一种基于储能技术的风电场虚拟惯量补偿策略

变速恒频风电机组转子动能被变频器与电网"隔离",使得其对电网贡献的惯量几乎为零。随着风电渗透率不断提高,电网的频率稳定性问题也随之加大。因此各国风电并网导则均明确要求风电场需具有参与系统频率调整的能力。由于风电场内部机组数量庞大,机组间运行工况不一致,风电场层面的控制仍具有很大难度。为此文中定义风电–储能系统的虚拟惯量,研究储能装置协助风电场进行惯量补偿的容量要求,并基于模糊逻辑控制提出一种利用储能装置补偿风电场惯量的控制策略。仿真研究表明:所提虚拟惯量补偿策略能够有效补偿风电场虚拟惯量、协调风电–储能系统和常规电网之间的能量交换,使风电场迅速响应系统的频率变化,从而有效地提高大规模风电场接入系统的频率稳定性。     

基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制策略

为提升高比例电力电子装备电力系统的涉网频率性能,提出了一种基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制方法。对于多风电场站集群系统一次调频功率的分配问题,综合考虑转子转速及变流器容量运行条件后,利用等比例裕度因子的一次调频功率分配方法,将有功功率指令下发给各风电场站。针对各风电场站中虚拟惯量、虚拟阻尼系数的制定问题,研究了一种基于可释放动能的频率调节参数分区设置方法。将各风电场站运行状态通过频率响应的变化趋势进行分区,并在此基础上结合可用调频动能对频率调节参数进行合理灵活的设置。仿真结果表明所提方法充分利用了各风电场站的调频资源,提高了高比例电力电子装备电力系统的频率稳定性,为新型电力系统的频率安全性提供了相应的技术保障。     

基于虚拟同步机技术的风储系统协调调频控制策略

为了充分发掘风电机组调频能力,考虑传统储能系统直接补偿风电场二次频率跌落调频控制策略存在储能系统容量需求高、经济性差的缺点,该文提出一种基于虚拟同步机（VSG）技术的风储系统协调调频控制策略。首先,在风储VSG系统结构基础上建立风储VSG数学模型,并分析风储VSG调频特性;其次,依据储能系统数学模型研究储能系统VSG调频控制方法;然后,综合考虑风电场与储能系统出力特点,提出基于风电惯量释放和储能稳态支撑的风储协调控制策略,通过风电场与储能系统并行出力的方式,在降低储能系统容量需求的同时充分发挥风电机组短时功率支撑的作用;最后,通过仿真分析可知,采用该文控制策略可在稳定系统频率的基础上大幅降低储能系统容量配置,提高风电场调频经济性。     

基于VSC-HVDC的双馈风电场并网协调控制策略研究

针对双馈风电场经VSC-HVDC并网时,受端电网惯量不足而出现扰动下频率偏移较大的问题,提出了一种协调控制策略。在协调控制策略下,当电网侧交流系统频率发生变化时,电网侧变流器首先调节直流电压的参考值,以响应系统频率的变化,同时风电场侧变流器根据变化的直流电压调节风电场侧变流器的频率。为响应风电场侧变流器频率的变化,双馈风电机组引入虚拟惯性控制环节,通过吸收或释放转子的旋转动能,改变双馈风电机组的有功出力。通过协调控制,直流电容储存的能量和DFIG的转子动能共同为系统提供惯性支撑,提高了系统的频率响应特性。通过仿真分析验证了所提协调控制策略的正确性和有效性。     

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。     

高风电渗透率系统的模糊自适应虚拟惯量控制

随着风电大规模并网,电力系统逐渐发展为低惯量系统,广泛推广风电机组转子惯性控制技术对于提高系统的频率稳定性具有重要意义。该文通过对双馈风电机组和火电机组调频特性的分析以及对双馈风电机组等效惯性常数的研究,提出了风-火系统模糊自适应虚拟惯量控制策略。首先根据风电机组运行工况和系统风电渗透率模糊动态决策出了风电场调频比例系数,其次基于风电机组辅助惯性控制微分系数与风电机组等效惯量常数的关系和风火联合增量系统模型整定了风电机组虚拟惯性控制参数的变化范围,最后设计算例验证了所提自适应调频控制策略的有效性。仿真结果表明该策略不仅使得风电机组在各种运行工况下均能够提供可靠的有功支撑,还保证了调频过程中风电机组的稳定运行,提高了系统的频率稳定性。     

结合超速备用和模拟惯性的双馈风机频率控制策略

基于双馈风机的风电场大规模并网将导致电网等效惯量降低、一次调频能力不足。为了使双馈风机同时具备惯性调频和一次调频能力,并解决传统模拟惯性控制方法容易引起的二次频率冲击问题,提出了一种结合超速备用和模拟惯性的双馈风机有功频率控制策略。双馈风机在电网频率正常时运行在超速减载状态,获得一定的调频备用容量并提高转子存储动能;在系统频率变化时,通过检测电网频率偏差、调节参考转速来改变输出功率,参与系统调频。该策略可以使双馈风机具有和常规机组类似的静态调频特性,能有效支持系统的惯性调频,减小静态频率误差,并避免转速恢复对系统频率的二次冲击。最后通过仿真验证了所提控制策略的有效性。     

