风电机组虚拟惯量控制的应用方法研究

分析了风电机组参与电网调频存在的特点和限制,从频率事件检测、风机转速保护、风机转速恢复三个方面对已有虚拟惯量控制方法进行了优化,提出了一种实用的风电虚拟惯量控制方法,并给出了该方法在实际风机中应用的具体步骤,最后通过仿真分析和实验测试,验证了所提方法在实际风机中应用的可行性。仿真和实验结果表明,基于所提的虚拟惯量控制方法,风电机组能够在有效参与系统调频电网调频后及时平稳地恢复到最优转速运行,从而提高风电机组的发电效率, 并为参与下一次调频控制提供了条件。     

风电机组虚拟同步及惯量控制方法分析与测试评估

为了横向对比目前主流风电机组虚拟惯量控制的性能与效果,首先形成了评价指标体系,然后基于实时数字仿真器(real-time digital simulator,RTDS)和气动分析软件GH Bladed构建了2MW双馈风电机组数字镜像系统,进而详细分析了各种惯量控制方式在电网频率阻尼、弱网运行稳定性、电网频率二次跌落和机组载荷影响等方面的优缺点。研究结果表明:不同的虚拟惯量控制方式在频率阻尼方面的效果类似;惯性同步控制(inertial synchronization control,ISynC)以及虚拟同步控制(virtual synchronous generator control,VSG)能显著提高机组弱网稳定运行的能力;此外,虚拟同步控制在降低电网频率二次跌落以及减小塔架疲劳载荷方面效果明显,可为今后的研究提供横向对比的实验支撑。     

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。     

虚拟惯量控制对直驱风电机组载荷影响的分析及评估

针对虚拟惯量控制诱发风电机组机械载荷的问题,开展虚拟惯量控制对采用直驱永磁同步发电机（D-PMSG）的风电机组载荷影响的理论分析和仿真评估研究。从叶片、塔筒等机械结构低阶模态出发,建立虚拟惯量控制下D-PMSG线性化多体动力学模型,并通过线性化多体动力学模型分析虚拟惯量控制对机组载荷的影响机理。采用软件联合建模方法,构建涵盖永磁同步电机及其控制、电网、机械和气动特性等的D-PMSG非线性机电耦合模型。依据冲击载荷最大值、最大变化幅度百分比及等值疲劳载荷等指标,通过所建立的非线性机电耦合模型仿真分析并量化评估虚拟惯量控制对机组冲击载荷和动态疲劳载荷的影响。结果表明,D-PMSG附加虚拟惯量控制后,电网侧频率突变会使得传动轴和塔底侧向出现显著冲击载荷,且其随虚拟惯量时间常数增大而增大,在湍流风运行工况下机组传动轴和塔底侧向等值疲劳载荷较无附加虚拟惯量控制均有所减小。     

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。     

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。     

应用于双馈感应风电机组中的虚拟惯量控制研究

介绍了双馈感应风电机组发电系统原理、气动模型和机械模型的建立,分析了最大功率追踪控制、桨距角控制以及虚拟惯量控制,在Matlab/Simulink仿真软件中搭建双馈感应风电机组发电系统模型,通过电力电子变流器控制对电力系统频率响应的影响进行仿真验证。仿真结果表明:虚拟惯量控制的实施给双馈感应风电机组提供一个虚拟惯量,这一虚拟惯量由存储在转子中的旋转动能提供,并对系统频率起到了支撑作用。     

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%。     

基于状态观测器的风电机组单机储能系统虚拟惯量控制

随着风电在电力系统中的渗透率越来越高,特别是大规模风电场或风电集群集中接入电网,风电出力的波动性对电力系统的调度和频率稳定等诸多方面带来了不可忽视的影响。针对变速恒频风电机组通过变频器并网、机组功率与系统频率完全解耦、不具备惯量响应特性的问题,就风电机组单机储能系统基于扩张状态观测器提出一种利用储能补偿风电机组惯量的控制策略。该控制策略采用扩张状态观测器估计系统频率的变化率,将未知测量噪声和外部扰动作用作为扩张状态进行估计可较好地解决频率变化率测量中的噪声对控制效果干扰的问题。同时还可以通过变参数控制实现风储联合系统虚拟惯量的动态调节。以1.5MW直驱风电机组配备350kW储能为对象的仿真结果表明该策略能够在不影响风电机组最大功率追踪的情况下,有效补偿风电机组虚拟惯量,使风储联合系统输出功率迅速响应系统的频率变化,较比例微分(PD)虚拟惯量控制能更好地抑制电网频率波动,提高风电机组对电网的频率支撑能力。     

