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。     

考虑频率响应分散性及系统分区的含风电系统等效惯量估计

随着电力系统中新能源机组渗透率的快速提高,系统惯量水平下降将威胁系统频率稳定性,惯量的空间分布特征也将更加凸显,频率响应的分散性将不能被忽略。针对以上问题,提出一种考虑频率响应分散性及系统分区的含风电电力系统等效惯量估计方法。首先,为降低频率响应分散性对估计精度的影响,基于谱聚类算法对电力系统进行分区,并基于皮尔逊相关系数定义频率相似度指标确定区域频率的最优测量节点。其次,由于测量所得的频率变化率(rate of change of frequency, RoCoF)曲线中包含大量的振荡分量,提出一种基于摇摆方程的数值积分方法估计区域及系统全局惯量。最后,在DIgSILENT/PowerFactory中建立改进IEEE10机39节点系统以验证所提方法的有效性。仿真结果表明,该方法适用于不同场景下含风电系统的等效惯量估计。     

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。     

考虑动态频率约束的电力系统最小惯量评估

新能源高占比系统带来的低惯量问题已严重影响大扰动下系统频率稳定性,频率各项指标愈发接近安全域边界。为量化系统频率响应能力,明晰系统运行边界,该文在分析系统惯量需求必要性基础上,提出考虑频率变化率(rateof change of frequency,RoCoF)及频率最低点约束的系统最小惯量需求评估方法。在RoCoF约束方面,将静态负荷电压特性引入评估模型,并根据扰动瞬间功率分配机理对大电网动态频率空间分布特征进行量化;在频率最低点约束方面,通过建立含多类型调频资源的系统频率响应模型进行最小惯量评估。根据所提方法,给出考虑我国电网运行特性及稳定性要求的送、受端系统最小惯量评估方法。根据不同频率约束下的惯量不足,给出可行应对措施,并分析各项措施与最小惯量关系,包括直接增大系统惯量、电力电子电源快速调频、降低扰动功率和放宽频率约束等。最后,采用改动的WSCC 3机9节点系统和大电网系统,验证方法有效性和准确性,为保障系统稳定运行及运行方式安排提供理论支撑。     

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...     

计及异步电机频率响应的电力系统最低惯量评估

随着大规模新能源等电力电子器件的并网,电力系统惯量水平逐渐降低,系统转动惯量需求产生新的变化,负荷侧频率支撑能力显得愈发重要。针对这一问题,系统分析了异步电机的频率响应特性。基于小信号分析法提出一种机电暂态下异步电机建模方法,构建计及异步电机频率响应的电力系统频率响应模型。在深入分析新型电力系统惯量特性的基础上,考虑系统最大频率变化率、最大频率偏差以及备用容量限制等频率安全约束,构建了电力系统最低惯量评估模型并通过遗传算法进行求解。最后,在Matlab和PSASP平台上进行算例仿真和分析,验证了所提异步电机频率响应模型以及最低惯量评估结果的正确性和有效性。     

计及多模态分量的新能源电力系统节点频率分析方法

“双碳”背景下,大规模新能源接入电力系统,频率响应空间分布差异扩大,此时各节点频率响应中的非全局分量可能主导频率稳定问题,而对于此类问题的研究目前尚不充分。为此,基于频率响应模态分解思路,提出新能源电力系统节点频率响应量化分析方法。首先,用惯量-阻尼-调频系统统一结构近似各类型设备频率-有功传递函数。然后,基于二次特征值分析方法将各节点频率响应进行分解,获得共模频率与若干差模频率的表达式。进一步地,解析了各频率分量的最大偏移量、变化率等关键特征量,并类比总惯量与全局频率变化率间的对应关系,针对各节点各模态频率分量定义了节点模态惯量指标。所提频率分解方法与指标直观地展示了电力系统中各差模频率的节点分布差异。最后,仿真验证了所提频率分解方法和指标的有效性。     

构网型和跟网型电力电子装备混联系统惯量响应的匹配问题综述

构网型和跟网型电力电子装备具有异质化调频特性,导致2类装备交直流混联系统惯量响应阶段的动态交互作用机理复杂,传统的惯量参数匹配原则难以优化系统频率响应的问题。阐述了电力电子装备系统的惯量响应匹配问题,并对现有电压源型变流器的调频控制方法进行了概述。从功频响应分析方法、调频功率分配原则和频率响应特性3个方面对电力电子装备系统惯量配置问题的研究现状展开梳理。对电力电子装备混联系统的统一建模及惯量响应匹配问题提出了研究思路,旨在通过惯量支撑功率的匹配控制提升低惯量电力系统的频率稳定性,从系统层面为高比例电力电子装备友好并网提供基础理论和关键技术支撑。     

基于机电扰动传播特性的电网惯量分布辨识方法

大规模新能源通过电力电子设备并入电网,影响电力系统的动态运行特性。惯量是反映电网抗频率扰动能力的重要特性指标。基于机电扰动传播特性建立数学模型,通过分析扰动传播速度与惯量之间的映射关系,提出了电网母线节点的惯量分布辨识方法,实现对电网不同节点的频率抗扰动能力的在线评估。基于惯量分布结果,进一步评估了新能源接入对电力系统惯量特性的影响。通过IEEE 39节点系统仿真验证了所提惯量分布辨识方法的有效性,分析了新能源接入对电网惯量分布的影响。     

