新能源储能微电网惯量支撑性能研究

针对传统虚拟惯量控制无法在频率恢复阶段使直流母线电压恢复至额定的问题,提出1种采用高通滤波器的虚拟惯量控制方法。MATLAB/Simulink仿真结果表明,直流母线电压变化可以反应微电网实时频率,新型虚拟惯量控制策略可以保证频率变化全过程稳定,在频率恢复阶段减小虚拟惯量加快频率恢复,为后续频率调节提供充足时间裕度。高通滤波器虚拟惯量控制方法可以使直流母线电压恢复至初值,在不改变超级电容储能惯量支撑的基础上,使新能源储能微电网保持直流母线电压稳定。

考虑风机惯量支撑及有功备用的新能源电力系统优化调度模型

针对新能源大规模并网下,因系统惯量低、调频备用不足导致的系统运行安全问题,提出了考虑风机惯量支撑及有功备用的新能源电力系统优化调度模型。首先,建立实时风速下风机参与系统惯量支撑响应的风机惯量模型及风机降载出力的有功备用模型;然后,构建了两阶段随机鲁棒优化调度模型,以总运行成本最小为目标,采用列与约束生成算法求解两阶段模型;最后,以改进的IEEE-RTS 24节点系统为算例进行分析,结果表明,所提优化调度模型的总成本较低且弃风弃光量较少。

新能源场站惯量支撑与频率响应特性研究

针对风电、光伏等新能源场站大规模并网,使传统电网逐渐转变为非同步电源主导的低惯量、弱阻尼系统,系统频率动态特性发生较大变化的问题,从控制角度对新能源场站中风电、光伏、储能的惯量支撑功能进行分析,阐述了新能源场站中风电、光伏、储能惯量支撑的能量来源、响应策略、功能定位;并建立含新能源场站的电力系统频率动态分析模型,分析惯量、阻尼、调差系数等因素对系统频率变化的影响。研究表明,新能源高渗透背景下,系统转动惯量减少,频率稳定性面临严峻挑战,开展新能源场站惯量支撑功能改造是应对新能源并网挑战的关键措施。

基于惯量支撑和一次调频需求的VSG储能单元配置方法

分布式电源大量接入电网会引发电网惯量、阻尼缺失和系统稳定性下降问题,虚拟同步发电机(VSG)在分布式电源友好接入和提高电力系统稳定性等方面极具应用前景。作为虚拟惯量的物理基础,储能单元的配置直接影响着VSG的性能和成本。文中基于VSG的惯量支撑、一次调频两大基本功能,建立了响应电网频率波动的储能单元出力模型,提出了一种以元件参数和控制参数为基础的储能单元配置方法。然后,计及下垂系数、阻尼系数和惯性常数,研究了储能单元出力的暂态特性及其调节机制,并分析了储能单元功率、容量需求受控制参数影响的机理,明确了影响程度最大的控制参数。最后,借助仿真和实验证明了所提方法的正确性。

新型电力系统惯量支撑和调频响应特性典型建模综述

大力发展以光伏、风电为主的新能源是实现“双碳目标”、解决我国能源战略安全问题以及推动生态文明建设的重要途径。新能源电源出力具有随机性、波动性、间歇性的特点,且大多为非同步机电源,不具备传统电源对电网的惯量支撑特性。随着新能源电源渗透率的逐渐增高,传统电源容量占比逐渐降低,电力系统所面临的频率暂态稳定性问题变得愈发严重。新型电力系统暂态频率响应特性主要由惯量支撑和调频特性决定,因此,对系统惯量支撑和调频的建模以及特性分析成为新型电力系统频率稳定性研究以及解决方案设计的关键。本文旨在综述新型电力系统惯量支撑和调频特性研究过程中所需的模型,总结仿真建模过程中的典型模型和关键参数,以期为同领域的研究者在新型电力系统惯量支撑和调频研究过程中提供有益的参考。

