多风电场支撑电网频率稳定的动态差异化时序协同控制策略

针对大规模风电接入带来的系统调频能力不足和调频能量透支引发的频率二次跌落问题,提出一种多风电场动态差异化时序协同的频率支撑控制策略。首先,阐述综合惯量控制下的风电调频原理,基于能量守恒理论分析频率响应阶段风电场群的动能变化过程,揭示多风电场调频时序对调频效果的影响机理。然后,考虑多风电场群同时调频引发的频率二次跌落风险,从场站交互视角逆向设计风电场群调频时序和任务分工,并依据风电实时调频能力动态调整投入顺序,以保证初期过程惯量安全需求,并提升频率最低点、抑制风电场群退出调频导致的系统频率严重二次跌落。最后,通过3机9节点测试系统和某实际电网算例对所提控制策略进行仿真分析,结果验证了所提策略的有效性和实用性。

风电场参与电网调频的多机协同控制策略

【目的】考虑风电场中不同风况下风电机组参与一次调频能力的差异,在下垂控制和惯量控制策略的基础上,对机组的调频能力评估方法进行优化。【方法】提出了一种改进的多机组调频参考功率协同控制策略。【结果】引入多机组协同控制方法能够有效改善机组之间调频参考功率的分配,从而有效调节各机组参与系统一次调频的程度。在惯量控制和下垂控制的基础上引入改进的协同控制策略,依据机组在实际风况下运行的状态,评估机组能够有效参与一次调频的参考功率。引入调频能力系数能够实现调频功率参考值在各机组之间按能分配。【结论】协同控制策略能够有效保护风电机组转速,同时能够有效改善电网频率响应。

风机与储能参与电网调频协调控制技术综述

风机自身的调频能力有限,已无法满足电网调频需求。储能的柔性控制、吞吐容量大以及响应速度快等特点可以弥补风机的不足,适合形成风储联合系统参与电网的调频控制。通过对储能与风机参与电力系统调频的原理和控制策略进行的详细梳理,介绍了储能参与调频的原理、特点以及储能的调频模型与控制策略,对不同类型以及混合储能系统的调频特点与效果进行分析;接着对风机的调频原理及不同控制策略进行阐述,以风机分别以变桨控制、转子动能控制和联合控制方式进行分类。最后对本领域的现状和未来发展进行了总结与展望。

面向电网最大频率偏差的风电机组短时频率支撑最优策略与机理

当电网出现有功缺额并导致频率跌落时,风电机组可以通过释放自身轴系动能为电网提供短时频率支撑(short-term frequency support,STFS)。如何利用有限的风电机组轴系动能最大限度地支撑电网频率,是当前研究的热点问题。针对风电机组可释放动能和电网频率变化率约束下的电网最大频率偏差最小化问题,该文提出一种基于有功功率互补控制(active-power complementation control,ACC)的风电机组STFS策略,揭示STFS过程中风电机组的最小动能释放机理,并证明采用ACC释放全部轴系动能的STFS策略为上述问题的最优解。最后,基于含风电的电网动模实验平台的实验结果验证该文提出STFS策略的可行性与频率支撑效果。

计及风电场的飞轮储能一次调频控制策略

随着新能源渗透率的提高,电力系统频率稳定性问题愈加严重。本文提出一种改进飞轮储能辅助风电场一次调频的控制策略,分析风储系统的频率特性和容量配置,风电场采用虚拟惯性控制参与一次调频。由于风电场的输出功率根据自然风速随机变化,可能会导致飞轮长期运行至较高或较低转速的状态,在风速骤变时甚至会引起飞轮转速越限。采用虚拟下垂控制结合模糊规则防止飞轮转速越限,从而弥补风电场在一次调频中的功率缺额。通过仿真分析及实验验证阶跃扰动和连续扰动的工况下的频率特性,得出改进控制策略在阶跃扰动和连续负荷扰动2种工况下最大频率偏差更小、响应速度更快的结论.

双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

通过释放转子动能参与一次调频的风电机组,其一次调频能力随外界工况特别是风速的波动而变化,需要动态估计一次调频能力,从而为电力系统运行规划、控制策略制定等提供依据。基于风电机组参与一次调频的功率转换动态过程分析,提出了计及风电机组转子转速动态变化的一次调频简化解析模型,借助其一次调频能力的解析解,可快速分析风速波动对风电机组一次调频能力的影响;提出双馈风电机组一次调频能力的概率解析描述,利用点估计与Gram-Charlier级数展开,获得了风电机组一次调频能力随风速波动的概率分布特征。仿真验证了所提动态解析模型的准确性和一次调频能力概率估计方法的可行性与有效性。