面向频率稳定提升的虚拟同步化微电网惯量阻尼参数优化设计

为了解决电力电子化微电网惯性小、频率稳定性弱的问题,该文采用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术来提升微电网的稳定性。VSG能够模拟传统同步发电机的惯量和阻尼等特性,为系统提供惯量和阻尼支撑。首先建立含虚拟同步发电机的微电网模型,然后研究VSG的虚拟惯量和虚拟阻尼对频率稳定的影响,并提出面向频率稳定的虚拟同步化微电网虚拟惯量和虚拟阻尼参数优化设计方法来提升系统的频率稳定性,最后以3机9节点的虚拟同步化微电网系统为例验证该文方法的有效性。     

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。     

高渗透率新能源并网对电网频率特性参数的影响分析

新能源发电不具备惯量能力和一次调频能力,随着电网中新能源渗透率的不断增加,会严重影响系统的频率稳定性。在MATLAB/Simulink中建立考虑新能源发电接入的电力系统频率响应模型,在此基础上理论分析了频率响应过程中各参数的解析表达式,并利用频率响应综合评估模型对不同新能源渗透率下的电网频率响应进行仿真,从新能源渗透率角度分析了电力系统频率特性指标受影响程度,为从新能源渗透率角度分析电力系统频率特性指标提供了参考。     

考虑频率模态特性的虚拟同步机惯量与阻尼分析和控制设计

随着新能源渗透率的不断提高,系统调频资源不足且分布不均特性明显,节点频率响应之间差异大。设备的调频控制设计不仅需要考虑系统频率响应中的全局分量,也需要考虑非全局分量。为此,提出兼顾频率多模态分量的虚拟同步机惯量与阻尼设计方法。首先,分析了虚拟惯量与阻尼控制对不同频率模态分量的影响;其次,利用调频统一结构模型,揭示了高阶调频动态对不同频率分量可表现不同惯量与阻尼的特性,进而基于此特性提出多模态惯量和阻尼控制设计方法;最后,仿真验证了提出的多模态调频控制策略的有效性,可同时改善多频率分量响应特性。     

考虑电网结构和参数的电力系统惯量分布特性

随着电力系统中新能源大规模接入,系统惯性时间常数下降以及惯量分布不均的特性突显.对此,文中利用节点计算惯量这一指标表征节点阻碍频率变化的能力,进而考虑电网结构和参数分析系统的惯量分布特性.然后,分别对两机系统和多机系统节点计算惯量进行了理论推导,获得了节点计算惯量的解析表达式,并在两机系统、8机36节点系统中对节点计算惯量进行了验证和分析,同时对节点计算惯量进行了灵敏度分析以研究区域间惯量的相互影响.分析结果表明:通过系统参数获取节点计算惯量能够定量表征系统惯量分布特性.     

含高比例新能源的电力系统频率稳定研究综述

作为“双碳”战略目标的关键载体,含高比例新能源的电力系统具有惯量水平低、调频能力差、抗扰性能弱等特征,对频率稳定带来了全新挑战,迫切需要深入认识能源转型背景下的频率稳定形态。该文按照“建模分析—稳定评估—调频控制”的路线,归纳近年来国内外关于频率稳定的研究及其应用进展。首先,梳理现有频率稳定定义的特点,将其引申为考虑暂态频率安全的广义频率稳定概念,分析含高比例新能源电力系统的频率响应过程;按照系统全局频率和网络节点频率两个视角分析现有特性建模与分析方法,分别总结频率稳定性、频率安全性的评估方法与评估指标,初步建立考虑频率时空分布特性的节点频率安全性指标;列举并归类源网荷储多主体参与系统调频的控制策略,分析相关频率调控措施的特点;最后,结合现有研究进展,对含高比例新能源的电力系统在频率响应特性建模、频率稳定机理评估以及频率稳定协调控制方面的未来发展方向和研究趋势进行展望。     

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。     

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。     

电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析EI北大核心CSCD

高比例新能源和高比例电力电子设备电力系统中,频率安全问题突出。惯量和虚拟惯量被认为是改善系统频率动态的关键因素。针对电力系统频率动态问题,综述并分析不同物理惯量及虚拟惯量的响应特性和影响。分析同步电机惯量、异步电机惯量、直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)惯量、双馈风机(doubly fed induction generator,DFIG)惯量等旋转设备物理惯量对系统频率动态的影响。同步电机惯量、异步电机惯量、双馈风机惯量均会影响频率动态,但响应特性不同。比较电力电子设备虚拟惯量响应2种不同实现方式的区别,分析虚拟惯量响应所需储能以及控制响应延时的影响。电力电子设备可提供频率的稳态支撑加暂态支撑,虚拟惯量控制是暂态支撑的1种,但需要根据系统不同频率动态控制要求研究不同的暂态支撑控制策略。     

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Voronoi图重心内插法的虚拟惯量配置

随着新能源在电力系统中的渗透率逐渐增加,系统对频率的支撑能力越来越差,为系统配置虚拟惯量是解决支撑问题有效的途径,有效分配虚拟惯量是一大难点。针对该问题,提出基于Voronoi图插值法对虚拟惯量进行优化分配。建立电力系统中虚拟惯量的数学模型,通过李雅普诺夫直接法判定系统稳定性并以其判定矩阵的二范数作为综合评价性能指标,分析多个影响因子相互作用对系统频率稳定性的影响。利用Voronoi图重心内插法寻找配置惯量最优解,通过仿真对优化结果进行验证,仿真结果表明相较其他传统方法,应用该方法对虚拟惯量进行配置,结果较精确,计算速度较快,能够更有效地利用虚拟惯量,提高系统频率稳定性。