考虑风储协调运行的频率控制策略研究

随着电网中风电渗透率逐渐升高,研究风电机组的频率控制特性对于提高系统安全稳定运行水平意义重大。与常规同步发电机基于惯性响应、一次及二次调频向系统提供频率支撑不同,双馈风力发电机一般采用电力电子变换器并网,导致其对于系统频率波动几乎没有响应。为此,已有文献提出了不同的风力发电机频率控制策略以提高频率响应。然而,现有控制策略在面对风速较低的运行场景中控制效果极其有限,导致实用性不强。针对上述问题,提出了一种考虑风储协调运行的频率控制策略,以提高双馈风力发电机的调频能力。该控制策略能灵活协调风力发电机和储能设备的有功输出,使得风储联合系统在低、中、高风速不同工况中表现出良好的虚拟惯量控制能力。     

直驱风电机组虚拟同步发电机控制策略研究

介绍了直驱式风电机组的虚拟同步发电机实验系统及控制策略。风电机组的虚拟同步发电机功能要求机组有功功率响应于电网频率变化率及变化量,即虚拟惯量及一次调频。此处介绍了一种电力电子电网模拟实验系统。该系统能真实有效地模拟电网电压频率变化工况,虚拟同步发电机功能的实现对风电机组尤其是变流器的控制策略提出了更高要求,为此特别给出了风电机组的虚拟同步发电机功能控制实现方法。利用该实验系统在风电现场进行了并网测试,验证了该实验系统及风电机组控制策略的有效性。     

基于虚拟同步发电机的固态变压器交流端口柔性控制策略研究

固态变压器(solid state transformer, SST)能实现传统电力变压器的变压、隔离作用,还可实现灵活的电能调控作用,但不具备传统同步发电机的机械特性及同步运行机制。当分布式电源经SST接入电网时,由于其出力的随机性和波动性,将对上级电网造成冲击,导致电网电压/频率波动。提出一种基于虚拟同步发电机的SST交流端口控制策略。首先,建立模块化多电平型输入级和同步发电机等效模型,将虚拟同步发电机原理融入输入级控制策略,以提高SST并网端口的电能质量、惯性及阻尼特性,并使其具备参与电网调频、调压能力。其次,提出储能装置辅助调频控制,保障SST参与一次调频时低压系统负载功率消耗平衡。最后,确立了输出级虚拟同步发电机控制策略,以提高低压交流端口负荷功率响应特性,实现SST对上级电网的友好性。在Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,验证了所提SST拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性。     

并离网无缝切换储能系统的控制

研究并离网无缝切换储能系统的控制方法,以提高储能系统的电网适应性,使储能系统接入电网更加安全、可靠。引入虚拟同步发电机控制技术和静态开关装置,建立并离网无缝切换储能系统。通过对虚拟同步发电机控制技术进行分析,使储能系统能够模拟同步发电机的外特性,实现惯性模拟和调频调压功能。进行并离网无缝切换储能系统试验,结果表明,通过虚拟同步发电机控制技术及静态开关装置,储能系统并离网切换时不需要变换控制策略,可以实现无缝切换,具有友好的并网能力。     

风电参与电力系统调频综述

目前风电并网运行渗透率逐步增大,利用风电参与电网频率调整,增强系统运行的稳定性已经成为国内外研究的热点问题。综述了风电参与系统频率调整的控制策略研究进展,对比研究了虚拟惯性控制、下垂控制、转子转速控制、桨距角控制、附加储能系统等不同控制策略,明确了各种控制策略的原理、优缺点以及适用范围。分析了风电场内不同风机之间的协调控制算法以及风机与其他常规机组之间的协调配合控制。阐述了智能算法、虚拟同步发电机技术给风电调频带来的新思路以及电压源型高压直流输电技术的应用给风电调频带来的挑战。最后,展望了未来研究的重点内容:源荷双侧的高度不确定性对风电调频的影响;风电调频算法参数整定的依据;风电参与系统调频容量的评估方法。     

基于虚拟同步机的风光储一体系统运行控制研究

大容量电池储能的应用能够平抑分布式电源输出功率的波动,提高大规模电网对于分布式电源的消纳性。依据传统同步发电机的旋转惯量、阻尼等特性,提出将"虚拟同步发电机"控制技术运用到储能变流器的控制中,实现系统的调压调频和功率控制。对此,设计了储能系统的运行控制策略,在平抑风光发电输出功率的同时,实现系统在并网、孤岛、再并网运行时的电压、频率控制,最后通过Simulink仿真验证了此控制策略的可行性。     

基于虚拟同步发电机并网逆变器的控制方法研究

针对电力电子逆变接口的分布式电源不具备保证系统稳定运行的旋转惯性和阻尼分量的问题,本文以分布式电源系统建模及控制策略分析为基础,提出了一种工作在并网模式下的虚拟同步发电机控制策略。依据同步发电机的原理,设计了有功频率控制算法和无功电压控制算法,在Matlab/simulink环境中搭建了10 k W的光伏并网系统。仿真结果表明,基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器具有与同步发电机相似的调频调压特性,能够较好地适应电网运行要求。     

