新能源场站快速有功控制及频率支撑技术综述

以光伏/风电为代表的新能源高比例并网降低了电力系统的惯量水平和频率支撑能力,频率稳定问题成为当前电网安全稳定和新能源高效消纳的核心问题之一。发展新能源发电并网机组单元和场站的快速有功频率响应和主动支撑能力是当前的研究热点。该文以“单机快速有功控制-场站快速有功控制-场站快速频率支撑”为主线,梳理光伏/风电的快速有功控制及频率支撑发展现状,分析频率检测、通信延时和控制响应模式等因素对光伏/风电场站频率响应快速性的影响,指出风电机组的机械载荷约束、风电场百毫秒级有功控制、场站的调频响应模式选择和优化、暂态有功无功协同控制是提升新能源发电单元和场站的快速有功频率响应能力的4个关键问题,最后对未来的重点研究方向进行展望和讨论。

基于角频率暂态前馈的VSG控制策略

针对虚拟同步发电机(VSG)并网时,输出功率的稳态性能与动态性能之间存在耦合,无法同时满足抑制有功振荡和电网一次调频的需求,提出基于角频率暂态前馈的控制策略,通过补偿输出功率,减小Δω,进而减小振荡过程。该控制策略可以有效抑制有功振荡,并且实现了稳态性能与动态性能间的解耦,不会影响一次调频特性,同时提高了响应速度。首先建立VSG有功闭环小信号模型,分析了输出功率稳态性能与动态性能之间的矛盾,并根据同步发电机功角特性分析了有功振荡机理;在此基础上提出了基于角频率暂态前馈的控制策略,利用闭环零极点与Bode图分析了所提控制策略对系统的影响;最后通过仿真和RT-LAB半实物平台验证了所提控制策略的可行性与优越性。

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。

电压控制对构网型变换器频率响应特性影响分析

构网型变换器的虚拟同步环节是影响其频率动态的最主要因素,但构网型变换器内电势的频率并不仅包含虚拟同步环节的频率。对此提出了一种表征电压控制对构网型变换器频率动态影响作用的研究方式。首先类比同步机的频率分析方法,提出了构网型变换器内电势的概念,将变换器的频率通过内电势频率进行表征,进而通过运动方程建模的方法分析了机电时间尺度内交流电压控制在响应有功功率扰动时对频率动态的作用,分析了电压控制参数对构网型变换器有功功率和频率响应能力的影响趋势。研究发现,较大的电压控制比例和积分参数会使得系统频率动态恶化,但变换器的响应性能主要由虚拟同步环节决定。以3机9节点系统和实际区域电网系统的MATLAB/Simulink仿真验证了所提方法的有效性。

基于多相参处理间隔频响特征聚类的有源假目标鉴别方法

现有真-假目标智能识别算法大多基于监督学习,且在低信噪比条件下表现不好。针对上述问题,该文分别利用真、假目标在多个相参处理间隔(CPIs)内散射特性的时变性和唯一性,提出一种多相参处理间隔频响特征聚类的真、假目标无监督鉴别方法。首先,在快-慢时域中沿快时间维度对真、假目标进行加窗截断,提取快-慢时间域频率响应特征用于构建初步样本集;然后,通过Agglomerative聚类和特征融合网络组成的两步识别算法对真-假目标进行识别;最后,提出一种多相参处理间隔联合决策方法提升识别性能和可靠性。经仿真和实测数据检验,证明了所提方法可实现真实目标和多种有源假目标的有效分离。

针对叶片泵噪音问题的仿真优化设计

首先利用Solidworks建模软件建立叶片泵的排气流道内部结构图,然后利用CFX和Virtual. Lab Acoustic软件从优化排气通道走向和采用消声结构两种方案对叶片泵进行降噪分析和结构优化设计,最后采用试验手段对仿真结果进行验证。结果表明:上述两种方法均可有效地降低叶片泵排气噪音,各有优劣,可根据叶片泵实际运用工况选择最优的降低噪音方式;采用消声结构方案的防返油间隙的直径为7 mm时,降低排气噪音的效果最佳。提供了降低叶片泵排气噪音的新思路,也对其他种类真空泵及类似结构产品的降噪提供了重要参考。

高渗透率新能源并网对电网频率特性参数的影响分析

新能源发电不具备惯量能力和一次调频能力,随着电网中新能源渗透率的不断增加,会严重影响系统的频率稳定性。在MATLAB/Simulink中建立考虑新能源发电接入的电力系统频率响应模型,在此基础上理论分析了频率响应过程中各参数的解析表达式,并利用频率响应综合评估模型对不同新能源渗透率下的电网频率响应进行仿真,从新能源渗透率角度分析了电力系统频率特性指标受影响程度,为从新能源渗透率角度分析电力系统频率特性指标提供了参考。

