新型电力系统主动构网机理与技术路径

随着新一代“双高”电力系统的发展,新能源并网变换系统逐渐由随网型向构网型演变,当新能源机组集群运行时,并网情况将更加复杂。变换器的构网能力需亟待研究,同时也是电力能源转型需承担的重要使命。该文立足并网系统内外形态的全局性和传统并网变换系统性能分析的局限性,对并网变换器的主动构网支撑机理进行再揭示。首先,对虚拟同步技术与构网机理进行简要评述;其次,就集群并网系统的建模问题、多机集群并网运行时的耦合交互问题、支撑构网能力的储能配置和运行边界等3个关键技术问题,进行深入研究;最后,针对上述3个关键技术问题,进行技术路径探索和研判。该文的思路为形成适用于未来新能源集群并网运行的系统化理论和实用化方法奠定一定基础。

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。

储能虚拟惯量主动支撑与调频状态转移控制

释放储能装置的频率支撑潜力,将是提升风、光高占比系统并网稳定性的关键。该文首先对比分析常规发电机组的固有惯量、风电机组的虚拟惯量及储能的惯性支撑特性。其次,根据系统中的储能容量配置,约束量化储能的虚拟惯量,为系统惯量需求提供评估依据,以保障频率安全。在此基础上,利用储能独特的功率支撑特性,提出恒频控制与调频状态转移控制结合的储能并网频率主动支撑控制策略,突破虚拟惯量及一次调频的传统控制模式。最后,搭建风电高渗透电网仿真系统,验证储能装置在所提控制策略下能够显著提升系统的频率稳定性,改善其对电网的主动支撑性能。

Influence of Support Conditions on the Hydroelastic Behaviour of Floating Thick Elastic Plate

The hydroelastic response of very large floating structures (VLFS) under the action of ocean waves is analysed considering the small amplitude wave theory. The very large floating structure is modelled as a floating thick elastic plate based on Timoshenko- Mindlin plate theory, and the analysis for the hydroelastic response is performed considering different edge boundary conditions. The numerical study is performed to analyse the wave reflection and transmission characteristics of the floating plate under the influence of different support conditions using eigenfunction expansion method along with the orthogonal mode-coupling relation in the case of finite water depth. Further, the analysis is extended for shallow water depth, and the continuity of energy and mass flux is applied along the edges of the plate to obtain the solution for the problem. The hydroelastic behaviour in terms of reflection and transmission coefficients, plate deflection, strain, bending moment and shear force of the floating thick elastic plate with support conditions is analysed and compared for finite and shallow water depth. The study reveals an interesting aspect in the analysis of thick floating elastic plate with support condition due to the presence of the rotary inertia and transverse shear deformation. The present study will be helpful for the design and analysis of the VLFS in the case of finite and shallow water depth.

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。

弱电网下多源构网型变流器协同控制方法

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)作为构网型控制的主要技术之一,可为电网提供惯量支撑,但由于变流器单机容量有限,当系统需要更大的惯量支撑时,需要多VSG并联运行,因此多VSG并联的协同控制备受关注。基于此,建立了VSG多机并联的状态空间模型,通过状态变量矩阵的特征值分析系统稳定性。同时,提出了基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的多VSG并联协同控制策略,引入角频率差与功角差作为性能指标设计目标函数,求解所需最佳有功额定增量,通过功频系数对输出角频率进行动态修正,实现对输出频率的主动支撑,有效抑制了VSG并联造成的系统频率波动,提高了电网的稳定性。结果表明,相较于传统的VSG并联系统,所提出的MPC-VSG并联控制方法可缩短系统暂态响应时间,提高系统在暂态下的鲁棒性。仿真结果验证了该方法的有效性。

