新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制方法综述

在“双碳”战略目标下,我国将构建高比例新能源电力系统。高比例新能源电力系统的转动惯量和调频容量降低、故障冲击功率提升,使大电网暂态频率稳定受到威胁。当前的调频控制方法及其所依赖的分析模型难以很好地适用于高比例新能源电力系统。为适应暂态频率稳定要求,需探索新的调频控制方法。为了更好地理解高比例新能源电力系统的暂态频率稳定问题,准备调频应对策略,对暂态频率稳定分析与调频控制方法的研究现状进行综述和展望。首先,归纳现有暂态频率分析模型,然后从系统和厂站2个层面梳理了调频控制方法的研究现状,从分析基础出发归纳不同调频控制方法的适用特性。最后,总结了高比例新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制的特征变化及其影响,并对未来可能的发展思路进行展望。     

双馈风机下垂控制对系统小扰动功角稳定的影响机理分析

附加下垂控制可以改善双馈风机响应系统频率变化的特性,但同时将改变其与系统同步机动态特性间的耦合关系,进而影响系统小扰动功角稳定特性。针对该问题,文章用阻尼转矩分析法研究了双馈风机下垂控制对系统小扰动功角稳定的影响机理。首先从双馈风机下垂控制的基本原理出发,针对扩展两机系统,分析了风电接入点频率与系统同步机频率间的关系,进而采用阻尼转矩分析法揭示了双馈风机下垂控制影响系统小扰动功角稳定的机理。在此基础上,分析了下垂控制增益对系统小扰动功角振荡模式阻尼的影响特性及其与风机接入位置、同步机惯性时间常数的关系。最后,利用模态分析法验证了理论分析的正确性。分析结果表明,双馈风机附加下垂控制对系统振荡模式阻尼的影响性质和程度与双馈风机接入位置和系统同步机惯性时间常数的分布相关。     

考虑频率稳定的电力电子电源频率控制参数优化方法

针对仅考虑大扰动频率指标的电力电子电源频率控制可能引发频率振荡的问题,提出同时考虑频率指标改善和频率振荡抑制2个方面的电力电子电源频率控制参数优化方法。首先,基于低阶频率模型分析了电压源型惯量控制和频率下垂控制对系统频率稳定的影响。在此基础上,研究了带延时环节的电流源型惯量控制响应特性,在抑制频率振荡方面,给出了可抑制频率振荡的惯量控制参数取值范围计算方法,避免惯量控制可能带来的振荡风险;在改善频率指标方面,电流源型惯量控制存在最优投入时间使扰动下频率最大偏差最小,同时给出了最优延时解析计算方法并分析了最优延时与系统调频参数的关系,实现了利用电力电子控制灵活性改善不同频率指标的目的。仿真算例验证了相关结论的正确性和所提方法的有效性,为电力电子电源惯量控制参数选取提供了理论依据。     

发电机调速附加控制对系统频率稳定的作用

研究了基于复合偏差功率反馈的同步发电机调速系统附加控制方法及其对频率稳定的作用。该方法克服了传统调速控制因转子质量惯性、负荷特性和转速测量死区而造成的控制延时,并且能精确地进行不平衡力矩补偿,从而在扰动初期能进行及时有效的频率稳定控制。对单区域系统的仿真结果表明,汽轮发电机组和水轮发电机组附加调速控制相比传统调速控制而言,减小了频率的偏移幅度,抑制了频率振荡的发生;提前了锅炉燃烧系统对负荷变化的响应时间,从而提高了机组一次调频的持续力;水轮机组的闸门开合次数及频率也都有一定的减小;降低了机械功率的超调和振荡。     