考虑风-储-直参与调频的电力系统频率特征定量分析

以风电、储能、柔性直流输电为代表的高比例可再生能源和大量电力电子设备的并网,使得电网中传统火电的比例下降,这将在一定程度上影响电力系统的频率稳定性。为定量分析风电、储能、柔性直流输电系统参与调频下电力系统的频率特征,首先提出多种调频资源参与调频下的电网频率特征定量分析总体思路,建立风-储-直调频频率响应模型。然后基于频率特性传递函数对电力系统稳态频率偏差、初始频率变化率、最大频率偏差和频率安全裕度进行理论推导;且定量分析了稳态频率偏差变化规律以及惯性时间常数、辅助调频单元控制比例系数对频率稳定性的影响,并计算稳态频率偏差与功率扰动的关系。最后,基于仿真软件验证了所提分析方法的可行性和有效性。仿真表明所提方法可有效定量分析电力系统频率特征,可为双高电力系统下电网频率安全稳定运行与控制提供指导依据。

单级式光伏发电有功备用虚拟同步发电机频率支撑策略

光伏发电系统通常工作在最大功率跟踪模式,无法为电网提供惯性和频率支撑。虚拟同步发电机(VSG)控制可提供类似同步发电机的行为特性,但通常应用于储能或光储系统。以单级式光伏拓扑为对象,提出一种有功备用的光伏VSG控制策略。该策略源于光伏阵列P—V特性曲线和同步发电机功角特性曲线的相似性,光伏阵列电压直接响应电网频率变化,实现对直流电压控制的同时,提供类似同步发电机“自发”惯性响应。设计了一种基于短路电流估算的光伏最大功率估算方法。该方法无需额外传感器和复杂估计算法,与所提VSG控制策略融合,实现递推估算。不同场景下仿真结果验证了所提方法的有效性和优越性。

电力电子变压器辅助电网调频控制

为减小当前低惯性电力系统受到扰动时的频率偏差,提高系统惯性,本文基于控制负荷消耗理念提出了一种基于电力电子变压器的频率控制策略。根据有功/频率下垂特性,电力电子变压器通过在线负荷灵敏度识别准确地控制电压敏感负载的电压来改变负载有功消耗,可作为功率储备用以支持配电系统的一次调频,在频率暂态期间为系统提供有功支撑。最后设计了应用场景,通过仿真验证了其有效性。结果表明,在相同扰动情况下,使用电力电子变压器进行辅助调频能够有效减小频率偏差,提高系统的抗干扰能力。

基于降阶线性扩张状态观测器的风电并网逆变器线性自抗扰控制

针对风电并网逆变器直流母线电压易受电网电压波动和负载扰动影响的问题,提出了一种电压外环改进型线性自抗扰控制(LADRC)。建立了风电并网逆变器在d-q旋转坐标系下的数学模型,在此基础上,设计了基于降阶线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制,减小了观测器的相位滞后,提高了系统的扰动观测精度;在观测器总扰动通道上增加了一个超前滞后的校正环节以减弱观测器的噪声放大效应;文章对改进型LADRC控制策略进行了频域特性分析。仿真结果表明,相比于传统LADRC控制策略,所提的控制策略对并网逆变器直流母线电压具有更好的控制效果。

满足频率稳定约束的新能源电力系统惯量评估与新能源最大渗透率研究

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”的技术路径之一。由于新能源出力具有较强的波动性与间歇性,且新能源大量替代同步机后,将导致电力系统惯量水平下降,恶化系统频率响应特性,削弱系统抵御功率差额的能力。本文研究了新型电力系统频率稳定问题机理,分析了高渗透率下新能源电力系统动态频率响应特性与系统惯量之间的关系,并以云南“十四五”及中长期构建以新能源为主体的新型电力系统为例,测算了新能源高占比情况下的电力系统惯量变化趋势及新能源最大渗透率。

考虑UFLS响应的大规模风电并网系统频率特性分析

大规模风电并网系统在受到大功率缺额扰动后,电网会出现频率骤降,而低频减载(Under Frequency Load Shedding,UFLS)控制是防止频率失稳的有效手段。首先,基于含UFLS的改进系统频率响应模型(System Frequency Model,SFR),研究了新型电力系统受到大功率扰动下的频率特征,基于经典频率响应模型建立改进的系统频率响应模型,考虑火电、风电联合调频控制策略,并引入UFLS频率控制;然后,根据所建立的系统频率响应模型对大规模风电并网系统参数进行整定,并建立多资源参与调频下的大规模风电并网系统频率特征表达式;最后,通过Matlab/Simulink仿真平台,验证UFLS控制策略参与调频的可行性及UFLS控制参数对频率调制效果的影响。

