虚拟惯量控制方式下永磁风力发电机组轴系扭振机理分析

基于风电并网系统的状态空间平均模型,分析传统比例微分(PD)虚拟惯量控制方式下兆瓦级直驱永磁风力发电机组(D-PMSG)的轴系扭振机理及其影响因素,提出一种改进型PD虚拟惯量控制方法,以抑制D-PMSG轴系低频扭振。分析表明,传统PD虚拟惯量控制的引入,会降低DPMSG轴系的阻尼比,影响机组的稳定运行;降低PD虚拟惯量控制的微分系数的模值可以提高风电机组轴系的阻尼比,却会降低风电机组的频率响应能力。所提出的改进型PD虚拟惯量控制方法,通过引入永磁发电机组转速补偿项,从而提高系统阻尼比。该方法能在保证风电机组的频率响应能力的同时,有效抑制虚拟惯量控制引起的轴系低频扭振,提高系统的稳定性。仿真实验验证了理论分析和改进型PD虚拟惯量控制方法的有效性。     

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。     

一种新型风电场虚拟惯量协同控制策略

常规比例—微分(PD)虚拟惯量控制策略可使直驱式风电机组为系统提供频率支撑,但其控制参数和算法固定,在风电场多机并网条件下调频效果欠佳。文中给出了PD虚拟惯量控制方式相关参数的整定方法,分析了不同风速区机组转子动能和变流器容量对机组调频能力的影响。据此提出了一种考虑机组间调频能力差异的虚拟惯量协同控制策略,该策略引入转子动能评估因子和变流器容量限制因子以体现功率协调。风电场仿真结果表明,该控制策略在充分发挥各机组调频能力的同时避免了系统频率的二次跌落现象,调频效果得到进一步改善。     

考虑风电机组超速减载与惯量控制的电力系统机组组合策略

随着风电渗透率的提高,电力系统将面临惯量支撑和频率响应能力不足的问题.风电机组通过虚拟惯量控制及超速减载控制可具有调频能力.文中在传统机组组合模型的基础上加入计及风电机组调频的频率动态约束.首先,推导风电机组不同减载量下的虚拟惯性时间常数大小.然后,对计及风电机组调频的多机系统建模,并推导扰动后频率最低值的表达式.接着,构建考虑动态频率约束的机组组合优化模型,并采用多元分段线性化技术解决频率约束高度非线性特征的问题.最后,以含风电并网的10机系统为例进行计算分析,结果验证了风电机组参与调频在机组组合决策中的可行性.所提模型与传统机组组合相比,在满足经济性的同时提高了系统稳定性.     

高风电渗透率系统的模糊自适应虚拟惯量控制

随着风电大规模并网,电力系统逐渐发展为低惯量系统,广泛推广风电机组转子惯性控制技术对于提高系统的频率稳定性具有重要意义。该文通过对双馈风电机组和火电机组调频特性的分析以及对双馈风电机组等效惯性常数的研究,提出了风-火系统模糊自适应虚拟惯量控制策略。首先根据风电机组运行工况和系统风电渗透率模糊动态决策出了风电场调频比例系数,其次基于风电机组辅助惯性控制微分系数与风电机组等效惯量常数的关系和风火联合增量系统模型整定了风电机组虚拟惯性控制参数的变化范围,最后设计算例验证了所提自适应调频控制策略的有效性。仿真结果表明该策略不仅使得风电机组在各种运行工况下均能够提供可靠的有功支撑,还保证了调频过程中风电机组的稳定运行,提高了系统的频率稳定性。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对电力系统机电振荡的影响分析