基于频率响应区间划分的风电机组虚拟惯量模糊自适应控制

根据系统频率波动区间自适应调整风电虚拟惯量参数有利于改善系统频率响应特性.首先分析了典型高比例风电系统频率响应动态过程,进而建立了含风电的电力系统频率响应线性化模型,揭示了风电虚拟惯量参数的变化对系统频率稳定性及动态性能的影响及变化规律,确定了虚拟惯量参数稳定取值范围.在此基础上,提出了一种基于频率响应区间划分的风电机...     

双馈风电机组的综合虚拟惯量控制策略

频率稳定性是电力系统稳定运行的重要保证,大规模风电并网后造成电力系统总有效转动惯量下降,使得电力系统的频率稳定性降低。对双馈风电机组的惯量支持能力进行了分析,并对传统虚拟惯量控制加以改进,提出一种基于稳态频率响应的虚拟惯量控制策略。在DIgSILENT PowerFactory仿真软件中建立了对应的模型,验证了在该控制策略下,双馈风电机组可更有效地对系统频率变化作出响应,从而抑制频率波动。     

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。     

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。     

大容量双馈风电机组虚拟惯量调频技术

针对风电机组不主动参与电网频率调节的问题,量化评估了大容量双馈风电机组利用风轮旋转动能进行调频的能力,提出了基于附加转矩的风电机组虚拟惯量调频控制方法,并研究了其实现原理与控制策略,建立了大容量双馈风电机组Bladed+MATLAB联合仿真模型,实现了虚拟惯量调频全过程动态仿真。首次在MW级风电机组上进行了虚拟惯量调频现场试验,揭示了大容量风电机组虚拟惯量调频的动态特性与技术特点。试验结果表明了理论与仿真分析的准确性及控制策略的有效性。     

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。     

双馈风电机组虚拟惯量控制量化分析与参数优化整定

风电机组虚拟惯量控制与锁相环、滤波器等环节交互耦合,各环节及参数对惯量响应特性的影响机理尚不明晰,不利于虚拟惯量控制优化与参数整定。为此,首先建立了考虑锁相环动态特性、滤波器带宽的双馈风电机组虚拟惯量附加控制详细状态空间模型,从系统稳定性与阻尼特性2个方面,量化锁相环参数、滤波时间常数、虚拟惯量系数对风电机组惯量响特性的影响与变化规律;在此基础上,从系统小干扰稳定、惯量时间常数、阻尼比角度出发,探讨了上述参数的优选取值范围,并提出了虚拟惯量关键参数优化整定方案。最后,在Matlab/Simulink中搭建了双馈风电机组接入无穷大电网仿真模型,仿真验证了理论研究与所提参数整定方案的合理性与有效性。     

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。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制

双馈风电机组采用电力电子变流器控制使得机械部分与电气部分解耦,大规模风电并网后电力系统总有效转动惯量下降,增加了系统的调频压力。文中通过对双馈风电机组运行及控制特性的分析,研究给出了反映机组有效储能的等效虚拟惯性时间常数的计算方法,提出了基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化以及动态识别机组运行状态,修改控制参数控制机组有功输出,释放或吸收机组有效动能,对电网提供动态频率支撑。在理论分析基础上进行时域仿真验证,仿真结果表明,双馈风电机组变参数虚拟惯量控制在机组各种运行工况下实现了对系统频率的有效支撑,提高了电力系统频率稳定性,且保证了机组调频过程中自身运行的稳定性。