风电机组惯量支撑与一次调频综合控制策略

针对大规模风电接入电网导致系统惯量降低、调频能力不足的问题,文中提出一种风电机组惯量支撑与一次调频综合控制策略方案。该方案基于风电机组浆距角特性来整定风机减载控制,预留风电机组调频所需的备用容量,进一步解决减载模式下电网频率变化与虚拟转动惯量之间的结合问题。此外,再计及风电机组转速保护来整定静调差系数,并与惯量支撑控制相结合,以实现风电机组综合调频控制策略。在MATLAB/Simulink中搭建含风电场的联合仿真模型,其结果表明风电机组可快速为电网提供虚拟转动惯量支撑,降低初期电网频率扰动的变化率,并按照整定的静调差系数调节输出功率,提高了风电接入电网的频率稳定性,验证了文中所提控制策略的合理性。

大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析

随着可再生能源渗透率的不断提高,同步电网的惯量和一次调频的能力都在不断下降,而如果可再生能源发电采用虚拟同步发电机(VSG)技术,则可以在大功率缺额冲击下对减小系统频率变化率和频率偏差做出应有的贡献。针对VSG研究中惯量支撑与一次调频功能定位不清晰的现状,亟须明确VSG在大电网中应用时此两者的功能定位需求。文中深入分析了VSG的惯量支撑功能及其物理意义,推导了VSG的惯量支撑功率表达式,辨析了VSG惯量支撑功能与一次调频功能的定位区分,仿真分析了VSG在大型同步电网频率事故过程中采用不同控制功能对系统频率变化的作用。最后指出,在大型同步电网中,一次调频能力下降比系统惯量下降所带来的影响更为严重,因此较之于短时的惯量支撑功率,系统更需要VSG发挥一次调频功率的持续支援作用。

考虑惯量支撑及频率调节全过程的分布鲁棒机组组合

风电的随机性和低惯量增加了电力系统安全经济运行的难度。针对风电的高阶不确定性,该文提出基于正态云模型表征风电预测误差概率分布值,综合1-范数和∞-范数条件约束风电预测误差概率的可行域,建立两阶段分布鲁棒机组组合模型。同时针对高渗透率风电系统惯量低、调频能力弱的特征,在优化模型中综合考虑系统中同步发电机组的同步惯量、风电机组的虚拟惯量和下垂控制,融合时域优化和频域控制,通过时频域的解析,推导"惯量支撑–频率最低点–准稳态–二次调频"的全过程约束,以满足惯量和各阶段频率调节的备用需求。基于此,将所提模型混合整数线性化,并采用列和约束生成算法对其进行求解,生成的优化割有效地降低了求解复杂度。算例仿真验证表明,所提模型和方法能有效提升系统的频率响应能力,保证安全经济运行。

提升柔性直流系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制策略

针对电力电子化电力系统低惯量特性引起的频率稳定问题,从挖掘电网输电环节调控潜力的视角出发,提出了提升柔性直流系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制策略。定量分析了利用柔性直流系统能量裕度提升系统惯量水平的可行性,提出了计及子模块电容和电感元件能量裕度的换流站自同步控制策略,在实现无锁相环自同步的同时主动支撑受端系统惯量;在此基础上,为了解决现有控制中直流电压安全约束限制电容能量利用的问题,提出了柔性直流系统直流电压与子模块电容电压解耦控制策略及参数设计方法,通过自适应调节子模块投入数量与电容电压参考值,实现柔性直流系统内储能元件能量裕度的充分利用,并设计了其恢复策略及启动判据,有效提升了受端系统惯量水平和频率稳定性。定量评估了柔性直流系统的惯量支撑能力,并通过实时数字仿真验证了所提控制策略的有效性。

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。

虚拟同步耦合下储能的频率支撑与功率振荡多目标协调控制

准确评估系统惯量、阻尼和一次调频需求,弱化虚拟同步机阻尼支撑和一次调频间的耦合性,是实现储能并网发电系统多目标协调控制的关键。基于同步机的功率响应方程,建立虚拟调速器系统,弱化虚拟同步机单位调节功率和阻尼的耦合性。根据同调发电系统的频率稳定约束,量化评估储能的单位调节功率和惯量需求,以保障系统频率安全。根据阻尼比约束设计储能阻尼,以保障同调发电系统的振荡抑制能力,并结合频率安全需求提出含虚拟调速系统的虚拟同步多目标协调主动支撑控制策略,充分发挥储能的惯量、一次调频及阻尼支撑潜力。搭建风储高渗透率并网仿真系统,验证所提控制策略可显著改善储能支撑系统频率稳定和抑制功率振荡的能力。

