VSC-HVDC受端换流器参与电网调频的VSG控制及其改进算法

为提高柔性直流输电(voltage source converter basedHVDC,VSC-HVDC)受端系统频率的稳定性,同时确保直流系统发生故障或扰动下的可靠运行,提出受端换流器参与电网调频的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制及具有直流电压协调控制能力的VSG改进算法。首先,分析指出大容量VSC-HVDC受端换流器常规控制方式会降低系统频率稳定性,因此有必要通过合理的控制手段参与频率调节;其次,研究了使受端换流器具有惯性响应特性和一次调频能力的VSG控制技术;之后结合直流系统对运行可靠性的基本要求,将直流电压协调控制功能引入VSG技术中得到改进算法;最后,通过Matlab/Simulink构建了三端系统进行仿真。结果表明:VSC-HVDC受端换流器使用VSG控制能有效改善受端交流系统频率暂、稳态性能;VSG改进算法则能进一步提高直流系统运行可靠性。     

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。     

双馈风电机的虚拟惯性控制优化策略

电力系统在面对不同扰动时,双馈风力电机采用传统虚拟惯性控制不能充分利用转子动能参与调频,提出一种改进的虚拟惯性控制策略。对现有的风机传统虚拟惯性控制方法中的控制增益进行改进,即将控制增益与频率偏差建立耦合关系,使双馈风力电机根据系统频率偏差实时调整调频增发功率,减缓频率跌落速度,提高频率最低点。基于EMTP-RV仿真平台搭建含高比例风电渗透率的电力系统模型,验证改进方法的有效性。仿真结果表明,提出的改进虚拟惯性控制方法在不同扰动下均可大幅改善频率稳定性,且随扰动增大,改善效果越明显。     

考虑双馈异步发电机转速限制的电网频率协调控制策略

双馈异步发电机(DFIG)参与惯性调频能减小频率变化率,一次调频能减小稳态频率偏差。为解决上述两种策略协调控制过程中因频率偏差和微分系数选择而易导致异步发电机转子转速越限的问题,提出一种考虑转速限制的电网频率协调控制策略。通过控制DFIG的输出功率,确保转速偏差和频率偏差成正比。以转子转速为约束,整定频率信号的比例系数。根据电网频率变化情况,调整输出功率参考值,使得转速保持恒定,且有利于频率的恢复。仿真结果验证了所提策略能有效防止转子转速越限,有助于提高系统频率的稳定性。     

考虑风-储-直参与调频的电力系统频率特征定量分析

以风电、储能、柔性直流输电为代表的高比例可再生能源和大量电力电子设备的并网,使得电网中传统火电的比例下降,这将在一定程度上影响电力系统的频率稳定性。为定量分析风电、储能、柔性直流输电系统参与调频下电力系统的频率特征,首先提出多种调频资源参与调频下的电网频率特征定量分析总体思路,建立风-储-直调频频率响应模型。然后基于频率特性传递函数对电力系统稳态频率偏差、初始频率变化率、最大频率偏差和频率安全裕度进行理论推导;且定量分析了稳态频率偏差变化规律以及惯性时间常数、辅助调频单元控制比例系数对频率稳定性的影响,并计算稳态频率偏差与功率扰动的关系。最后,基于仿真软件验证了所提分析方法的可行性和有效性。仿真表明所提方法可有效定量分析电力系统频率特征,可为双高电力系统下电网频率安全稳定运行与控制提供指导依据。     

基于PSO-GSA算法的含DFIG互联系统AGC优化控制研究

传统双馈感应风力发电机(DFIG)的解耦控制使其无法响应电网的频率变化。随着风电渗透率的不断提高,电网调频压力不断增大,有必要对含DFIG互联系统AGC优化控制进行研究。首先建立了将风电作为"负的负荷"的两区域AGC模型,通过引入改进的虚拟惯性控制使DFIG具有更好的频率响应的能力。同时以快速消除系统区域控制偏差和风机转速偏差为目的,采用PSO-GSA算法对控制区PID控制器和DFIG转速控制单元PI控制器参数进行优化。仿真结果表明,单个区域受负荷扰动时,风电参与调频时能提供更多的有功功率支撑以减小同步机调频出力,能有效缓解同步机调频压力。PSO-GSA算法较PSO和GSA迭代速度快且适应度值更好,基于PSO-GSA参数优化后的控制器对系统区域频率偏差、联络线功率变化和区域控制偏差信号的超调量和调节时间都有明显改善,增强了系统的稳定性。     