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。

内嵌同步机支撑特性的含储能并网变流器电流型控制策略

光储并网变流器具有低惯量、弱阻尼、调压能力弱和功率频繁波动等特征,大规模接入会影响电力系统安全稳定运行。针对此类含储能并网变流器,提出了一种内嵌同步机支撑特性的电流型控制策略,以增强系统的惯性支撑能力。该策略模拟同步机的动力学行为,将并网变流器输出外特性控制成具有同步机控制特性的受控电流源,融合了基于虚拟同步机的构网型控制与基于锁相环的跟网型控制两者的优势,在惯性支撑、故障穿越、电网谐波、孤岛运行等方面具备显著综合优势,并且虚拟惯性支撑的实现无须对系统输出频率微分进行检测采样,避免了频率微分检测带来的噪声干扰。此外,针对交流侧惯性支撑能力与直流侧电压稳定难以调和的矛盾,设计了兼顾直流侧电压稳定与交流侧惯性支撑的模糊自适应比例-积分(PI)协调控制策略。最后,硬件在环实验结果验证了所提策略的可行性和有效性。

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。

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。

基于惯量同步的构网型永磁直驱风电机组频率支撑及转速恢复策略

针对风电机组频率响应后有功支撑与转速恢复切换易诱发二次频率跌落的问题,提出了一种考虑转速恢复的构网型风电机组频率支撑策略。首先阐述了构网型风电机组的“惯量同步”原理;其次,基于转子运动方程,分析了构网型风电机组调频及转速恢复策略对频率最低点及二次频率跌落的影响机理;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,构建基于惯量同步的构网型风电并网系统,并在不同扰动下验证所提控制策略的有效性。

基于虚拟惯量模糊自适应的新能源逆变器频率主动支撑策略

新能源通过逆变器大规模接入孤岛微电网,导致系统惯量水平持续下降,系统频率面临严峻的失稳风险。针对此问题,提出了一种基于虚拟惯量模糊自适应的新能源逆变器频率主动支撑控制方法,利用新能源逆变器直流侧电容主动支撑系统频率。首先,通过在新能源逆变器控制回路中引入基于模糊控制的新能源逆变器直流侧电容电压-系统频率耦合的功率控制项,使直流侧电容具备与同步发电机相似的惯性响应。然后,计及频率响应过程对虚拟惯量的差异化需求,设计模糊控制规则,根据频率波动区间自适应调整新能源逆变器直流电容附加虚拟惯量,以减缓系统频率偏移速度,改善系统频率极值,并加快系统频率恢复速度。其次,通过构造李雅普诺夫能量函数证明了采用所提控制方法后系统的稳定性。最后,仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。

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。

频率安全约束下受端电网直流最大传输容量评估

高比例新能源和大容量直流馈入使受端电网同步电源开机容量持续下降,系统惯量支撑和一次调频能力弱化,频率安全问题日益凸显。在规划和运行中,有必要纳入频率安全约束,分析受端电网可承载的直流最大传输容量(totaltransfer capacity,TTC)。为有效平衡清洁能源消纳和频率安全风险防控双重目标,计及施加快速频率控制的电化学储能、风电等多元异质资源,构建了一种考虑频率安全约束的受端电网直流最大传输容量评估模型,通过优化开机方案和多类型资源出力,求取满足各时段预想故障频率指标要求的直流TTC。针对暂态频率偏差约束的高度非线性特征,采用一种融合自适应分段和自适应合并策略的拟合方法对其进行线性化处理。基于改进的IEEE RTS-79系统开展算例分析,验证了所提模型和方法的有效性。

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。

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。

考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。

基于改进PSO-SVM的薄壁件铆接质量检测

针对传统铆接几何公差质量检测极易造成错检、漏检等问题,提出了基于改进PSO-SVM的铆接质量检测方法。采用惯性权重自适应调整的策略,并选择合适的学习因子,有效提高了检测准确性;针对小样本提出最小二乘SVM算法,提高计算速度获得最优解;利用改进PSO优化最小二乘SVM的惩罚因子参数值和核函数参数值。并以制孔和铆接后的6061铝合金板模拟飞机薄壁件铆接样本,使用搭配远心镜头的CCD相机采集图像并建立数据集,验证了方法的有效性。