计及频率动态分布性的新能源机组惯量需求分析

随着新能源渗透率的提高,电力系统惯量水平逐步下降,频率稳定问题日益突出。为保障系统安全稳定运行,新能源机组应提供惯量支撑,该文提出计及频率动态分布性的新能源机组惯量需求的分析方法。首先,从频率稳定角度阐述了对新能源机组提出惯量需求的重要意义;其次,明确新能源机组惯量的定义和计算方法;然后,构建反映时空分布特性的电力系统频率响应模型;再而,提出新能源机组惯量需求的分析方法及流程;最后,基于算例系统验证惯量需求分析方法的有效性。     

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。     

虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法

近年来,微电网作为一种可再生能源接入电网的有效载体,已受到越来越多的关注。微电网中的分布式电源大多需要通过逆变器实现并网和输出电能,然而传统的逆变器控制算法只考虑快速响应,并没有类似同步发电机的惯性特征,因而对电网冲击较大。针对该问题,在总结了虚拟同步发电机(VSG)支撑微电网稳定运行控制策略的基础上,结合同步发电机的功角曲线和转子惯量的物理意义,提出了一种自适应虚拟转子惯量的VSG控制算法,并通过对分布式电源小信号模型的分析,确定了自适应惯量系数的选取原则。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真工具,分别在并网和离网运行模式下验证了所提算法的有效性。     

考虑频率稳定约束的分布式调相机选址定容策略

“双碳”目标的提出加快了以风光为代表的新能源发电并网。高比例电力电子接口的新能源发电并网将导致电力系统惯量支撑能力弱、频率稳定问题突出。针对风光场站,分布式同步调相机作为旋转元件,在提供电压支撑的同时,还可为系统提供转动惯量继而提升电网频率支撑强度,但高效可行的分布式调相机配置方法尚有待研究。文章提出考虑频率稳定约束的分布式调相机选址定容方法,以节点惯量来评估系统惯量分布并识别系统频率支撑薄弱区域,进而挑选调相机配置地点,并根据临界惯量作为不等式约束,以配置容量最小为优化目标设计了分布式调相机选址定容策略。结合算例分析表明,提出的分布式调相机选址定容策略直接高效,能在调相机总配置容量最低的前提下,更有效地提高系统频率支撑强度。     

基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法

为使储能装置能够根据与频率稳定相关联的惯量补偿目标执行补偿控制，提出了“基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法”。首先依据参数的基本物理意义和储能控制模型，定义计算储能虚拟惯量(H_BESS)，进而建立H_BESS与储能虚拟惯量控制相关参数的解析函数关系。然后提出由惯量补偿目标确定储能虚拟惯量控制参数，通过动态调节控制参数来跟踪惯量补偿目标的策略，即虚拟惯量补偿控制方法。最后通过独立微电网算例系统，验证了H_BESS计算结果的精确性和控制策略的有效性。     

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。     

孤岛电网频率变化下分布式电源控制策略

针对微电网孤岛运行模式,传统分布式电源网侧逆变控制策略对微电网频率变化响应不足,分别提出微电网整流与逆变的新型控制策略。分析微电网频率变化下分布式电源的暂态特性,设计一种改进的分布式电源发电侧控制策略,保证分布式电源直流母线电压稳定。变换器网侧采用基于虚拟同步发电机控制策略,并对励磁电流进行补偿,协助孤岛电网频率恢复稳定。用PSCAD/EMTDC对分布式发电系统进行了建模仿真,验证了所提控制策略的有效性和可靠性。研究结果实现了分布式电源在微电网频率变化下的及时响应,所提控制策略对微电网频率波动具有较好的抑制作用。     

基于强化学习的多微电网分布式二次优化控制

针对微电网中分布式电源下垂一次控制产生的系统频率和电压静态偏差问题,提出了一种基于强化学习就地反馈方法的分布式二次优化控制,利用本地信息可兼顾频率恢复和电压调整的需求。首先,针对微电网经济性、频率及电压控制需求和各分布式电源综合性能(环境效益、经济效益、技术效益),定义了本地奖励,协调多微电网的频率恢复和电压调节。其次,针对电网实际运行情况,在满足供需平衡的同时,使用多智能体强化学习算法对全局奖励反馈优化修正,使各分布式电源协同出力渐近消除频率偏差,保证微电网的稳定运行。最后,通过实例验证了所提出控制的有效性和适应性。     