考虑SOC的电池储能系统一次调频策略研究

电池储能系统(Battery Energy Storage System, BESS)以其控制精度高、响应速度快等优势被广泛应用于电网中。为充分发挥BESS参与电网一次调频的优势,提出一种基于荷电状态(State Of Charge,?SOC)与频率偏差的综合控制方法。首先,为了改善电池循环寿命,设计基于荷电状态SOC的下垂系数与虚拟惯性系数。引入基于频率偏差的加权系数将下垂出力与虚拟惯性出力相结合,在频率偏差较小时增加虚拟惯性出力权重以稳定频率,在频率偏差较大时增加下垂出力权重以快速调节频率偏差,并在频率偏差超过一定限度后进行故障穿越时的频率支撑,而当电网状态变好且SOC较低或较高时进行SOC恢复。其次,提出BESS参与电网一次调频的评价指标以定量评估所提策略的调频效果及SOC维持效果。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建BESS仿真模型,并在阶跃负荷扰动、随机负荷扰动、瞬时性短路故障及光伏间歇性出力扰动工况下仿真验证所提策略的调频效果及SOC维持效果。仿真结果表明,所提策略能实现较好的调频效果并将SOC维持在合理区间内。研究成果为BESS成套设备生产厂家合理设计控制保护参数提供参考,对提升BESS涉网性能具有实际意义。     

风电机组虚拟惯量控制的响应特性及机理分析

虚拟惯量控制是风电机组参与系统调频的一种有效方式。基于风电机组比例微分(PD)虚拟惯量控制的基本原理以及单机并网系统的频率响应简化模型,对PD虚拟惯量控制的响应特性及机理进行了分析,推导了PD虚拟惯量控制与系统频率的量化关系。分析结果表明:风电机组PD虚拟惯量控制本质上为暂态频率调节过程,比例控制主要影响系统暂态频率响应的最低值,微分控制主要影响系统频率的下降速度和达到频率最低值的时间。利用实验室风电并网实验平台,在相同负荷扰动下增大PD虚拟惯量控制的比例系数后,风电机组参与系统调频的转子动能增加,最大频率偏差由0.84 Hz减小为0.59 Hz,风机转速由15.7 rad/s降低为13.4 rad/s;而增大微分系数后,系统频率的下降速度减小。实验结果与理论分析结果一致,从而证明了所述特性分析和机理分析方法的有效性,为风电机组虚拟惯量控制的参数整定和控制方法优化提供了一定的理论参考。     

基于二次调频的VSG自适应反推鲁棒控制研究

针对微电网中逆变器模型的非线性特征、参数摄动、及大负荷扰动造成的频率波动问题,提出一种基于二次调频的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)自适应反推鲁棒控制方法。在建立包含参数摄动以及输出侧负荷扰动VSG数学模型的基础上,通过李雅普诺夫函数设计出VSG的反推自适应控制律,并证明了系统的稳定性;将VSG自适应反推鲁棒控制与二次调频技术相结合,当频率偏差超出设定范围,则启动二次调频,使频率快速恢复至较小范围;自适应反推鲁棒控制算法则能快速自适应补偿系统的不确定性,在小偏差范围内具有较好动静态性能。使系统兼具大偏差快速恢复,小偏差动态响应好的特点。MATLAB/Simulink环境下的仿真结果验证了方法的有效性。     