直流微电网风储惯量协调控制策略

针对永磁直驱风机的惯量支撑能力随运行点变化的问题,考虑储能系统惯量的快速灵活支撑能力,提出了一种基于类虚拟同步发电机控制的直流微电网风储惯量协调控制策略。通过电压环控制回路参数的协调解决了当前风储类虚拟同步发电机控制在动态响应初始阶段存在的直流母线电压突变问题,省去了以往的前馈补偿修正环节。引入了2个分别与风电机组的惯量支撑能力和储能系统荷电状态相关的储能惯量支撑系数,实现了全工况下的风储惯量协调控制。针对惯量协调控制中风电机组完成惯量支撑后转子转速恢复过程所导致的电压二次跌落问题,设计了储能辅助转子转速恢复控制,平抑了直流母线电压二次的波动。在MATLAB/Simulink中进行时域仿真,验证了所提风储惯量协调控制策略的有效性。

风电机组双向支撑能力分析与自适应惯量控制策略

针对高比例新能源电力系统暂态频率支撑需求,提出一种考虑双向支撑能力的风电机组自适应惯量控制策略。首先,基于典型风电并网模型,分析了不同渗透率、控制参数和扰动下系统的频率动态响应特性。其次,结合风电出力与转速关系曲线,给出风电机组对频率上升/下跌事件的双向惯量支撑能力定量分析方法。再次,提出风电机组自适应惯量控制策略,给出各参数的设计方法并基于状态空间方程分析了控制系统的小扰动稳定性。最后,基于RT-LAB搭建了实时仿真算例验证所提方法的可行性和有效性。仿真结果表明,所提控制策略能够保证风电机组根据自身能力和系统需求提供有效的惯量支撑,与已有典型控制策略相比,改善了低风速与高风速场景下的频率响应特性。

考虑不对称转速边界约束的变速抽蓄机组综合惯量调频控制

当系统出现频率跌落时,变速抽蓄机组可大幅降低转速、迅速释放转子动能,从而为系统提供惯量支撑,但目前已有的调频方案未能有效发挥变速抽蓄机组的这一优势。为充分利用转子动能,提出一种考虑不对称转速边界约束的变速抽蓄机组综合惯量调频控制策略。首先,从变速抽蓄机组的有功支撑特性和不对称转速约束条件出发,得出适用于变速抽蓄机组的最优频率控制结构,该结构中包含两个时间常数不同的虚拟惯量控制环节。然后,分析各惯量控制环节的作用并整定相关参数。在此基础上,计及变速抽蓄机组运行特性与电力系统调频需求,设计了变速抽蓄机组不对称综合惯量控制策略,使得机组转速降低时可以为系统提供更大的惯量支撑。仿真结果表明,所提调频策略能够充分发挥变速抽蓄机组的优势,维持系统频率稳定。

快速频率响应负荷参与惯量辅助服务能力评估及应用

新能源比重的不断增加导致电力系统惯量水平降低。为防止低惯量系统故障后频率快速跌落,亟须挖掘新型惯量响应资源。快速频率响应负荷(FFRL)可以根据电网故障后频率变化率灵活调节负荷水平以提供紧急支撑。文中基于FFRL参与的电力系统频率响应模型给出了FFRL惯量支撑效果评估方法,并结合不同市场主体的惯量服务补偿机制建立了FFRL参与惯量辅助服务优化模型。算例结果验证了所提FFRL惯量支撑效果评估方法的准确性与FFRL参与惯量辅助服务对系统运行经济性与系统频率安全稳定的提升效果。相比于传统火电机组,FFRL可以凭借更少的响应容量提供更多的惯量响应,并根据其响应策略与控制方式进行灵活变换,从而更精准地响应电网对自身惯量水平的要求。