计及典型控制的风电场调频能力量化评估及影响因素分析

为尽可能充分利用风电场支撑功率,避免资源浪费,有必要量化评估风电场的调频能力。然而,风电场调频能力缺乏定义且难以评估,运行参数及边界约束对支撑能力的影响机理不明。为此,定义了多时间尺度、多能量形式、多评估层次的指标,从而精准量化评估调频能力。基于所提评估指标,通过分析风电场运行参数对调频能力的作用机理,揭示了转速是低风速和低减载工况下的主要影响因素,而载荷与容量是高风速和高减载工况下的主要影响因素等结论。进一步,提出了基于非线性规划模型的方法对评估指标进行精确计算。最后,对四机两区域系统中下垂和减载控制下的单机聚合风电场进行了算例分析,验证了所提评估指标的合理性和评估方法的准确性,以及关键影响因素分析结论的正确性。

考虑机组疲劳载荷的风电场快速有功功率分配方法

为抑制风电场参与系统调频过程中风电机组的疲劳载荷,提出一种风电机组与风电场相协同的快速有功功率分配方法。首先,推导了风电机组轴系和塔架2个自由度的疲劳载荷表达式,建立起风电机组疲劳载荷与有功出力变化之间的关系。其次,以风电场总疲劳载荷及其站内分布最小为优化目标,以站内机组调整功率之和与场站调频功率需求一致为约束,在保证风电场调频性能的同时降低风电机组的疲劳载荷。此外,采用风电机组控制器滚动计算自身的疲劳敏感度系数,采用风电场控制器调用商业求解器在线求解优化策略,确保调频过程中有功控制的实时性。最后,搭建了含20台5 MW双馈风电机组的算例系统,验证分析了所提策略的有效性。

基于分频段原理的风电机组一次调频控制策略

随着风光发电占比逐渐增加,若其未有效参与调频或调频方式不当,系统在频率偏差维持方面将面临较大挑战,频率稳定性成为制约风电渗透率提升的关键因素。为了应对这一挑战,研究结合传统电力系统调频行为在多个时间尺度上的特性,考虑风电功率波动的时间尺度特征,采用不同的方法来挖掘传统火电机组在各个时间尺度上的调频潜力,以提高其对风电功率波动的灵活响应。基于分频段原理提出风电机组一次调频控制策略,通过分频段设置调差系数以提升一次调频能力,通过频域分析系统不同波动频段下的最优调频参数。结果表明,提出的方法显著增强了系统的频率稳定性。

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。

考虑虚拟控制参数调节的风储联合调频优化模型预测控制

为提高大规模风电并网后电网频率稳定性,降低风储系统调频成本,提出考虑虚拟控制参数调节的优化模型预测控制策略。首先,计及储能系统对电网惯性水平与阻尼能力的作用,引入双曲正切函数自适应调节储能系统虚拟控制参数,满足不同时段的调频需求。然后,基于风储系统状态方程建立预测模型,以频率偏差与调频成本最小为控制目标,设计自适应模型预测控制策略。最后,搭建仿真模型,在阶跃和连续负荷扰动工况下对不同控制策略的效果进行对比分析。结果表明,所提控制策略能够有效改善电网调频效果,优化储能系统和风电机组的出力,具有更优的协同控制性能。

基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究

海上风电作为构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分将在沿海城市迅速发展,大规模海上风电并网将大幅削减系统惯量,降低频率抗扰能力。为此,提出基于双锁相环的海上风场综合惯量控制策略。首先,从理论上分析了锁相环对风机虚拟惯量的影响机理,探究了参数变化下风机惯量支撑能力和系统频率响应特性;其次,通过分析锁相环参数变化对风机一次调频能力的消极影响,提出基于变参数-快速双锁相环的海上风场综合惯量调频策略;最后,通过仿真验证所提调频策略的有效性。结果表明,综合惯量控制策略在频率响应快速性、抑制测量噪声等方面均具有显著优势。

蒙东风电场一次调频实测与分析

针对蒙东电网大规模风电频率支撑问题,以通辽某风电场为对象进行一次调频实测。首次以风电场实时有功出力计算一次调频的功率调节量开展试验测试,基于风电场场站端4种一次调频性能试验数据,通过Origin软件分析了风电机组有功功率响应情况,计算得出各性能试验的参数指标。试验表明,风电场开展一次调频测试具有可行性与必要性,对高渗透率风电参与一次调频的工程应用具有指导与借鉴意义,可以有效增强蒙东电网网源协调能力,保障电网安全稳定运行。

新能源场站快速功率控制系统的研制

随着新能源渗透率的不断提高,仅依靠传统火电机组难以保障频率稳定安全;新能源场站出于经济性的考虑,致使电力部门难以掌握新能源场站的真实调频性能,严重威胁电力系统的安全运行。为了解决传统火电机组频率支撑不足和实时掌握新能源场站调频性能困难的问题,研究了频率测量、非同步采样、控制策略、在线可观性系统等关键技术,研制了新能源快速功率控制系统,通过第三方检测,验证了方案的高性能。