低惯量电力系统频率稳定分析与控制研究综述及展望

大容量直流和高比例新能源接入下,越来越多的电力系统正逐渐演变为低惯量电力系统。低惯量电力系统惯量支撑力度弱、出力不确定性强、频率调节能力和阻尼特性差,致使频率稳定问题日益凸显。为更好地理解电力系统在低惯量运行场景下的频率稳定威胁以及为有效制定应对策略提供参考,对低惯量电力系统频率稳定分析与控制领域的国内外研究进展进行综述与展望。首先,分析低惯量运行场景产生的主要原因及其对频率稳定的潜在影响,并介绍近年来实际电网频率问题的典型案例。进而,对基于时域仿真、数学解析、数据驱动的各类频率稳定分析方法进行阐述。从“源、网、荷、储”多类型有功资源调频能力挖掘、多道防线加强与协调配合等角度给出改善低惯量电力系统频率稳定的控制措施。最后,展望了该领域未来需深入探索的研究方向。     

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。     

考虑同步机调差系数灵敏度与频率约束的机组组合

为解决高比例新能源并网带来的系统惯量水平降低及频率安全问题,有必要从同步机的角度出发,进一步发挥同步机组的调频能力,提高系统的频率稳定。考虑系统中各同步机组频率支撑能力的不同,基于灵敏度的方法分析不同机组调差系数的改变对最大频率偏差的影响程度。综合考虑同步机与风机参与调频,推导最大频率偏差的解析表达式。在考虑频率安全约束的基础上,提出考虑同步机调差系数灵敏度的多目标机组组合模型,并采用快速非支配多目标优化算法(non-dominated sorting genetic algorithms-II, NSGA-II)进行模型求解。仿真结果表明,所提模型在考虑频率约束的机组组合模型基础上,进一步发挥了同步机组的调频能力,抑制了最低点频率的跌落,改善了系统的频率响应。     

基于虚拟同步机的微电网频率稳定控制研究

大量电力电子设备接入下的微电网,由于缺少必要的惯性储备,将加剧系统因故障扰动、孤网运行等带来的频率不稳定问题。为解决该问题,可模拟传统同步机的运行特性,在逆变器控制中加入惯性和阻尼环节。根据上述思想,本文基于传统同步机摇摆方程,建立了虚拟同步机控制模型,分析了该控制策略下系统的动态特性,重点研究了不同阻尼系数下的虚拟同步控制器对系统频率稳定性的影响,并根据控制需求,提出了变阻尼系数控制的方法。通过Simulink仿真和硬件在环实验,验证了所提方法的正确性和可行性;最后,对比了传统PQ控制及下垂控制下系统的频率稳定性,显示了该控制方法的优越性。     

高比例新能源接入区域电网稳定控制技术探讨

有色金属行业等一些高耗能生产企业为降低生产成本,在具备条件的地区自建电厂或与主网联网或孤网运行.随着国家环保政策从严以及新能源发电成本的大幅下降,建设新能源电源成为新的选择,然而新能源发电具有间歇性且涉网鲁棒性较差,高比例新能源接入后恶化电网面的稳定问题.从高比例孤立电网存在的频率等问题出发,结合实际工程经验,介绍了稳定控制系统、低频低压减载系统、新能源功率控制系统、负荷平衡技术、负荷调频技术、调压调频技术等在区域电网稳定控制中的应用,为新能源接入区域电网稳定运行控制提供参考.     

弱电网下基于锁相控制并网变换器小扰动同步稳定分析

该文对弱电网下基于锁相控制并网变换器的小扰动同步稳定问题进行研究。首先,以机理化揭示并网变换器同步特性为目标,通过将其和传统同步机的同步动态进行类比等效,建立适用于并网变换器同步稳定分析的类Heffron-Phillips动力学模型。进而借鉴传统电力系统低频振荡分析思路,采用复转矩系统法分析思想,将锁相环主导的同步振荡模式阻尼分为两部分:锁相环自身固有阻尼分量和弱电网下复杂控制耦合引入的附加阻尼分量,进而从阻尼特性的角度揭示弱电网下并网变换器同步稳定机理,并从影响固有或附加阻尼分量的角度,研究电网阻抗、控制器参数等因素对小扰动同步稳定性的影响。该文研究结果清晰揭示了弱电网下并网变换器同步失稳机理,并为后续同步稳定控制指明了思路。     