考虑频率稳定性的新能源电力系统惯量水平多区间评价方法

随着大量新能源机组取代同步发电机接入电网,系统惯量水平的下降将威胁系统频率稳定,但基于频率稳定评价系统实际惯量水平与充裕度的方法仍相对较少。本文通过量化分析惯量与频率动态响应的关系,提出一种新能源电力系统的惯量分区评价方法。首先,基于新能源电力系统频率响应模型求解,并借助提出的惯量灵敏度指标分析惯量对相关频率安全指标的影响。然后,依据频率稳定约束与综合惯量灵敏度指标确定区间边界,构建惯量危险区、惯量敏感区和惯量饱和区三类惯量水平区间,并分析潜在最大扰动功率及调频能力对区间边界的影响。进而,提出惯量安全性系数与充裕度系数评价系统当前惯量的水平高低。最后,在DIgSILENT中建立IEEE10机39节点标准系统,仿真验证了所提系统惯量分区评价方法的有效性与可行性。     

基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略

微电网作为分布式电源的有效载体,通过分布式电源并联连接形成独立电网。而微电网中传统下垂控制的输出频率动态响应速度快,在负荷频繁波动下易受到较大扰动。为了提高微电网频率的动态稳定性,文中提出了一种基于自适应虚拟惯性的同步发电机的控制策略,该方法模拟同步发电机的行为,构造频率变化率与虚拟惯性的关系,自适应改变虚拟同步发电机控制的惯性,从而提高微电网系统抗干扰能力和过载能力。相比于传统的交替惯性方法,所构造的自适应惯性算法不需要采样频率微分项,避免了引入系统噪声,同时实现了惯量的平滑灵活调节,具有较强的鲁棒性。另外,利用李雅普诺夫稳定理论分析了所提算法的收敛性和稳定性。仿真和实验结果表明所提方法提升了微电网频率的动态稳定性,从而验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于自适应参数虚拟同步机的微电网稳定控制

随着分布式发电技术与微电网技术的快速发展,现代电力系统尤其是微网中的电力电子化程度越来越高。微电网中电力电子变流器因缺乏必要的惯性和阻尼成分,从而影响到系统稳定。针对此问题,文章通过模拟传统同步机转子方程,基于下垂控制添加虚拟惯性和阻尼,搭建了用于逆变器控制的虚拟同步机控制模型;研究了惯性和阻尼参数对虚拟同步稳定控制效果的影响,进而通过设计合理的触发机制提出了自适应参数虚拟同步控制策略,可根据控制需求灵活切换自适应参数调整模式。最后的仿真验证和对比分析表明,所提策略一定程度上有利于增强系统的频率和功率稳定。     

Load shedding strategy coordinated withstorage device and D-STATCOM to enhancethe microgrid stability

Recently microgrids have drawn a potential attraction by fulfilling the environmental demands and the increasing energy demands of the end-users. It is necessary to focus on various protection and control aspects of a microgrid. During the transition between the grid-following and grid-forming modes, the voltage and the frequency instability due to the power mismatch condition becomes the major point of concern. Therefore, the paper executes a frequency-active power and voltage-reactive power drooping control strategy for the precise power-sharing among the distributed power generators. Furthermore, to handle the power deficit scenarios and to maintain the system stability, a system independent and priority-based adaptive three-stage load shedding strategy is proposed. The sensitivity of the strategy depends on the system inertia and is computed according to the varying absolute rate-of-change-of-frequency. The strategy incorporates the operation of battery storage system and distributed static compensator (D-STATCOM) in the microgrid, to provide a reliable power supply to the customers for a considerable time instead of a sudden load shedding. The effectiveness of the proposed strategies is investigated on a scaled-down modified IEEE 13-bus microgrid system on the podium of MATLAB 2015b through the time-domain simulation.     

适用于孤岛微电网的电压型虚拟同步发电机自适应惯性控制与频率恢复控制

孤岛微电网惯性水平低,频率稳定问题显著。基于此,提出了适用于孤岛微电网电压型虚拟同步发电机(voltage-controlled virtual synchronous generators,VSGs)的自适应惯性与频率恢复控制方法,用于孤岛微电网频率稳定性提升。在自适应惯性控制方面,利用转速偏差及其变化率刻画频率动态过程,分别构建其与虚拟惯性的关系;利用双曲正弦函数放大虚拟惯性对转速偏差及其变化率的灵敏度,提高控制的敏感性;引入sigmoid函数,限制虚拟惯性调节范围,抑制控制过程中VSG输出功率的振荡。在频率恢复控制方面,从有功功率供需平衡的角度出发,将频率恢复问题转化为全网有功再平衡问题;利用各台VSG的频率偏差及其变化率估计全网有功再平衡量,并按容量分配每台VSG承担的全网有功再平衡量,实现功率均分。通过不同情境对所提方法进行仿真测试,结果验证了其有效性。     