660MW核电机组一次调频实验及动态特性仿真分析

核电机组与火电机组运行差异较大,目前核电机组对电网频率变化响应的具体数据比较缺乏。为了深入研究660 MW核电机组功率与电网频率变化的动态响应特性,在国内某核电厂3、4号机组进行负荷变化频率差扰动试验,分析机组在实际动作过程中相关参数变化,验证了机组具备在电网小扰动情况下的调节能力。同时,利用MATLAB/Simulink软件建立核电机组一次调频能力的数学模型,通过对核电机组频率动态变化特性的分析,提出了相应的优化方案,为国内同类型核电机组参与电网一次调频提供重要的试验数据支持。

考虑尾流效应的分频海上风电系统有功功率控制策略

为保证分频海上风电系统在每个分配周期内功率指令的准确、可靠响应,该文分析了尾流效应对风电机组有功调节能力和功率指令响应持续性的影响,提出了一种基于有功功率闭环的优化分配策略。在优化过程中引入尾流模型和闭环反馈控制。SimWindFarm仿真结果显示,该文闭环控制方法和传统比例分配方法的结果比较:通过在优化模型中引入尾流模型,能够更准确地计算各台机组的有功调节能力,保证功率指令分配的合理性;设计了基于有功功率闭环的反馈控制器,能够及时地对机组出现的功率跌落做出调整,提高了分频海上风电系统功率指令响应的可靠性;能够更好地适应湍流风速变化场景,保证分频海上风电系统出力满足电网调度需求。

电力系统动态频率分析与应用研究综述

总结了动态频率定义和分类,剖析了电力工业对频率动态行为分析的需求,分析比较了全状态模型、等值单机模型以及人工智能等各类动态频率计算方法的特点和适用范围,强调了动态频率仿真计算中需特别注意的各种模型因素,综述了暂态频率偏移安全性、频率稳定性评估理论的进展,总结了广域动态频率信息的应用现状,提出了动态频率领域亟需研究的若干问题。

高比例风电对电力系统调频指标影响的定量分析

风电对电力系统现有调频体系的影响是否显著历来存在争议。文中考虑常规电源、负荷等与风电频率特性的交互作用,推导了含不同比例风电的系统总功率波动概率模型,进而得到最大频率偏差、静态频率偏差、一/二次调频调整速度、调频备用需求等关键调频指标随置信区间变化的概率表达式,从而提供了定量分析风电对系统调频体系影响的方法。对电网进行仿真分析提供了参考性结论。

基于直流潮流的电力系统频率响应分析方法

频率是电力系统的重要电气量,频率偏移的根本原因是有功功率不平衡。分析传统频率响应分析模型,如全状态分析法、平均系统频率模型和系统频率响应模型等的优缺点,提出一种新的基于直流潮流的电力系统频率响应分析方法。该方法忽略无功–电压变化对有功–频率动态的影响,假定发电机端电压恒定,对发电机组模型进行适当简化,并采用直流潮流近似考虑网络影响。仿真分析结果表明,该方法能较好地反映系统有功–频率动态过程,具有较高分析精度和较小计算量,能同时给出系统在功率扰动下的频率动态信息和有功动态信息,可用于功率扰动事故的快速频率响应分析和预想事故筛选。

光伏逆变器参与西北送端大电网快速频率响应能力实测分析

近年来,西北电网新能源快速发展,挤占具有转动惯量的常规电源机组空间,电网一次调频资源储备下降,抗扰动能力降低,迫切需要研究新能源机组参与大电网调频的实现方法。通过选取西北电网内4台光伏逆变器,仿照常规水、火电机组的有功-频率静态特性,修改光伏逆变器控制策略,完成光伏逆变器有功-频率下垂控制,实现光伏逆变器参与电网快速频率响应的功能。结合2016年上半年西北电网频率特性试验,首次在国内系统性完成了光伏逆变器快速频率响应能力实测分析。结果表明,光伏逆变器可参与电网快速频率响应,其响应特性与水电机组一次调频性能相当,优于火电机组,且折算到相同容量下,快速频率响应贡献能力优于常规火电机组一次调频贡献能力。

碳纳米管电极超大容量离子电容器交流阻抗特性

采用碳纳米管作为超大容量离子电容器的电极材料,应用交流阻抗频谱法,研究了超大容量离子电容器的频率响应特性.结果表明,用碳纳米管块作电极,超大容量离子电容器在频率250mHz以下出现“电荷饱和”;而用活性炭块作电极,超大容量离子电容器在频率为100mHz时仍未出现“电荷饱和”,这说明碳纳米管电极超大容量离子电容器的频率响应特性优于活性炭电极超大容量离子电容器的频率响应特性.上述两类超大容量离子电容器的阻抗谱中均出现倾角约为45°的直线段,其相位角均远小于理想电容器的相位角90°.