风火/光火打捆系统中逆变电源调频与惯量控制对低频振荡的影响机理

一次调频与虚拟惯量控制通过改变功率外环结构,可帮助逆变电源克服调频能力弱、惯量小的缺点,近年来备受关注。逆变电源的调频与惯量功能不仅会改变其自身的频率支撑特性,也可能影响系统的低频振荡特性。目前相关研究聚焦在传统逆变电源的阻尼特性,其调频与惯量控制功能对电网机间或区域低频振荡的影响机理研究较少。该文在考虑调频与惯量控制的前提下,构建适用于电网低频振荡特性研究的逆变电源并网系统数学模型,以此为基础,分析逆变电源的调频与惯量功能对系统整体阻尼与惯量的影响,揭示逆变电源影响电网低频振荡模态的机理,并通过RT-LAB平台进行实验对理论分析进行验证。研究表明:逆变电源引入一次调频可提升近区同步机低频振荡阻尼,引入虚拟惯量可降低振荡频率,调频与惯量控制的响应速度将决定逆变电源对低频振荡的影响程度。     

面向超低频振荡的水电调速器与SVC附加频率控制参数联合优化

互联电网超低频振荡抑制对系统安全稳定运行至关重要,现有研究仅考虑水电调试器PI控制参数优化的措施,可能导致水电调频能力降低。随着电网中静止无功补偿器(SVC)数量的显著增长,通过SVC附加频率控制为超低频振荡抑制提供了新的思路,于是提出了一种SVC附加频率控制与水电调速器PI参数联合优化方法。首先,建立了包含水轮机和SVC的单机单负荷系统等值模型,分析SVC的附加频率控制原理,并分析所提模型对系统超低频振荡的抑制作用;在此基础上,以超低频振荡阻尼系数和水电机组一次调频性能为优化目标,通过优化设计控制器参数以提升系统整体的超低频振荡抑制能力;最后,在PSCAD/EMTDC平台上搭建了水电机组和SVC仿真模型,对所提方法进行有效性验证。仿真结果表明,该方法可有效提升高比例水电电网超低频振荡阻尼能力,同时提升水电机组调频能力。     

孤网频率稳定与控制策略研究

孤网稳定运行是防止电网大面积停电的最后一道防线。由于孤网运行方式与大型互联电网不同,研究孤网频率稳定与控制,对保障电力系统安全、可靠运行具有重要意义。简单介绍了孤网频率动态特性,分别对水轮机、汽轮机、锅炉的控制方式进行论述,分析了一次调频、OPC、高频切机、低频减载、二次调频对孤网频率稳定的作用。较全面地总结了近年来国内外孤网运行安全稳定控制研究现状及存在的问题和不足,并在此基础上对该领域今后的研究方向作了展望。     

双馈风机附加频率控制对系统调频动态的影响

针对双馈风机附加频率控制对系统调频动态特性产生的影响,通过建立双馈风机多物理控制环节耦合特性数学模型、互联电力系统考虑风机接入的负荷频率控制动态特性数学模型,以风机采用惯性支撑与下垂控制结合的附加频率控制为研究对象,利用小干扰稳定分析研究了风机参与系统调频的动态特性,以及各控制环节的运动模态耦合特性.分析结果表明,双馈...     

新能源场站快速频率支撑能力评估研究现状与技术展望

随着以风电、光伏为代表的新能源发电逐步取代同步机组,系统调频资源不足、抗扰动能力下降,频率安全问题凸显,新能源场站提供快速频率支撑成为构建新型电力系统的必然要求。新能源场站快速频率支撑是其内部多设备、多环节综合作用的结果,受风光资源、控制策略、电网条件等多因素的影响和制约。量化评估新能源场站的快速频率支撑能力是指导场站调频优化控制、分析新型电力系统频率响应特性、实现场站调频资源与电网交互的基础和前提。文中对新能源场站快速频率支撑能力评估问题进行了全面综述。首先,分析场站快速频率支撑的特征,并给出了场站快速频率支撑能力的定义;然后,从状态属性、控制特性、调频效果3个维度梳理了场站快速频率支撑能力的评估指标体系,并对各类评估指标的常用计算方法进行分析评述;最后,提出了值得关注和进一步研究的关键技术问题。     

