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。     

高比例可再生能源电力系统的快速频率响应市场发展与建议

随着非同步电源渗透率增加,电网的惯性逐步降低,扰动后电网的频率变化率变大,频率调控面临着巨大挑战.近年来,快速频率响应(FFR)的概念已被提出,并应用于一次调频之前,为一次调频响应争取时间,使低惯性系统在一次调频响应前不至于到达系统低频减载的频率阈值.文中从典型FFR资源、辅助服务产品设计、市场交易和应用实例等几方面总...     

考虑频率稳定约束的新能源电力系统临界惯量计算方法

针对新能源并网的弱惯量、零惯量特征对电力系统频率稳定的影响,提出一种计及频率稳定约束的新能源电力系统临界惯量的估算方法。首先,建立系统频率动态响应数学模型,求解惯量中心频率时域表达式。然后,基于频率响应模型求解并分析系统惯量与相关频率稳定性指标的关系,进而计及频率变化率和频率最大偏差约束估算系统临界惯量理论值和计算值。最后,基于临界惯量提出一项电力系统频率稳定性指标,来评估功率扰动后的电力系统频率稳定性,并结合电力系统实际运行惯量得出新能源虚拟惯量参考值。在DIgSILENT PowerFactory中以改进的IEEE 10机39节点新英格兰系统和某区域电网仿真算例对所提计算方法进行仿真验证。     

高比例新能源电力系统的惯量控制技术与惯量需求评估综述

电力行业低碳发展的要求催生了以风光为代表的新能源发电的快速发展.风光发电通过逆变器并网,不具有同步发电机的惯性,导致高比例风光发电的接入降低了系统的惯量水平,且其出力的大幅波动和不确定性,都给系统频率安全带来了新问题.为此,对高比例新能源电力系统的惯量控制技术和惯量需求评估问题开展综述研究.从惯量的定义出发,分析惯量与频率变化的关系,明确了惯性响应与频率响应的区别及联系.针对基于逆变器并网的虚拟惯量技术,按照控制模型的外特性进行区分,给出了虚拟同步机的控制原理,并总结了虚拟同步发电机技术在风电与光伏方面的应用.高比例新能源的接入从系统层面对惯量水平及分布提出了新需求,因此,选取澳大利亚、爱尔兰与北美地区3个代表性地区的电力系统惯量需求评价指标及评估方法进行了对比.最后,从发展虚拟惯量技术、提出惯量需求评估指标及标准、提高惯量监测能力、合理配置惯性装置以及将惯性服务市场化这5个方面对我国新能源电力系统惯量问题提出了建议.     

能量视角下电力系统暂态频率问题初探

随着电力电子设备比例不断升高,电力系统暂态频率问题日益凸显。针对当前暂态频率安全判定条件不明确、低惯量条件下保证暂态频率安全的控制方法不清晰的问题,该文对暂态频率问题进行梳理,明确暂态频率问题本质,从能量角度出发给出暂态频率安全判定条件,并初步探究了能量视角下的暂态频率控制方法。首先,对暂态频率问题的组成及各部分的历史、本质和主要约束进行溯源,讨论其演变过程;辨析了惯量和一次调频的能量源、响应形式,从能量角度剖析两者的关系及相互作用,给出能量视角的暂态频率安全临界条件;最后讨论了能量视角的惯量能量和调频能量,初步探究了一次调频能量最优调用策略,给出一种暂态频率控制思路。     

电力系统频率问题浅析与频率特性研究综述

现代电力系统的发展使得系统频率特性更加复杂化,同时系统安全稳定经济运行对频率稳定提出了更高的要求,电力系统频率问题日益显著,关于系统频率特性的研究涌现并被应用于保障系统安全稳定运行。首先回顾了近年来国内外电力系统频率事故的发展过程并结合事故过程中频率特性分析事故原因,结合现代电力系统的特点从多角度分析了高比例电力电子接口装置接入对电力系统频率特性的影响,然后以单机模型为例分析了机组参数对电力系统频率动态过程的多重交互影响,并总结了系统惯量估计、发电机组调频性能监测和两者共同作用对系统频率动态行为影响监测的相关研究及应用情况。最后提出了在未来系统频率特性领域值得探索研究的问题和方向。     

基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法

大规模风电并网导致电网惯量不断削弱、系统频率特性恶化,风电场应根据产生的惯量削弱情况承担维持电网频率安全的义务。首先,根据电网频率约束指标求解维持频率安全的临界惯量,并结合实际惯量求解电网惯量补偿目标。然后,通过计算各风电场对电网惯量的削弱量,按照削弱量比例分配各风电场、风机的虚拟惯量补偿目标;再根据惯量补偿目标和风速动态设置惯性控制增益,使风机、风电场响应惯量补偿目标,能够保障电网惯量安全。最后,在IEEE 39节点算例系统中验证了所提方法的有效性。     

