Challenges for a reduced inertia power system due to the large-scale integration of renewable energy

This paper reports on the status of technology development under a national project launched in 2019 to address the problem of decreased system inertia associated with the large-scale integration of renewable energy.The project comprises two parts:the development of a system inertia observation technology using a continuous monitoring system to observe inertia and development of an inverter equipped with a function to provide virtual inertia as a countermeasure device.Utilizing both these efforts,the project aims to facilitate the introduction of renewable energy in the future with minimum restrictions.It was confirmed that the trend of inertia observed with the developed method was generally the same as that of the total inertia of synchronous machines observed by an electric utility.The effectiveness of the countermeasure device in reducing the frequency swing during a disturbance was confirmed through evaluation tests.

A preliminary study of impact of reduced system inertia in a low-carbon power system

One of the important features of low-carbon electric power system is the massive deployment of renewable energy resources in the advent of a new carbon-strained economy.Wind generation is a major technology of generating electric power with zero carbon dioxide emission.In a power system with the high penetration of wind generation,the displacement of conventional synchronous generators with variable speed wind turbines reduces system inertia.This leads to larger system frequency deviation following a loss of large generation.In this paper,the impact of the reduction of system inertia on system frequency is analyzed as the result of the integration of a significant amount of wind generation into power systems.Furthermore,we present a preliminary study of the impact of the distribution of the inertia contributions from those online conventional synchronous generators on the rate of change of frequency(ROCOF)based on the total energy injected into the system due to the fault.The total fault energy is represented using Hamiltonian formulism.With the IEEE 39-bus system,it is shown that for a fault with the given injected total energy,clearing time,and location,the distribution of inertia contributions can significantly affect the magnitude of ROCOF.Moreover,for such a fault with different locations,the average of the magnitudes of ROCOF caused by the fault at different locations is larger when the distribution of the inertia contributions is more dispersed.

Distributed Virtual Inertia Based Control of Multiple Photovoltaic Systems in Autonomous Microgrid

The large inertia of a traditional power system slows down system's frequency response but also allows decent time for controlling the system.Since an autonomous renewable microgrid usually has much smaller inertia,the control system must be very fast and accurate to fight against the small inertia and uncertainties.To reduce the demanding requirements on control,this paper proposes to increase the inertia of photovoltaic(PV) system through inertia emulation.The inertia emulation is realized by controlling the charging/discharging of the direct current(DC)-link capacitor over a certain range and adjusting the PV generation when it is feasible and/or necessary.By well designing the inertia,the DC-link capacitor parameters and the control range,the negative impact of inertia emulation on energy efficiency can be reduced.The proposed algorithm can be integrated with distributed generation setting algorithms to improve dynamic performance and lower implementation requirements.Simulation studies demonstrate the effectiveness of the proposed solution.

ELECTRO-HYDRAULIC COMPOUND CONTROL METHOD AND CHARACTERISTIC OF CONTROL FOR TENSION SYSTEM WITH HIGH INERTIA LOADS

Based on the pressure regulation circuit adopting electro-hydraulic proportional relief valve to control tension, a new type of electro-hydraulic compound control circuit with throttle control unit is presented, which can obtain optimal dynamic damping ratio through real-time altering pressure-flow gain of the throttle control unit, improve the dynamic characteristic of tension follow-up control for the tension system with high inertia loads. Moreover, the characteristic when the cable linear velocity variation causes change of tension is investigated, and a compound control strategy is proposed. The theoretical analysis and experimental results show that the electro-hydraulic compound control circuit is effective and the characteristic of the compound control strategy is satisfactory.

含高比例新能源的电力系统频率稳定研究综述

作为“双碳”战略目标的关键载体,含高比例新能源的电力系统具有惯量水平低、调频能力差、抗扰性能弱等特征,对频率稳定带来了全新挑战,迫切需要深入认识能源转型背景下的频率稳定形态。该文按照“建模分析—稳定评估—调频控制”的路线,归纳近年来国内外关于频率稳定的研究及其应用进展。首先,梳理现有频率稳定定义的特点,将其引申为考虑暂态频率安全的广义频率稳定概念,分析含高比例新能源电力系统的频率响应过程;按照系统全局频率和网络节点频率两个视角分析现有特性建模与分析方法,分别总结频率稳定性、频率安全性的评估方法与评估指标,初步建立考虑频率时空分布特性的节点频率安全性指标;列举并归类源网荷储多主体参与系统调频的控制策略,分析相关频率调控措施的特点;最后,结合现有研究进展,对含高比例新能源的电力系统在频率响应特性建模、频率稳定机理评估以及频率稳定协调控制方面的未来发展方向和研究趋势进行展望。

基于系统聚类法的含新能源电力系统分区策略

为实现含新能源电力系统的惯量分布特性的有效评估,提出一种基于系统聚类法的含新能源电力系统分区策略。首先分析新能源机组惯量与同步机组惯量之间的差异;其次构建节点惯量响应模型,分析节点惯量相关因素的特性;然后通过主成分分析对影响节点惯量的主导变量进行降维,将降维后的变量应用系统聚类法对节点进行聚类分区;最后通过系统辨识得到区域惯量,评判出整个系统惯量的空间分布。在仿真软件中搭建改进的IEEE 10机39节点模型验证了分区策略的合理性。

The Thermal Inertia Characteristics of the System Ocean-Atmosphere

To estimate the time delay between the planetary temperature change and the change of the incoming solar radiation fraction absorbed by the ocean and the atmosphere, the analytical energy balance model is presented. The model generalization allows of using averaged data for model parameterization. Using the model, the time delay is investigated on four model cases of absorbed radiation change. The interconnections among the time delay, the planetary thermal inertia and the ocean active layer depth are established.