含基于PI控制受端二次调频的特高压直流虚拟同步控制策略

在传统控制策略下,特高压直流（ultra high voltage direct current, UHVDC）输电系统缺乏惯性和阻尼特征,不能响应交流系统频率变化。针对上述问题,首先,提出一种基于虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）技术的UHVDC输电系统双端换流站控制策略,该方法保留了同步发电机转动惯量和阻尼系数2个关键参数;其次,改进了虚拟转子中频率的计算方法,并加入了基于PI控制器的受端二次调频环节;最后,针对负荷突变情况,在Matlab/Simulink中搭建了一个双端VSG系统模型进行仿真。结果表明,该控制策略具有惯性和阻尼特征,能够减小频率波动幅度、速度和超调量,抑制直流系统电压波动,同时实现频率的无差调节。     

高渗透率风电并网后的调频控制策略研究

大规模风电注入电网后,部分地区电网末端的风电渗透率超过20%,导致电网中传统的同步发电机维持同步运行的调频压力极大,因此对高渗透率下风电机组参与电网调频时的系统频率等特性进行分析就显得极为重要。对双馈感应风力发电机(DFIG)的虚拟惯量控制及变桨距运行方式进行了研究,提出了风电机组参与电网一、二次调频的控制策略并基于改进后的3机9节点系统搭建了相应的频率响应控制模块,在风电渗透率为40%时分别对不同调频情况下系统频率的变化进行了探究,提出了“调频渗透率”和“调频深度”的概念,在同一模型中不改变电网参数的情况下对比分析了不同调频渗透率或调频深度下系统的频率调整特性。最后验证了调频渗透率及调频深度对于系统频率调整及稳定运行的重要作用,并得出了“高渗透率下留有裕量”的一、二次联合调频策略。     

一种提高系统频率响应特性的风储协调控制策略

风电并网规模的不断扩大削弱了电力系统的惯量水平,给频率稳定带来巨大挑战.通过分析不同风速下双馈风机(DFIG)参与惯性响应的能力,给出了一种风速分段方法,从而确定DFIG参与调频的风速范围.在此基础上,提出了一种DFIG与储能技术联合的调频控制策略,根据系统惯性响应和频率恢复2个阶段的频率变化特点,制定风储协调出力模式:在惯性响应阶段,通过虚拟惯性控制使DFIG释放转子动能以阻止频率跌落,并采用超速控制将DFIG转速变化分配至最大功率点跟踪控制运行点两侧以改善调频效果,同时逐渐增加储能系统的输出功率对DFIG后期的调频功率下降进行补充;在频率恢复阶段,将DFIG退出调频模式以避免虚拟惯性控制从系统索取能量,主要依靠储能系统出力辅助同步发电机加快完成一次调频.算例仿真结果表明所提方法能够有效改善系统的频率响应特性,避免二次频率事故的发生,提高了系统的频率稳定性.     

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.     

直流微网中直驱风机的类虚拟同步发电机惯性控制策略

含分布式能源的直流微网惯性低、母线电压易受负荷功率波动影响，而风电机组的转子中蕴含着大量动能，可改变风机侧变流器的控制策略，使发电机转子释放或储存动能，为直流电压提供惯性支撑。首先，通过类比交流电网中的虚拟同步发电机控制，提出了一种适用于直流微网中风电机组的类虚拟同步发电机惯性控制策略。其次，引入与转子旋转动能、变流器可调容量相关的惯性支撑系数，定量评估了不同运行工况下风电机组的惯性支撑能力，以此选择合适的虚拟惯性系数。然后，建立了小信号模型，对所提控制策略进行理论分析，针对初始阶段产生的电压突变，采用前馈补偿进行了修正。研究结果表明，类虚拟同步发电机控制能利用风机的转子动能为系统提供惯性支撑，使直流电压具有更好的动态特性。最后，通过RT-LAB实时仿真平台仿真验证了所提控制策略的有效性。     

计及SOC的电池储能系统一次调频自适应综合控制策略

考虑电池储能系统自身容量限制下提升一次频率响应的自适应性,提出一种计及荷电状态(SOC)的电池储能系统一次调频综合控制策略.建立电池储能系统一次调频动态模型,对比分析了虚拟惯性与虚拟下垂控制对电网频率偏差的调节特性.设计考虑SOC的电池储能系统一次调频自适应综合控制策略,并引入一种由综合考虑频率偏差及其变化率的输入系数与计及电池储能系统SOC的反馈系数相结合的自适应因子,输入系数由模糊逻辑控制器自适应调节,反馈系数通过回归函数自适应调节.最后搭建仿真模型进行阶跃和连续负荷扰动工况下不同控制策略对比分析,仿真结果验证了所提控制策略能自适应控制电池储能系统出力,有效提升一次调频效果.     

