风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时,其本质是带延时的快速功率响应,但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时,虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此,提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先,通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节,建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型;其次,基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析,求得系统频率最低点的解析表达式;然后,解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型,并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步,在设定下垂控制参数下,对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系,得出结论：适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量,并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后,建立仿真模型,并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。     

双级式光伏发电主动参与电网频率调节

为解决大规模光伏发电并网带来系统调频能力不足的问题,提出了双级式光伏发电有功功率-频率下垂控制和虚拟惯量控制,通过修改Boost变换器或网侧逆变器原有的控制结构来实现光伏发电主动参与电网频率调节。并分析虚拟惯性时间常数、锁相环控制带宽对虚拟惯量控制的影响。基于光伏发电的有功功率-相位运动模型、同步发电机组的频率响应模型来分析光伏发电的虚拟惯量特性及其对系统频率动态特性的影响。仿真结果表明:Boost变换器和网侧逆变器均可按照设定的下垂曲线来控制光伏阵列增发或减少一定量的有功功率,抑制电网频率跌落或升高;虚拟惯性时间常数越大或锁相环控制带宽越小,光伏发电的虚拟惯量越大,频率动态过程中可提供支撑的功率越多。     

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.     

基于模糊控制的储能参与一次调频综合控制策略

针对储能调频控制模式间以临界值方式直接切换造成功率跃变及储能荷电状态（SOC）过高过低,储能出力受限问题,提出一种基于模糊控制的储能参与的一次调频综合控制策略。首先,分析储能虚拟下垂、虚拟惯量和虚拟负惯量控制参数对系统频率响应的影响,确定各控制参数调频优势和稳定变化范围;其次,设计含虚拟负惯量控制的模糊控制器,实现控制模式之间的平滑切换和优势互补,加快频率恢复;最后,采用logistics函数设计SOC反馈控制策略和SOC自恢复控制策略,使储能容量得到更好的保持,提高储能的调频能力。仿真实验验证了所提策略的有效性。     

基于双馈感应风力发电机虚拟惯量和桨距角联合控制的风光柴微电网动态频率控制

微电网孤岛模式下的频率稳定性是微电网安全稳定运行的重要保证。为提高微电网频率动态特性,通过在双馈感应风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)中加入虚拟惯量控制环节,增加微电网惯性,释放转子中储存的部分动能为微电网频率提供动态支持;为解决虚拟惯性控制环节加入后转子转速恢复过程中DFIG的有功功率跌落问题,采用桨距角控制,在频率跌落时释放DFIG备用功率,从而弥补转速恢复过程的功率跌落,并减小电网的稳态频率偏差。结合DFIG虚拟惯量特性和桨距角控制,配合柴油机的一次调频功能,有效抑制了负荷变化引起的微电网频率波动。最后在DIgSILENT PowerFactory仿真软件中建立含柴油发电机、光伏电池、DFIG的微电网控制模型,验证了所提策略的有效性。     

面向机电暂态分析的光伏发电参与电网频率调节控制策略

为解决大规模光伏发电并网带来的系统调频能力不足的问题,提出面向机电暂态分析的单级式光伏发电有功功率-频率下垂控制和虚拟惯量控制,通过修改逆变器的控制结构来实现光伏发电主动参与电网频率调节。基于光伏发电不平衡有功功率激励-相位输出响应关系,分析控制增益系数、时间常数以及锁相环控制带宽对光伏发电的惯量特性的影响。仿真结果表明:逆变器可按照设定的下垂曲线来控制光伏阵列增发或减少一定量的有功功率,抑制电网频率跌落或升高;频率动态过程中,由于并网点电压矢量的动态作用而诱发的光伏发电增发功率取决于其虚拟惯量控制;虚拟惯量控制增益越大、时间常数越小或者锁相环控制带宽越小,光伏发电的虚拟惯量越大,频率动态过程中可提供支撑的功率越多。     

基于可变系数的双馈风机虚拟惯量与超速控制协调的风光柴微电网频率调节技术

为了提高风光柴微电网孤岛运行时的频率稳定性,将变速恒频双馈感应风力发电机(DFIG)和柴油机作为调频电源,通过DFIG的虚拟惯量、转速和桨距角的协调控制与柴油机的一次调频相配合,共同抑制负荷波动和风速变化引起的微电网频率变化。低于额定风速时,DFIG采用虚拟惯量控制和超速控制;高于额定风速时,采用虚拟惯量控制和自动桨距角控制。以此弥补虚拟惯量控制作用时转速恢复过程的功率跌落问题,并为微网提供持久的功率支撑。为保证此调频策略在时变风速中的有效性,通过不同风速下的参数分析制定了DFIG的虚拟惯量控制系数曲线与功频静特性系数曲线,实现了可变系数控制。并在DIgSILENT PowerFactory软件平台上搭建了包含柴油机、DFIG、光伏电池的微电网模型,验证了此策略的有效性。     