储能电池与常规机组配合参与一次调频的自适应控制策略

为充分发挥电池储能系统与常规机组在一次调频中的各自优势,文中对储能采用下垂控制与虚拟惯性控制结合的控制策略,通过设置随频率偏差变化而调整的下垂系数,实现增发功率在常规机组与储能之间的合理分配;为避免储能电池发生过充过放现象,提出一种考虑SOC反馈调整出力的自适应控制策略;电网中储能容量配置不如常规机组,设计一种储能适时投入与退出调频的控制策略,使储能在频率急剧变化或偏移至常规机组一次调频能力范围外时投入调频;在频率基本稳定时储能平稳退出调频以保持SOC。最后利用Digsilent/PowerFactory软件对区域电网分别进行阶跃负荷扰动和连续负荷扰动仿真实验,结果表明在阶跃扰动下该控制策略可显著改善暂态频率特性,在连续扰动下可以兼顾频率偏移指标与SOC的保持。     

向弱电网供电的VSC-HVDC系统的模拟惯量控制策略研究

针对采用VSC-HVDC向弱电网供电时,受端弱电网惯量不足而出现扰动下暂态频率偏移较大的问题,提出了一种模拟惯量控制策略,以增大受端弱电网的惯量,从而提高系统的频率质量。为此,在对比换流站直流侧电容和同步发电机转子储能特性的基础上,建立了直流电压与系统频率的映射关系,从而得出了换流站所模拟惯量的具体计算等式。利用PSCAD/EMTDC就三种扰动下对VSC-HVDC逆变侧换流站分别采用传统控制和所提模拟惯量控制时进行了仿真比较。仿真结果表明,所提模拟惯量控制策略能够减小扰动下受端弱电网暂态频率偏移,提高受端弱电网的频率质量。     

计及电动汽车充放电静态频率特性的负荷频率控制

目前对电动汽车参与电力系统调频的研究,主要集中在电动汽车作为分布式电源参与系统调频,而对电动汽车作为可控负荷参与系统调频的研究较少。但是,电动汽车作为分布式电源和可控负荷对其参与系统调频具有同等重要的作用。基于此,文中计及了电动汽车的充放电静态频率特性模型,在电力系统负荷扰动发生时,实现了对电动汽车充放电的协调控制,使其在分布式电源和可控负荷两个角色间合理转换。在此基础上,建立了计及电动汽车充放电的单区域系统负荷频率控制模型,并将该模型扩展为两区域互联系统。在MATLAB/Simulink中建模并进行仿真分析。算例结果表明,电动汽车作为分布式电源和可控负荷参与系统调频,不仅可以使系统频率调整速度更快,有效减小系统频率偏差,而且能减小传统调频机组的备用容量。     

基于PSCAD的区域闭环频率调速系统在不同负荷扰动下的调频参数分析

一次调频是调速系统根据电网频率变化,自发调整机组负荷,确保电网频率稳定的重要途径之一。通过建立典型发电机组一次调频模型和调速系统模型,将控制区等效为一个同步发电机群,进行不同负荷扰动时的仿真试验,分析一次调频参数对控制电网频率的影响,得出参数对控制系统稳态性能和动态性能的影响规律,可作为实际控制系统中参数设置的重要参考。     

考虑频率安全约束的西北电网新能源开发及直流外送规模评估方法

新能源的快速发展,给系统带来调峰困难、抗扰动能力下降等问题。为了支撑新能源合理规划建议,亟需评估电网能承载的新能源上限。该文结合西北电网能源结构和网架特点,梳理新能源开发和直流外送规模研究的思路框架;推导考虑频率安全约束的高比例新能源系统指标,包括一次调频容量与稳态频率偏差、频率响应特性与暂态频率偏差和直流送出规模与系统惯量指标;建立基于生产模拟结果的频率安全仿真算法。结合"十四五"规划边界条件,研究提出西北电网新能源开发及直流外送建议规模,验证了该文所提方法的有效性和工程实用性。     

两端均为有源网络的VSC- HVDC系统仿真研究

为了得到轻型高压直流输电(VSC-HVDC)系统的稳态和动态特性,在探讨轻型高压直流输电的原理并简介VSC - HVDC常用三种控制策略的基础上,针对定直流电压和定有功功率的控制方式,利用MATLAB软件中的Simulink模块建立仿真模型,仿真分析了VSC - HVDC的稳态特性,再对几种常见的交流侧物理量扰动和三相短路故障进行仿真,得出相应的动态特性仿真波形.仿真结果表明了仿真模型的正确性和有效性,可为VSC-HVDC系统的参数辨识、控制和故障诊断提供参考.     