“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨

在能源转型和科技进步的推动下,高比例可再生能源和高比例电力电子设备(即"双高")正成为电力系统发展的重要趋势和关键特征,电力系统的动态行为随之发生重大变化,产生了新的稳定性问题。该文从分析"双高"电力系统的特点出发,先概述"双高"对经典稳定性各个侧面的影响,然后简要归纳"双高"背景下的新型稳定性问题,进一步探讨IEEE经典和扩展稳定性分类的适用性,最后尝试提出一种新的分类方法和框架,在维持经典分类逻辑的同时,兼容新的"双高"场景,希望有利于推动"双高"电力系统稳定性建模、分析与控制研究。     

小功率电力电子系统集成高频化研究

电力电子系统集成理论将是本世纪电力电子技术发展的一个重要趋势。对于小功率电力电子系统集成而言,为了减小体积实现高功率密度以便于集成,高频化是必然的发展趋势。而高频化势必带来一些问题,其中最主要的问题是损耗增加,发热严重等,已经成为了高频化发展的一个瓶颈。本文主要对高频化的问题进行了一些研究和探讨,给出了一些相应的对策。并制作了一台1MHz的ZVS Buck变换器样机进行了实验验证。     

电力电子化电力系统的调频挑战与多层级协调控制框架

电力电子接口装备在源、网、荷的深度应用推进了电力系统的电力电子化进程。净负荷波动增加、同步惯性减小、有功平衡能力削弱,对系统频率稳定的冲击初现端倪。电力电子接口电源的输出功率不响应系统频率变化、输入能量不可控、控制器高度异构,难以纳入传统交流同步系统的有功频率调整框架,而未来的电力系统需要在越来越少同步发电机容量背景下维持有功平衡,问题更加凸显。从电压源型换流器可定制性出发,提出了电力电子化下对电力系统有功频率多层级协调控制的新框架：在接口层面,重建输出功率与系统频率的耦合关系,虚拟同步机的惯性响应与一次调频特性;在单机层面,协调电力电子电源内部储能元件释能和输入能量来提供调频能量,优化虚拟参数实现机网协调,降低频率二次跌落风险;在多机层面,统筹改善频率动态特性的装置和长期频率恢复装置的配合;在系统层面,借助柔性直流输电换流站的下垂策略,重建直流互联的多同步系统间跨区频率支援。     

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。     

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。     

考虑频率安全的电力系统规划与运行优化研究综述与展望

随着可再生能源并网规模的增加,电力系统惯性下降,频率响应能力减弱,频率安全事故凸显.考虑频率安全的电力系统规划与运行优化是提升系统频率响应能力的有效途径.从频率暂态过程、频率安全指标以及频率分析方法阐述电力系统频率安全特性,从源–网–荷–储不同环节梳理各类型频率响应方式原理及在优化问题中的应用现状.在此基础上,提炼考虑...     

直流和新能源高渗透型电网惯性水平多维度评估

随着密集型大容量直流输电工程的推进以及规模化新能源的开发,我国已有部分清洁能源富集地区发展成为典型的直流输电线路和新能源高渗透型电网。多直流异步送出格局下,大量风电和光伏持续替代同步发电机组,系统惯性水平大幅下降,削弱了电网抵御大容量功率扰动的频率响应能力。同时,系统惯性的时空分布特性渐显,使得惯性响应机理更加复杂,亟待针对此类低惯性电力系统的惯性水平评估开展研究。文章基于运行机组旋转动能、惯性变化率和惯性分布指数三个量化指标,提出一种考虑惯性时空分布特性的电网惯性水平多维度评估方法,从总体大小、时间维度、空间维度分别对系统惯性特性进行评估分析,并基于云南电网运行方式数据展开算例分析,测试结果验证了所提出的惯性水平评估方法的有效性。     

高比例风电对电力系统调频指标影响的定量分析

风电对电力系统现有调频体系的影响是否显著历来存在争议。文中考虑常规电源、负荷等与风电频率特性的交互作用,推导了含不同比例风电的系统总功率波动概率模型,进而得到最大频率偏差、静态频率偏差、一/二次调频调整速度、调频备用需求等关键调频指标随置信区间变化的概率表达式,从而提供了定量分析风电对系统调频体系影响的方法。对电网进行仿真分析提供了参考性结论。     

超高频功率变换器研究综述

随着电力电子技术的不断发展,超高频(30~300 MHz)功率变换器逐渐成为研究热点。超高频功率变换器能有效减小系统无源元件的数值与体积,极大地提高系统的功率密度。但是极高的开关频率对系统的开关特性、拓扑特性以及控制特性均提出了更高的要求。该文从超高频功率变换器的发展背景入手,概述了超高频功率变换器的发展现状。介绍并比较了目前超高频功率变换器的主要拓扑,同时讨论分析了适用于超高频功率变换器的谐振驱动方式以及控制方法。为超高频功率变换器的后续研究提供了参考。