双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究

双馈感应风力发电机组(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)现有的基于最大风功率追踪的控制策略不能对系统频率的变化作出响应。大量基于DFIG的风电场并入电网并取代传统的同步发电机组,将降低系统的频率控制能力。首先分析了风力发电穿透率对系统频率控制能力的影响;其次研究了DFIG附加“虚拟”惯性控制环的频率响应,分析了桨距角控制参与系统一次调频的能力;最后设计了一种新的复合频率控制方法,该方法通过“虚拟”惯性控制和桨距角频率控制的共同作用,降低了系统频率的初始变化率及稳态偏差     

基于特征值分析的DFIG风电机组在微电网中的频率控制策略研究

随着电力电子技术的发展,变速恒频DFIG风电机组可通过虚拟惯量控制和超速控制减载运行参与电网频率调整。针对含DFIG风电机组的风光柴中压微电网,采用特征值分析方法,分析DFIG风电机组虚拟惯量控制、超速控制和柴油机调速器控制参数变化时微电网的特征值轨迹,找出反映微电网频率响应特性的典型特征值。并通过分析不同虚拟惯量控制和超速控制参数对应的典型特征值变化轨迹,判断微电网频率稳定性的变化,得到虚拟惯量控制和超速控制参数合理选取范围。为改善频率控制参数选取过大产生的频率振荡问题,进一步改进DFIG风电机组有功功率控制系统PI控制参数,从而在改善微电网频率动态响应特性的基础上提高了微电网小干扰稳定性。最后,在DIg SILENT/Power Factory仿真软件中搭建微电网模型,通过动态时域仿真验证所提方法对提高微电网频率稳定性和小干扰稳定性的有效性。     

能量约束下电力电子并网装备的最优频率控制

大规模新能源并网导致现代电力系统的旋转惯量相对减少,频率动态特性变差。为支撑系统频率,通常要求新能源发电装备具备一定的惯量模拟或一次调频等附加控制功能,但目前在新能源的最优频率支撑方面研究较少。文中以最优控制为切入点,初步探讨了当参与调频的新能源存在能量约束时,作为并网接口的电力电子装备的最优功率支撑轨迹以及近似的最优控制结构。首先,从理论上推导并给出了多机系统的频率共模分量。该共模分量主导了电网的频率跌落特性。然后,基于高斯伪谱法研究了能量约束下电力电子装备在系统频率跌落时的最优支撑轨迹。最后,探索了电力电子并网装备支撑电网频率的最优反馈控制结构,指出虚拟惯量控制加下垂控制近似于最优的控制结构,且在可调用的能量较小时单独使用虚拟惯量控制优于下垂控制。仿真验证了理论分析和所讨论的频率最优控制结构的合理性。     

基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略

双馈感应发电机在最大功率点跟踪控制下,发电机的输出功率难以响应电网频率波动,常规超速减载控制虽然可保留部分有功备用参与系统调频,但存在风电机组发电效益降低、转速调节范围减小及桨距角控制启动频繁等问题。为此,文中结合双馈感应发电机网侧变流器的控制特性,提出了基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略。其中,虚拟惯量调节和一次频率调节都由超级电容控制实现,无须改变或增加风电机组额外附加控制,提高了单台风电机组的自稳性和抗扰性;根据实际超级电容模组的成本和充放电效率对储能单元容量进行优化配置。通过对比预留备用一次调频方案的经济性,表明所提方案具有较强的经济优势。最后,通过仿真实验表明其惯量支撑和一次频率调节能力及发电效益相较于常规一次频率控制具有明显提高。     

大规模双馈风电机组并网频率稳定控制策略

风电在电网中的渗透率逐年升高,尽管其在优化电源结构、节能减排方面有颇多贡献,但是由于自然风的波动性和不确定性,大规模风电并网势必会对电网频率稳定等方面产生影响。针对此问题,对装机量较高的双馈型风力发电机组（doubly-fed induction generator,DFIG）控制系统进行研究,制定大规模双馈型风电机组并网下的频率稳定控制策略。在现有附加下垂控制及虚拟惯性控制的基础上,根据输入风速以及电网侧频率波动,对下垂控制环节进行变系数处理,改善下垂控制特性。将DFIG运行工况进行分类,并采用变减载系数,使DFIG在限功率运行的同时减少弃风。采用具有大规模风电并网接入的实际电网模型,仿真验证了所提频率稳定控制策略的有效性。     

基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术

基于电力电子换流器并网的变速恒频风力发电机组对电力系统的惯性几乎没有贡献,这将成为风电场大规模接入电网之后面临的新问题。在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上,研究双馈机组的虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化的关系,提出双馈风电机组的虚拟惯性控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线,从而释放双馈机组"隐藏"的动能,对电网提供动态频率支持。通过对含20%风电装机容量的3机系统的仿真分析,验证该控制策略在系统出现功率不平衡后,能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力,从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性。     

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.     