交直流混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略

针对交直流混合微电网系统间功率动态平衡以及分布式电源利用率不高的问题,提出一种适用于混合微电网互联变换器功率流动的柔性控制策略,所提策略无需通信且可灵活分配功率。首先,对交流子微电网与直流子微电网所连分布式电源采用的下垂控制方式进行详细的分析。然后,针对互联变换器需维持交流微电网侧频率与直流母线电压的稳定以及功率双向传输的特点,对混合微电网交直流接口的虚拟惯性进行分析,推导出交流频率与直流电压之间的线性耦合关系,以实现交直流两侧功率的相互支撑。最后,在DIgSILENT软件上建立典型的交直流混合微电网模型,验证了所提互联变换器功率控制方法的有效性。仿真结果表明,在离网情况下采用所提控制策略时,互联变换器可较好地维持交直流两侧功率平衡并提升电能质量,充分利用了分布式电源的功率调节能力。     

计及并离网频率约束的微电网容量优化配置方法

在新能源渗透率不断提升的背景下,微电网出现低惯量、弱阻尼的现象。现有研究主要通过改进控制策略、优化调度来提升微电网调频能力,但前提是微电网本身具有足够的调频容量。针对此问题,在微电网规划阶段加入并网和离网模式频率约束,建立混合整数线性容量优化模型。首先,对微电网内多种调频资源进行建模,构建综合频率响应模型并推导频率约束。其次,采用改进的自适应线性化方法将频率约束线性化并嵌入到模型中。最后,使用Gurobi求解器在多个微电网算例中进行验证分析,结果表明所提出的微电网容量优化配置模型能够在保证系统并网和离网频率稳定的同时达到最低的投建与运行成本。     

微网逆变器的VSG转动惯量和阻尼系数自适应控制

近年来随着微网及分布式发电的快速发展,适用于微网并离网运行的虚拟同步发电机(VSG)控制技术被提出。VSG在下垂控制的基础上进一步模拟了同步发电机的转动惯量和阻尼系数。和下垂控制相比,VSG的响应特性得到了进一步的提高,但无法同时保证频率和功率的动态调节性能。针对该问题,对VSG离网工况下的输出频率和并网工况下的输出功率进行了自适应控制。首先,做出不同转动惯量和阻尼系数下的有功环根轨迹,并结合VSG转子机械方程分析转动惯量和阻尼系数对系统的影响,通过建立转动惯量和阻尼系数的自适应函数关系来对VSG实现自适应控制。最后在MATLAB/Simulink中搭建容量为20kVA的VSG自适应控制模型,并搭建了20kVA容量的VSG实验平台,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性和正确性。     

直流微网储能系统的自适应惯量阻尼控制

由于无需考虑无功及相位且对于可再生能源发电并网更加友好,近年来,关于直流微网的研究越来越多。但直流微网中惯性较低,当系统受到外界因素干扰时,直流母线电压鲁棒性较低,严重时甚至影响系统的稳定运行。针对该问题,提出一种用于直流微网储能系统的自适应惯量阻尼控制策略,并充分利用了虚拟参数灵活可调的特点,使储能系统可以向微网提供惯性,并建立了系统的小信号模型,利用Middlebrook判据分析了系统的西信号稳定性。最后,利用simulink仿真对所提控制策略的有效性进行了验证。     

直流微电网的惯性与阻尼自适应协调控制

随着分布式发电单元的不断接入,直流微电网逐渐呈现出低惯性和弱阻尼特性,直流母线电压会随着功率扰动而发生突变或失稳。采用变下垂控制为系统提供虚拟惯性。通过根轨迹分析可知变下垂控制为系统提供虚拟惯性的同时会削弱系统的阻尼,使直流微电网出现持续振荡的风险。在此基础上,设计一种虚拟惯性与阻尼的自适应协调控制策略。其控制函数以电压为自变量,在大扰动和小扰动情况下,能够为系统提供虚拟惯性和有源阻尼,从而改善直流微电网的低惯性和弱阻尼特性,保证系统的安全稳定运行。通过在Matlab/Simulink仿真平台上搭建直流微电网模型,验证了所提协调控制策略的有效性。