虚拟惯量控制能使双馈风电机组为电网提供类似同步发电机的调频特性而得到广泛关注,但同时这种有功—频率外特性将不可避免地使双馈风电机组参与到同步发电机的机电振荡模式中,导致系统动态变得更为复杂。为了揭示双馈风电机组中虚拟惯量控制对电力系统机电振荡模式的影响规律,文中建立了基于虚拟惯量控制的双馈风电机组并网系统小信号模型,采用模态分析法分析了虚拟惯量控制相关控制回路(即虚拟惯量模拟环、锁相环和有功控制环)对同步发电机间机电振荡模式的影响规律。基于改进四机两区域系统的研究表明,增大下垂系数和适当增大滤波时间常数能改善系统阻尼,锁相环带宽和功率外环带宽过小将使双馈风电机组有功控制延迟,从而无法提供正向的阻尼转矩,导致系统阻尼减小。     

基于虚拟惯量控制的风电电力系统电压稳定性研究

含风电电力系统外送是解决能源丰富基地电力消纳问题和负荷中心能源短缺问题的主要方案。随着双馈风电机组并网容量的不断增大,研究含双馈风电机组的风电电力系统电压稳定性的意义重大。大规模风电并网后导致电力系统总转动惯量下降,系统稳定性降低,具备附加虚拟惯量控制的风电机组可改善系统点电压稳定性。分析了风电电力系统稳定性机理和双馈风电机组的附加虚拟惯量控制策略。利用DIgSILENT/PowerFactory电力仿真软件绘制哈密地区三个风电场群的P-V、Q-V曲线得到有功裕度与无功裕度,并对比分析了附加虚拟惯量控制前后对系统静态电压和暂态电压稳定性的影响。仿真结果表明,附加虚拟惯量控制不仅能提高静态电压稳定极限,降低电力系统有功无功灵敏度,提高系统静态电压稳定性,而且能抑制频率和转速剧增,增加功率,从而提高系统暂态电压稳定性。     

基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略

针对双馈风电机组(DFIGs)不具备调频控制能力的问题,设计DFIG一次调频控制策略,实现了DFIG参与电网一次调频。研究DFIG功率控制原理和频率响应过程,并考虑虚拟惯量、频率下垂控制对应的响应时间尺度不同,提出基于虚拟惯量和频率下垂控制的DFIG一次调频策略,增强了DFIG应对频率变化时的暂态和稳态功率调节能力。基于RT-LAB软件搭建了DFIG频率响应控制的半实物仿真平台,仿真与实测结果验证了该方法能够有效提高DFIG电网频率适应性。     

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。     

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。     

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。     

不同渗透率下风机惯量提升控制研究

传统火电机组不断被新能源替代,导致电力系统有效惯量不断减少、调频压力增大。因此研究新能源发电惯性控制技术对维持系统频率稳定具有实际意义。在深入研究双馈风机基础上提出风机转动惯量以及虚拟惯量量测方法,结合传统控制方法和机组自身惯量特性提出双馈风机自适应惯量控制策略。控制策略根据风机占比及风电机组运行工况,调整风机调频比例系数控制机组对电网提供动态调频支撑。最后利用Simulink进行仿真验证所提策略有效性和可行性。仿真结果表明,在不同风机渗透率下均能提供有效惯量补偿,有效提高风机系统频率稳定性。     

风剪切和塔影效应作用下直驱式风电并网系统虚拟惯量控制

风剪切和塔影效应使直驱式风电机组成为强迫功率振荡扰动源,虚拟惯量控制可使风电机组同时具备向系统提供惯量支持和抑制扰动的能力。通过分析虚拟惯量控制中比例-微分环节对系统阻尼、风机轴系扭振和扰动源的影响,提出了虚拟惯量控制的改进方案。在VIC补偿量中引入风机输出功率给定量和二阶带通滤波器,实现了比例、微分系数的等效等比增大。算例分析和仿真结果表明,改进方案在不减少系统阻尼和不降低轴系稳定性的前提下,提高了虚拟惯量控制对强迫功率振荡扰动抑制的能力。     