双馈风机参与调频的速度控制器模糊协同控制及参数校正策略

双馈风机调频的目的是通过释放转子动能对电网提供有功支撑,然而以速度控制器为代表的固有控制环节,其控制目标是维持转子转速稳定运行,两者控制目标的差异性将会引发调频性能与风机运行安全的冲突。为此,提出了双馈风机调频阶段速度控制器模糊协同控制及参数校正策略。首先,为明确调频阶段风机调频参数特征,利用风机转子动能、桨距角减载与虚拟惯量和一次调频的能量对应模式,提出了风机调频控制环节参数与运行点的映射等值模型;其次,考虑以速度控制器为主的风机固有控制环节,分析了速度控制器参数对惯性响应环节的影响,基于模糊逻辑算法提出了提升电网频率控制效果的速度控制器动态运行算法,缓解了与调频环节间的固有矛盾;最后,构建仿真模型对所提策略进行验证,结果表明所提方法可有效协调风机当前运行点以及风机调频控制、风机固有控制等环节的调频性能,提升电网的频率控制支撑能力。     

柔性直流输电系统自适应虚拟惯性调频控制策略

针对传统控制策略下柔性直流输电系统接入交流电网后无法为系统提供惯性以及参与调频的问题,提出了一种考虑频率稳定的自适应虚拟惯性调频控制策略。在直流侧保持下垂特性,自动分配直流功率的同时,使柔性直流输电系统能够参与二次调频,实现交流侧频率的无差调节。另外,通过虚拟惯性控制,进一步提高系统频率稳定性和惯性,改善二次调频控制所引起的暂态波动。针对惯性系数选取受直流电压偏差限制的问题,采用自适应惯性系数,在电压偏差较小时,可以增大惯性系数,得到更好的频率稳定效果,反之则减小惯性系数,防止直流电压越限。在PSCAD环境下搭建了五端柔性直流电网的仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于可释放动能的双馈风机虚拟惯性控制策略影响分析

针对现有双馈风力发电机（doubly-fed induction generator,DFIG）附加虚拟惯性控制策略后存在兼顾频率稳定及暂态功角稳定方面的不足,首先利用DFIG的电压和磁链方程,推导出电磁功率表达式,基于同步发电机功角概念推导出与其类似的DFIG等效功角,并分析了DFIG的调频能力与其等效功角稳定性的关系。其次,鉴于DFIG在不同风速下含有不同程度的可释放动能（kinetic energy,KE）,提出了一种基于可释放动能的惯性控制策略:根据转子转速调整DFIG惯性控制策略中频率变化率和下垂回路的回路增益,使运行在较高转速下的DFIG释放更多的动能,根据释放的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的贡献。该策略在提高系统调频能力的基础上能兼顾改善暂态功角稳定性,并避免了转子转速过低,从而保证了DFIG在惯性控制过程中的稳定运行。最后,基于实时数字仿真系统（real time digital simulation system,RTDS）的仿真软件RSCAD搭建了DFIG单机并网仿真系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制

双馈风电机组采用电力电子变流器控制使得机械部分与电气部分解耦,大规模风电并网后电力系统总有效转动惯量下降,增加了系统的调频压力。文中通过对双馈风电机组运行及控制特性的分析,研究给出了反映机组有效储能的等效虚拟惯性时间常数的计算方法,提出了基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化以及动态识别机组运行状态,修改控制参数控制机组有功输出,释放或吸收机组有效动能,对电网提供动态频率支撑。在理论分析基础上进行时域仿真验证,仿真结果表明,双馈风电机组变参数虚拟惯量控制在机组各种运行工况下实现了对系统频率的有效支撑,提高了电力系统频率稳定性,且保证了机组调频过程中自身运行的稳定性。     

大规模双馈风电机组参与调频的电网自适应低频减载策略

大规模风电参与惯性控制和一次调频会对电网频率特性产生显著影响,而现有的低频减载方法尚未考虑该影响,可能引起频率轨迹失真和负荷切除不合理问题。鉴于此,以双馈型风电机组为例,研究将风电虚拟惯性响应时变特性参数和一次调频响应系统模型融入低频减载过程的方法,提出了改进低频减载策略和负荷切除决策模型。首先,通过求解含风电虚拟惯性响应的电网等效惯量(具有时变特性)、检测频率变化率,计算低频减载首轮起动时刻的实时功率缺额。然后,定量表征风电一次调频及负荷调节效应先抵消部分的实时功率缺额,剩余功率缺额则由自适应低频减载策略分批切除。最后,理论研究及算例分析结果表明,所提低频减载改进策略和模型能更客观地反映电网频率特性,负荷切除量明显更小,体现了大规模风电参与调频对低频减载的有益影响。     

大容量双馈风电机组虚拟惯量调频技术

针对风电机组不主动参与电网频率调节的问题,量化评估了大容量双馈风电机组利用风轮旋转动能进行调频的能力,提出了基于附加转矩的风电机组虚拟惯量调频控制方法,并研究了其实现原理与控制策略,建立了大容量双馈风电机组Bladed+MATLAB联合仿真模型,实现了虚拟惯量调频全过程动态仿真。首次在MW级风电机组上进行了虚拟惯量调频现场试验,揭示了大容量风电机组虚拟惯量调频的动态特性与技术特点。试验结果表明了理论与仿真分析的准确性及控制策略的有效性。