考虑最低惯量需求的受端电网储能规划研究

随着新能源接入比例快速攀升,受端电网惯量支撑和频率调节能力逐步下降,频率稳定问题日益突出。电化学储能具有快速功率响应能力,为保障频率稳定提供了新手段。该文综合考虑电化学储能虚拟惯量和快速频率响应功能,提出了一种考虑系统最低惯量需求的受端电网储能规划方法。从最低惯量需求的定义出发,根据惯量水平与系统频率响应特性的关系,得到基于最大频率变化率和最大频率偏差的最低惯量需求约束,以总成本最小为目标和运行安全约束校验为内核构建了储能优化规划模型。基于分段线性化和变量二进制转化技术,实现了原始非线性优化模型的线性化高效求解。基于某电网规划数据开展仿真测试,验证了该文模型的有效性。

基于风电机组频率主动支撑的多时间尺度调频控制策略

针对大规模风电经特高压直流外送系统送端惯量降低、调频能力下降等问题,提出了一种双馈风电机组与同步机组共同支撑送端系统频率的多时间尺度协调控制策略,有效提升了系统频率稳定性。根据同步机组调频备用容量与扰动功率分析了不同场景下送端系统的频率调节需求,提出了计及调频死区的双馈风电机组频率主动支撑多时间尺度协调控制策略,通过限幅环节及切换逻辑的合理设计实现了变速控制与桨距角控制的协调配合。基于同步机组备用容量设计了双馈风电机组的调频死区值,使其能够针对不同场景自适应切换惯量支撑和一次调频作用,实现调频资源的优化利用。然后分析了双馈风电机组与同步机共同参与频率调节的动态响应过程,进一步证明其优越性。最后,基于RTLAB实时数字仿真平台搭建了大规模风电经特高压直流外送系统仿真模型,验证了所提控制策略的有效性。

高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述

惯量在电力系统抵抗功率扰动中起到关键作用。在大规模新能源并网的背景下,低惯量特征在削弱电网对功率扰动鲁棒性的同时使系统动态行为愈加复杂。总结了国内外对电力系统惯量相关问题的研究动态和成果,并为低惯量电力系统的研究供了建议。首先,对近年来实际电网中由于惯量支撑能力不足而引发的电力系统频率失稳停电事故进行了回顾。其次,从惯性的量化评估、惯量支撑能力提升及基于惯量的新能源电网优化运行3方面对弱惯量支撑电力系统的研究现状及研究路径进行归纳梳理。最后,结合现有成果对弱惯量支撑电力系统的研究进行展望。

光伏机组虚拟惯量控制下电力系统频率特性分析

高比例可再生能源机组的接入和大量火电机组退出,导致电网系统的惯量支撑和一次调频能力下降,降低了系统的频率稳定性。文章首先考虑光伏机组的惯量支撑和一次调频能力,建立了计及新能源惯量支撑和一次调频能力的电力系统频率响应模型;其次,引入最大频率偏差、稳态频率偏差、最大频率变化率(Rate of Change of Frequency,RoCoF)幅值3个指标,对不同新能源渗透率场景下的频率特性进行量化评估。最后,基于DigSILIENT/PowerFac-tory15.1搭建含光伏机组的3机9节点系统仿真模型。仿真结果表明,尽管RoCoF幅值指标在不同渗透率场景下的数值均大于全同步机系统,但在惯性时间常数较大时,高渗透率场景下的最大频率偏差指标优于全同步机系统。

基于混合储能的双馈风机的电网支撑能力提升策略

电网电压跌落时风电机组须具备低电压穿越能力,但是低电压穿越会造成系统频率不稳定。当传统储能结合双馈风机为系统提供惯量支撑和参与系统的一次调频时,仅以频率作为参考量,因此低电压穿越会加剧直流母线电压升高。文章提出了基于混合储能的双馈风机电网支撑能力提升策略。在直流母线处,加入超级电容与蓄电池组成的混合储能模块,在系统功率波动时,混合储能模块为系统提供惯性支撑和参与系统的一次调频;在电压跌落时,混合储能模块吸收直流母线上多余的能量,维持直流母线电压稳定。文章通过仿真试验验证了所提方法的有效性。