Wind-farm and hydrogen-storage co-location system optimization for dynamic frequency response in the UK

The continuous development of hydrogen-electrolyser and fuel-cell technologies not only reduces their investment and operating costs but also improves their technical performance to meet fast-acting requirements of electrical grid balancing services such as frequency-response services.In order to project the feasibility of co-locating a hydrogen-storage system with a wind farm for the dynamic regulation frequency-response provision in Great Britain,this paper develops a modelling framework to coordinate the wind export and frequency responses to the main grid and manage the interaction of the electrolyser,compressor,storage tank and fuel cell within the hydrogen-storage system by respecting the market mechanisms and the balance and conversion of power and hydrogen flows.Then the revenue of frequency-response service provision and a variety of costs induced by the hydrogen-storage system are translated into the net profit of the co-location system,which is maximized by optimizing the capacities of hydrogen-storage-system components,hydrogen-storage levels that guide the hydrogen restoration via operational baselines and the power interchange between a wind-farm and hydrogen-storage system,as well as the capacities tendered for low-and high-frequency dynamic regulation services.The developed modelling framework is tested based on a particular 432-MW offshore wind farm in Great Britain combined with the techno-economics of electrolysers and fuel cells projected for 2030 and 2050 scenarios.The optimized system configuration and operation are compared between different operating scenarios and discussed alongside the prospect of applying hydrogen-storage systems for frequency-response provision.

Scenario-based Unit Commitment Optimization for Power System with Large-scale Wind Power Participating in Primary Frequency Regulation

Continuous increase of wind power penetration brings high randomness to power system,and also leads to serious shortage of primary frequency regulation(PFR)reserve for power system whose reserve capacity is typically provided by conventional units.Considering large-scale wind power participating in PFR,this paper proposes a unit commitment optimization model with respect to coordination of steady state and transient state.In addition to traditional operation costs,losses of wind farm de-loaded operation,environmental benefits and transient frequency safety costs in high-risk stochastic scenarios are also considered in the model.Besides,the model makes full use of interruptible loads on demand side as one of the PFR reserve sources.A selection method for high-risk scenarios is also proposed to improve the calculation efficiency.Finally,this paper proposes an inner-outer iterative optimization method for the model solution.The method is validated by the New England 10-machine system,and the results show that the optimization model can guarantee both the safety of transient frequency and the economy of system operation.

海上漂浮式风电场高比例并网一次调频控制策略研究

为了缓解电力系统因漂浮式风电场高比例并网而造成频率波动加剧的问题,建立了含漂浮式风电场的混合电力系统一次调频模型,并基于电池储能设计了一次调频协调控制策略。对负荷基准为1000 MW的漂浮式风力机区域进行数值模拟,区域内含100台5 MW的漂浮式风力机,每台配备1500 kW×60 s电池储能系统,分析对比了转子动能与超速减载联合一次调频控制策略与电池储能参与一次调频控制策略下混合电力系统的频率响应。结果表明:在负荷阶跃变化和随机变化的场景下,电池储能参与一次调频可以降低电力系统频率偏差和稳态误差,加快调频响应速度,使漂浮式风电机组的输出功率更加均匀,有效提高了风电机组运行的稳定性和经济性,改善了电力系统的调频性能。

数据驱动的风电场全工况非线性调频动态建模

当前风电场级并网调频面临较大挑战。为降低建模复杂度,采用风电场并网点实际运行数据,提出了风电场出力范围内全工况一次调频特性时域差分动态建模方法。首先,进行机理分析并确定输入输出变量,完成数据采样和处理。然后,提出离散工况抽样和非线性评估方法,建立了单工况子空间模型,并进行间隙测度评估全工况调频响应动态非线性度。此后,为高效逼近全工况复杂非线性调频特性,构建混杂有限差分回归向量,并对其张成的差分动态空间进行凸划分,在各子工作域均匀选取建模样本并采用带注意力机制的长短期记忆神经网络进行全工况建模。最后,经过某风电场并网点调频运行数据进行验证,表明所提出的全工况有限差分动态建模方法具有任意精度逼近能力,可有效表征风电场一次调频复杂非线性响应特性。

考虑风速随机性的风电-抽水蓄能微网一次调频方法

风电主导的微电网系统惯量低,对负荷频率控制的快速性和稳定性产生负面影响。为此,提出一种考虑风速随机性的风电与抽水蓄能协同控制方法。首先,通过对风机次优功率跟踪(optimized power point tracking,OPPT)惯性控制方法在电网频率调节时受风速影响机理的分析,制定风机进行微网一次调频时的风速整定规则;然后,在获取风机参与调频整定风速区间的基础上,根据风机参与状态,设计抽水蓄能机组控制方式,并对其控制器参数进行动态调整以适应风速的不确定性,确保调频效果最佳。通过仿真分析,验证所提方法不仅能充分挖掘风机的调频潜力,而且能提高微网调频的完备性。