考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略

由于风资源分布的差异性,风电场内不同机组的减载备用能力不同。在预留减载备用时,风电场应考虑不同机组的减载备用能力差异。针对该问题,构建了双馈风机的可用调频容量模型,在此基础上,提出了考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略。该策略根据不同风速机组的可用调频容量差异协调风电场的调频资源,在满足备用容量的同时充分利用转子动能,通常仅需控制部分风机,简化系统复杂性。在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了系统仿真模型,仿真结果表明所提策略使风电场内不同风速的机组协调配合,改善系统的频率调节能力,缓解同步机调频压力。     

双馈风电机组变系数虚拟惯量优化控制

传统的变速恒频风力发电机采用电力电子变流器控制,导致机组输出功率与系统频率解耦,使风力机无法响应系统频率变化,降低了系统转动惯量。在分析双馈风力发电机运行特性和虚拟惯量特性的基础上,研究了双馈风力发电机采用虚拟惯量控制的机组转速变化与输出功率的关系,提出了同时考虑调频效益和调频成本的变系数虚拟惯量控制策略。该控制策略分别以调频时双馈风电机组输出功率、转速恢复时间衡量调频效益、调频成本的大小,并采用遗传算法离线计算机组不同运行状态下的调频系数曲线和机组转速变化程度的最优值,以实现机组频率控制系数随机组转速变化而改变。根据计算所得调频系数曲线在MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,结果表明所提方法能够使双馈风电机组在不同运行状态下响应系统频率变化,并保证机组自身稳定运行。     

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。     

考虑惯性调频的双馈风电机组主动转速保护控制策略

双馈风电机组模拟惯性调频能响应系统频率变化、缓解大规模风电并网导致的系统惯性降低问题。但是转子储存动能有限,当转子转速下降到一定限值时风电机组将退出调频并恢复转速,这将引起系统频率二次跌落。文中首先对双馈风电机组在不同风速区内的惯性调频特性进行了分析,并量化分析了不同风速区内风电机组参与调频过程中的有效释放动能,然后提出了基于动能损失负反馈的主动转速保护控制策略。该策略根据双馈风电机组容量和实时运行工况调整转速保护控制器的比例—积分系数,使双馈风电机组随着转子转速下降逐渐退出调频过程,从而维持风电机组在释放动能过程中自身的稳定性,避免频率二次跌落。不同风速区内仿真结果验证了所提主动转速保护控制策略的有效性。     

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。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

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。     

改善惯性响应与一次调频的风电全直流系统协调控制策略

针对风电全直流系统并网后给交流电网带来的系统惯量降低、调频能力不足等问题,提出一种改善惯性响应与一次调频的变系数风电全直流系统协调控制策略。在惯量响应方面,网侧换流站采用惯性同步控制,直流升压站采用恒变比控制,实现直流电容对电网的惯量支撑及直流低压侧的直流电压对交流系统频率的感知,在此基础上对直流风电机组(DC wind turbine, DCWT)附加变虚拟惯性系数的虚拟惯量控制,使风电全直流系统在不同频率响应阶段具备不同的等效惯量。在一次调频方面,DCWT采用超速与变桨结合的减载运行方式,通过变下垂控制来改变它的有功出力,充分利用不同风速下的备用容量,从而使风电全直流系统更有效地参与一次调频。最后仿真算例表明,该策略改善了风电全直流系统接入后的电力系统的惯性响应及一次调频。     

考虑惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法

并网风电场主动参与旋转备用控制,已成为调度部门和风电场运营商面临的新挑战。将变速风电机组的转子惯性动能纳入到风电场旋转备用容量范畴,从而最大限度地利用转子惯性动能参与电网频率调节或紧急备用;并根据风电场实际运行场景,提出了备用优化运行模式与调度优化运行模式及其对应的优化模型。实际算例分析表明,相比于传统备用方法,所提出的方法可在备用优化运行模式下使风电场弃风量最小,给风电场商带来较为可观的经济利益;可在调度优化运行模式下向电网提供最大的旋转备用容量,更加有利于电网稳定运行。     

基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制改进方案

针对传统转子动能控制的转速恢复过程对频率响应的不利影响,提出了一种基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制改进方案。该方案通过引入恒定附加功率,使双馈风电机组在释放转子动能后稳定运行在较低转速,待系统频率恢复稳定后再进行转速恢复,从而达到改善频率响应特性的目的。基于MATLAB/Simulink搭建了含双馈风电机组的四机两区域仿真模型,并对所提方案进行了仿真验证。仿真结果表明,相比于传统的转子动能控制方法,所提出的改进方案能有效改善转速恢复对频率响应的不利影响,提升风电机组参与系统调频的效果。     

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.