基于AHP / GA的储能装置参与电网调频控制器参数优化

针对电力系统调频过程中火电机组响应速度慢、不适合参与短周期调频的问题,提出一种基于层次分析法(AHP)和遗传算法(GA)相结合的优化算法用于电池储能控制器参数优化,使控制器能更好地控制电池储能装置并参与调频。通过AHP确定最大偏差幅值、稳态偏差、调节时间之间的权重大小,构造出一个GA适应度函数,再由GA进行寻优计算得到最佳的控制器参数。借助MATLAB/Simulink对储能装置参与电网调频的两区域系统进行仿真。仿真结果表明,优化后的控制器可以有效地控制储能装置并辅助AGC进行调频,能够及时响应扰动,相较于传统以时间绝对偏差乘积积分(ITAE)准则作为适应度函数的参数优化效果更好。     

基于模糊控制的电池储能系统辅助AGC调频方法

针对AGC控制中火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低的问题,提出了一种基于模糊控制策略的电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)辅助AGC调频方法。该方法以区域控制偏差(Area Control Error,ACE)及其变化率作为模糊控制器的输入量,BESS的参考功率变化量作为输出量,根据系统的运行状态调节BESS输出功率,辅助火电机组改善电网的动态调频性能。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,BESS能够迅速响应负荷扰动,减小了系统频率偏差和联络线功率偏差,降低了系统的超调作用,有助于提高电网AGC调频能力和增强系统的稳定性。     

计及高新能源渗透率的储能–火电互补系统调频策略研究

新能源接入现有电网将弱化系统的频率稳定性。充分利用调频资源对提升电网稳定性具有重要意义。火电作为当前调频主要资源有着复杂多变的特性,在不同工况下调频能力也会不同;且随着渗透率提高,传统的下垂控制调频方式逐渐不能满足控制要求。因此,提出一种储能–火电互补频率控制策略,设计了随频率变化自适应调节的出力比重系数,实现了储能出力的自适应调整,并将线性自抗扰控制（Linear active disturbance rejection control,LADRC）应用于火电机组的控制,通过频域法分析典型工业控制对象的LADRC参数调节规律。仿真结果表明,相较于传统下垂控制策略,所提出的储能–火电互补频率控制策略使系统的频率偏差最大值与稳态偏差值显著降低,并且有更好的储能恢复效果。     

改善微电网频率动态响应的虚拟同步发电机强化惯量控制方法

为充分利用虚拟同步发电机(VSG)的调频潜力,提出一种适用于交直流混合微电网的虚拟同步发电机强化惯量控制方法,即在虚拟同步发电机的基本控制结构上增加与系统频率偏差量相关的辅助调频控制环节,使之可以在负荷扰动后提供更多的调频功率,进一步改善系统的频率响应特性。基于Matlab/Simulink构建了以虚拟同步发电机为接口的交直流混合微电网模型,并在实验室研制了一台实验样机对所提控制方法进行验证。仿真和实验结果表明,与常规控制方法相比,强化惯量控制在给定的控制参数下可以使相同负荷扰动后的系统频率偏差进一步减小约25%,从而证明了所提控制方法的有效性。     

基于惯性/下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法

在高渗透风电接入的孤立电力系统中,由于传统调频资源不足,风电大规模波动可能导致系统频率波动,限制新风电的进一步接入。因此,提出一种基于惯性控制和下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法。首先对双馈异步发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)、永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)和有源失速异步发电机(Active-Stall Induction Generator,ASIG)三种类型变速风力发电机组(Variable Speed Wind Turbines, VSWTs)的频率控制特性进行分析。在此基础上,提出基于惯量控制和下垂控制的变速型风机频率协调控制策略,并分析在不同扰动条件下,不同惯性参数与下垂参数对孤立电力系统频率的影响,据此选择合适的控制参数。最后,在随机风速扰动和大扰动条件下对风电机组的稳态与暂态响应进行仿真,验证了所提频率抑制方法的有效性。结果表明,所提方法能显著提高孤立电力系统频率稳定水平。