率偏移较大的问题,提出了一种协调控制策略。在协调控制策略下,当电网侧交流系统频率发生变化时,电网侧变流器首先调节直流电压的参考值,以响应系统频率的变化,同时风电场侧变流器根据变化的直流电压调节风电场侧变流器的频率。为响应风电场侧变流器频率的变化,双馈风电机组引入虚拟惯性控制环节,通过吸收或释放转子的旋转动能,改变双馈风电机组的有功出力。通过协调控制,直流电容储存的能量和DFIG的转子动能共同为系统提供惯性支撑,提高了系统的频率响应特性。通过仿真分析验证了所提协调控制策略的正确性和有效性。     

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。     

虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法

虚拟同步发电机(VSG)技术作为一种分布式电源主动参与电网频率电压调整的新型控制方式,得到了越来越多的关注。通过对同步发电机外特性的模拟,使得微电源逆变器具有同步发电机相同的转动惯量、一次调频、无功调压等特性。提出简化的VSG虚拟惯量控制器,避免了锁相环(PLL)误差引起的频率指令波动对系统稳定性的影响,建立包含中间控制环节状态变量的VSG并联系统小信号模型,并针对主要控制参数对系统稳定性及动态响应的影响进行了分析,最后利用等效同步发电机原理,提出了虚拟同步发电机多机并联运行的虚拟惯量匹配方法,仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

虚拟惯性时间常数对互联电网小干扰稳定影响研究

传统同步发电机的惯性时间常数是不变的物理参数,虚拟同步发电机的推广与应用使得系统惯性时间常数具有可变性和可调性,继而有可能影响互联系统的小干扰稳定性。论文以VSC-HVDC为研究对象,对其进行虚拟同步发电机控制建模,然后基于特征分析法,对等值联网系统求解低频振荡衰减因子的解析表达式,分析了不同场景下惯性时间常数对小干扰稳定水平的影响程度,发现当惯性时间常数与阻尼系数在同一个数量级时对小干扰稳定有较大影响。最后在两区四机经典模型中验证了结论,对于虚拟同步发电机参数整定和研究互联系统的小干扰稳定性分析及控制具有一定的参考价值。     

适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略

大规模的风电机组并网使电力系统面临惯量减小与调频能力不足的问题,而风机的虚拟惯量控制是解决这一问题的重要手段。当前,永磁直驱风电机组的虚拟惯量控制主要通过将电网频率引入其功率控制或转矩控制中,来实现风机对电网的功率支撑,风电机组仍采用锁相环实现与电网的同步。但在弱电网下,锁相环的动态性能将恶化,甚至会导致风机的失稳。为此,提出一种适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略,该控制策略可利用直流电容动态实现直驱风电机组网侧逆变器的并网自同步,从而使直驱风电机组无需经过锁相环并网并且能适应于弱电网运行。此外,该控制策略可利用存储于风机的旋转动能为电网提供虚拟惯量。详细讨论了相应的并网自同步机理及惯量模拟机理,并基于MATLAB/Simulink仿真验证了该协调控制策略的有效性。     

基于惯量响应的双馈风电机组动态协调机理研究

大规模风力发电联网挤占了具有转动惯量的同步发电机组容量空间,削弱了电力系统惯量水平与调频能力,迫切需要风力发电参与系统频率调节。基于双馈风电机组频率响应模型,解析得到惯量表达式,并分析锁相环控制参数对双馈风电机组惯量特性影响,提出当系统发生不平衡功率扰动时,可通过优化锁相环控制参数实现双馈风电机组惯量响应。以2台双馈风电机组并联系统为例,分析惯量响应期间不平衡功率在各双馈风电机组间的分配规律,并拓展到多机并联系统。建立双馈风电机组、同步机组联网系统频率响应模型,分析系统发生功率扰动各阶段频率响应特性。最后,通过时域仿真验证了理论分析的有效性。     

基于惯量响应的双馈风电机组动态协调机理研究

大规模风力发电联网挤占了具有转动惯量的同步发电机组容量空间,削弱了电力系统惯量水平与调频能力,迫切需要风力发电参与系统频率调节。基于双馈风电机组频率响应模型,解析得到惯量表达式,并分析锁相环控制参数对双馈风电机组惯量特性影响,提出当系统发生不平衡功率扰动时,可通过优化锁相环控制参数实现双馈风电机组惯量响应。以2台双馈风电机组并联系统为例,分析惯量响应期间不平衡功率在各双馈风电机组间的分配规律,并拓展到多机并联系统。建立双馈风电机组、同步机组联网系统频率响应模型,分析系统发生功率扰动各阶段频率响应特性。最后,通过时域仿真验证了理论分析的有效性。     

风电参与电力系统调频控制策略综述

随着可再生能源的大规模开发,以风能为代表的可再生能源大量并入电网,且渗透率不断提高.一方面,由于惯性时间常数较小的风电机组替代了传统发电机组,系统的总体惯量减少;另一方面,由于风能本身所具有的间歇性、随机性,系统的频率特性发生改变,调频能力随之减弱.风电参与调频是解决风电上网约束的有效手段之一.为此,对风电参与调频领域的研究进行综述,首先以双馈风电机组和永磁直驱风电机组这2类最常用的变速风电机组调频控制策略为例,综述风电机组转子超速控制、桨距角控制、虚拟惯量综合控制、虚拟同步发电机控制,储能与风电调频以及多控制策略联合的原理、优缺点和发展趋势等;然后针对风电场参与系统调频的若干问题进行分析;最后对本领域未来可研究的问题进行展望.     

并网模式下虚拟同步发电机的虚拟惯量控制策略

并网模式下,当电网频率出现偏差或者调度指令变化时,虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）输出有功功率都会发生波动,然而现有的VSG分析以及控制方式只能应对调度指令变化下的有功功率波动:电网频率发生偏差时,现有的控制策略可能会使VSG输出有功功率出现较大波动。针对上述问题,首先分析了电网频率偏差下,VSG参数对VSG动态特性的影响以及调度指令变化下,功角振荡和虚拟惯量之间的关系。在此基础上,提出一种虚拟惯量控制策略:在调度指令变化时,采用虚拟惯量自适应控制,并给出参数选取原则;在电网频率发生偏差时,采用基于信息熵的虚拟惯量寻优值。最后通过Matlab/Simulink仿真,验证了所提虚拟惯量控制策略在有功调度和电网频率偏差下的优越动态特性。     

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。     

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。