基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制策略

针对高风电渗透率下的频率恶化问题,提出一种基于动态任务系数的储能参与一次调频的综合控制策略.首先,在惯性响应阶段采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制;在一次调频阶段采用虚拟下垂控制和虚拟负惯性控制.其次,基于双曲正切函数分别构建适应于惯性响应阶段和一次调频阶段的动态任务系数模型,根据频率偏差变化率和频率偏差的变化,动态调整一次调频过程中虚拟惯性控制、虚拟负惯性控制及虚拟下垂控制所承担的调频任务比例.根据储能荷电状态(SOC)和系统最大频差来调整负惯性控制单位调节功率,从而加速频率恢复;在虚拟下垂控制的基础上,提出变虚拟下垂控制单位调节功率方案,使虚拟下垂控制单位调节功率随SOC自适应变化.最后,以某区域电网为例,在阶跃负荷扰动和连续负荷扰动工况下验证了所设计策略的有效性.     

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。     

虚拟同步发电机的相角控制方法

虚拟同步发电机技术利用电力电子变换器模拟同步发电机的特性,使变流器具有同步发电机一次调频、一次调压、阻尼及惯性等特性,增强了变流器对电网电压及频率的支撑作用,提高了电网接入的友好性。提出一种利用常规锁相环校正虚拟同步发电机频率和相位的方法,在启动并网及强扰动过程中校正频率和相位的不合理偏移,减小了上述工况下的振荡及失控风险,并通过实验验证了方法的可行性。     

混合储能参与风力发电场的调频控制策略研究∗

在“双碳经济”新模式下,风电装机量的大幅度增加降低了电力系统的惯性和频率调节能力.针对现行单 一蓄电池储能存在的调频速率慢、充放电循环次数少的问题,提出一种混合储能参与风电场调频的控制策略.利用飞 轮-蓄电池新型混合储能模式优化储能系统结构,以飞轮储能充放电优先的原则,充分发挥2种储能优势;再结合虚 拟同步发电机控制策略,在满足风电场频率调节需求的同时, 为电力系统提供一定的阻尼和惯量支持; 最后通过 MATLAB/Simulink仿真平台搭建风-储系统模型,对比单一蓄电池储能,验证所提策略的有效性.     

储能电池参与一次调频的综合控制方法

为实现虚拟下垂与虚拟惯性2种控制方法优势互补,提出了一种储能电池(BES)参与一次调频的综合控制方法,该方法全面考虑了不同频率区间下电网对调频的需求、2种控制策略的优势与储能自身容量限制等因素。通过分析储能虚拟惯性控制策略对系统动态特性的影响,发现其阻碍频率恶化的同时也会阻碍频率的恢复,提出了一种虚拟负惯性控制策略;在此基础上,为了保证储能电池荷电状态(SoC)的维持效果,提出了一种考虑SoC反馈的自适应控制规律。最后,为了充分利用虚拟惯性控制与虚拟下垂控制的优点,定义了合适的频率偏差临界值,依据系统调频需求,选择相应的控制策略。以典型区域电网为例,在MATLAB中对1.5%阶跃扰动与20 min连续扰动进行仿真验证,并对调频效果和SoC维持效果进行综合评价,验证了所提方法的有效性。     

基于变步长功率跟踪的有功备用式PV-VSG控制策略

传统光伏发电系统多以最大功率跟踪方式并网,不具备有功调频能力,而将其改造的光伏虚拟同步发电机多以配备储能的方式实现虚拟同步功能,但储能设备过于昂贵,主电路改造成本较大。针对上述问题,在不改造传统集中式光伏逆变器主电路的情况下,提出一种基于变步长功率跟踪的有功备用式光伏虚拟同步发电机策略,通过有功备用方式实现虚拟同步功能,节省改造成本,所提方法克服了固定步长跟踪方法快速性和稳定性不能兼容的问题,并且使光伏虚拟同步发电机快速精确地提供惯性及阻尼支撑控制。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

改善微电网频率稳定性的分布式逆变电源控制策略

基于电力电子换流器并网的分布式能源对微电网系统的惯性几乎没有贡献,这将成为分布式能源大规模接入微电网之后面临的新问题。虚拟同步发电机控制策略作为一种能够使含储能装置的分布式逆变电源具有虚拟惯性的方法,对改善微电网系统频率的稳定性具有重要作用。在理论推导及分析虚拟同步发电机控制与微电网关系的基础上,提出了一种改善微电网频率稳定性的分布式逆变电源虚拟同步发电机整体控制策略,将同步发电机的转子运动方程、一次调频特性及无功调节延迟特性引入到逆变电源的上层控制中,底层控制则根据同步发电机的并网矢量关系得到。最后,搭建了简单微电网系统的Matlab/Simulink仿真模型及物理实验平台,通过仿真和实验充分验证了所提虚拟同步发电机控制方法对微电网频率稳定性的支持作用。