基于参数模糊推理的风机虚拟惯量优化控制策略

随着风电渗透率的增大，利用风电提供虚拟惯量提高系统频率稳定性成为必然需求。但风机固有速度控制器和虚拟惯性控制环节的控制目标存在差异，导致风机的调频效果得不到充分发挥。鉴于此，提出一种基于参数模糊推理的虚拟惯量优化控制策略。通过建立含风电的电力系统频率响应模型，分析了风电主动参与调频对系统频率响应的影响。进一步,从采用附加功率虚拟惯量控制风机的输出增量组成中，推导得出速度控制器输出的调频抑制量。同时，将附加功率量转化为转速释放量，作为速度控制器参考转速调整量，并采用模糊推理算法动态调整虚拟惯量控制参数，避免了固有速度控制器和虚拟惯性控制环节间的矛盾。仿真结果表明，所提方法消除了固有速度控制器对调频的不利影响，可有效改善调频性能，提高了系统的频率稳定性。     

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。     

东北电网风电惯量及一次调频实测与分析

针对东北电网直流送端高比例风电系统频率稳定问题,国家电网东北分部组织开展了风电场惯量及一次调频全网扰动试验,首次实现了风电虚拟惯量的工程应用。基于系统频率扰动试验数据,分析了东北电网频率动态特性,计算得出了东北电网等效惯量水平和频率极值特性系数,量化了系统抵御频率扰动的能力;在介绍网源协调示范风电场惯量响应及一次调频实现方案基础上,对比分析了不同实现方案风电机组惯量响应特性,得出了不同示范风电场一次调频参数指标,试验证明了风电虚拟惯量及一次调频的可行性与有效性,对大规模风电参与系统惯量支撑及一次调频的工程应用具有指导与借鉴意义。     

储能虚拟惯量主动支撑与调频状态转移控制

释放储能装置的频率支撑潜力,将是提升风、光高占比系统并网稳定性的关键。该文首先对比分析常规发电机组的固有惯量、风电机组的虚拟惯量及储能的惯性支撑特性。其次,根据系统中的储能容量配置,约束量化储能的虚拟惯量,为系统惯量需求提供评估依据,以保障频率安全。在此基础上,利用储能独特的功率支撑特性,提出恒频控制与调频状态转移控制结合的储能并网频率主动支撑控制策略,突破虚拟惯量及一次调频的传统控制模式。最后,搭建风电高渗透电网仿真系统,验证储能装置在所提控制策略下能够显著提升系统的频率稳定性,改善其对电网的主动支撑性能。     

直驱永磁风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性影响分析

虚拟惯量控制方式下,直驱永磁风力发电机组(DDPMSG)能够为电力系统提供较好的频率支撑,但虚拟惯量控制使DDPMSG与系统之间产生了新的耦合关系,给系统的小干扰稳定带来新的影响。建立了包含DDPMSG的风电并网系统状态空间平均模型,并通过线性化得到其小信号模型。基于该小信号模型,利用特征分析法分析了虚拟惯量控制的比例系数和微分系数对风电并网系统的小干扰稳定性的影响,同时对比分析了虚拟惯量控制及最大功率跟踪控制对系统小干扰稳定的影响。结果表明虚拟惯量控制对系统阻尼特性的影响与DDPMSG接入系统的位置及容量有关,且主要影响其所接入区域的局部振荡模式和系统的区域振荡模式。     

双馈风电机组变系数虚拟惯量优化控制

传统的变速恒频风力发电机采用电力电子变流器控制,导致机组输出功率与系统频率解耦,使风力机无法响应系统频率变化,降低了系统转动惯量。在分析双馈风力发电机运行特性和虚拟惯量特性的基础上,研究了双馈风力发电机采用虚拟惯量控制的机组转速变化与输出功率的关系,提出了同时考虑调频效益和调频成本的变系数虚拟惯量控制策略。该控制策略分别以调频时双馈风电机组输出功率、转速恢复时间衡量调频效益、调频成本的大小,并采用遗传算法离线计算机组不同运行状态下的调频系数曲线和机组转速变化程度的最优值,以实现机组频率控制系数随机组转速变化而改变。根据计算所得调频系数曲线在MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,结果表明所提方法能够使双馈风电机组在不同运行状态下响应系统频率变化,并保证机组自身稳定运行。