高比例水电多直流送端电网频率稳定协调控制技术及实践

针对异步联网运行后,高水电占比多直流外送西南电网面临的超低频振荡和频率失稳风险,构建了高比例水电多直流送端电网频率稳定控制框架.在传统控制措施基础上引入直流频率控制和紧急调整功能,提高送端电网频率稳定防御能力.基于直流频率控制器对送端电网频率响应特性的影响分析,提出了直流频率控制器与一次调频的配合关系以及考虑直流功率偏...     

含有调速器多死区环节的风水火系统频率稳定分析

“双高”背景下新型电力系统面临着非线性机理复杂的稳定问题,传统机组调速器与风电控制器中死区非线性组合间的相互作用,在一定程度上影响了系统的频率稳定性。为此,在奈氏定理的基础上探究不同死区非线性组合下系统频率振荡的影响规律,主要针对死区类型、死区大小和死区顺序3个方面进行研究,涉及单死区系统和多死区系统。理论分析了其非线性系统的稳定性,并根据稳定极限环条件求解系统的临界振幅和振荡频率。通过改变死区类型及顺序,影响机组对系统频率的支撑能力,指出了系统频率稳定与临界振幅的关系,并在Matlab/Simulink中对上述理论分析进行了仿真验证。结果表明机组死区大小和类型均会改变系统的临界振幅和振荡频率,为机组配置死区提供了一定的参考依据。     

考虑机组稳定约束的风机一次调频控制策略EI北大核心CSCD

新能源高占比电力系统迫切需要风电机组参与一次调频。对于一类基于风轮动能释放的风机一次调频控制,由于风轮转速降低且电磁功率调节服务于电网调频,其设计关键在于协调自身稳定与电网支撑。现有研究通过将输出电磁功率设定为与风轮转速正相关的变量来提升调频风机的稳定性,但其实质上不是闭环反馈控制。该文发现面对实际湍流风速,风机在渐弱阵风阶段启动调频依然存在失稳风险。为克服变化风速下调频风机的失稳问题,该文首先分析变化风速下参与一次调频风机的稳定边界及其失稳机理;此基础上,提出附加闭环转速控制环节的风机参与一次调频改进策略。最后,基于含风电的电力系统动模实验平台,验证该文提出的改进策略能够有效保证变化风速下参与一次调频风机的稳定运行。     

考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法

随着以变流器接口并网的新能源比例不断提高,电力系统一次调频能力降低,频率稳定受到威胁。风电机组通过在并网变流器附加综合惯性控制实现辅助调频。然而,风电机组提供频率响应后,转子转速恢复可能给电力系统带来频率二次跌落危害。现有辅助调频参数设置多从风力机组自身调节能力出发,缺少考虑与系统的耦合作用。首先研究风电机组调频控制参数对系统一次调频的影响机理,分析参数整定的制约因素,然后根据一次调频综合评价指标来确定参数的取值范围。最后,设置了不同风电出力占比的仿真场景,探究参数在不同风电出力占比下的取值规律。     

风电机组附加有功控制参数对系统低频振荡的影响

附加有功控制环节使风机参与至同步机的机电振荡模式中,这使得系统功率振荡特性机理更加复杂,不利于附加有功控制环节的参数设计。为了研究风机附加有功控制对系统稳定性的影响,首先建立了考虑锁相环特性的风机与同步机动态作用的小信号模型;然后基于该模型利用阻尼转矩法分析了风机附加有功控制对系统振荡稳定性的影响机理,并提出了综合考虑系统等效惯性时间常数和阻尼比的附加有功控制环节系数设计方法;最后通过“10机39节点系统”的仿真结果量化分析了各系数对系统低频振荡稳定性的影响规律。结果表明,合理设置风电机组附加有功功率控制系数、滤波时间系数和锁相环带宽均能提升系统频率稳定性;理论分析的正确性也得到了验证。