能量视角下的电力系统惯量

同步机主导的电力系统中,机械旋转惯量是决定频率动态的主导因素,被代指为系统惯量。随着新能源占比升高,机械旋转惯量不断下降,其主导作用被削弱,现有对电力系统惯量的认知不再适用。文中首先回顾惯量作为阻碍物体状态变化能力度量的物理本质,把电力系统建模为包含不同尺度下多种能量形式和元件的能量供应链,将惯量广义化为机械旋转惯量、电惯量、热惯量、流体惯量。能量供应链中,同一尺度上存储惯量和通道惯量组成的“惯量对”决定了该尺度的动态;总的尺度上,不同尺度的多个“惯量对”决定了时域的序贯动态和频域的级联滤波特性。然后,进一步揭示了惯量需求的根源是能量需求,存储单元需要有足够的瞬时可释放能量来应对传输通道引起的能量补充滞后,整个能量供应链需要存储足够的本地能量支撑分散控制。能量视角下的电力系统惯量认知有助于评估新型电力系统的惯量需求,为新型电力系统有功控制的方法设计提供理论指导。

计及新能源虚拟惯量的电力系统最低惯量评估

电网频率安全和稳定性是电力系统的重要性能指标,而电力系统的惯量水平是影响频率响应能力的关键因素。由于我国实施双碳战略,新能源发电比例持续提高,导致电力系统的惯量水平不断下降,使得电网在遭受有功扰动时的频率波动加剧,系统运行边界收缩。为了提高电力系统在高新能源渗透场景下的惯量态势感知能力,增强电力系统对有功扰动的频率适应性、量化系统运行边界,基于电力系统频率响应模型,分析了电网在受到有功扰动后不同时间尺度下的频率响应过程,构建了系统频率响应数学关系。基于频率响应全过程,构建计及新能源虚拟惯量的电力系统最低惯量评估模型及其求解算法。最后,基于IEEE-39节点模型,通过仿真试验验证了所提方法的有效性和准确性。

电动汽车电驱动系统建模及控制策略研究

针对纯电汽车电驱动系统因受负载端转动惯量时变特性及传动部件中存在柔性的影响,导致电机端转矩波动及传动精度降低的问题,这里提出了一种通过加入陷波滤波器与前馈调整增益进行调整的控制策略。相比传统方法,此方法需要配置的参数更少,控制的精度更高。首先对电驱动系统建立了基于双惯量模型的动力学方程,并分析了不同负载转动惯量下系统的频率响应。依据建立的电驱动系统双惯量模型,设计了两种陷波滤波器。对比加入陷波滤波器后系统的参数变化和响应曲线,选择了一种效果更好的陷波器。最后,对加入陷波器后的控制系统,通过前馈控制和调整增益进行改进。给出了改进后控制策略的理论分析过程与参数设计方法,并进行了数值仿真。结果表明,所提出的方法可以减弱纯电汽车的电驱动系统因传动柔性与电机负载端转动惯量时变特性导致的系统扭振及传动精度降低的问题。

基于斜坡渐变扰动的新型电力系统等效惯量评估

基于阶跃扰动的惯量评估方式依赖难以准确测量的初始频率变化率(RoCoF)与稀少的频率事件,而基于类噪声扰动的惯量评估方法无法评估电流源型虚拟惯量且对数据要求高。对此,提出基于可再生能源机组主动输出斜坡渐变扰动功率的惯量评估方法。建立含RoCoF与斜坡渐变扰动功率的等效惯量评估基础模型。考虑RoCoF噪声阶跃易导致等效惯量评估产生较大误差,推导双二阶广义积分锁相环中的q轴电压分量变化量与RoCoF的线性关系,并将其代入基础评估模型替代RoCoF。采用改进的非线性最小二乘拟合斜坡渐变扰动下q轴电压分量变化量与时间的非线性表达式,从拟合的表达式中提取系统等效惯量。在改进的EPRI-36中验证了所提评估方法相较于常规方法的优越性。

新型电力系统背景下基于自适应参数估计电力系统惯量快速估计方法

随着“双碳”相关政策在我国的大力推行,新能源渗透率的提高造成了电力系统惯量降低,进而影响了电力系统的稳定性。基于自适应参数估计对高比例新能源系统的惯量进行估计,结合电力系统频率响应模型,构建了描述电力系统动态响应的回归方程。提出了一种基于预定义时间动态回归扩展和混合估计器的参数估计算法,实现对高比例新能源的惯量估计。在改进的某14机59节点中进行了仿真分析,结果表明,所提惯量估计算法能够较好地估计电力系统的惯性常数,并有效提升了电力系统频率的稳定性。

计及源荷惯量特征的电力系统最小惯量需求评估

新型电力系统弱惯量特性所带来的频率安全问题,本质是系统等效惯量的减少。因此,量化评估新型电力系统最小惯量需求成为亟须解决的工程问题。为此,提出了最小惯量需求评估方法。首先,建立了考虑火电机组、风电机组、异步电机参与调频的多机系统空间频率响应(SFR)模型,并在量化分析系统频率特征的基础上,考虑风电机组、异步电机的虚拟惯量特征,建立了电力系统等效惯量数学模型。接着,以初始频率变化率(RoCoF)、最大频率偏差为频率安全约束,并基于频率响应模型对电力系统最小惯量需求进行评估。最后,在MATLAB/Simulink和PSD/BPA仿真平台上验证了所提方法的有效性。

机械网络运动方程与构网型VSG惯量阻尼的比较

随着新能源和电力电子设备的广泛应用,新型电力系统面临着多方面的不稳定性挑战。为了克服这些挑战,采用构网型(grid-forming,GFM)控制技术,可以通过电压支撑和主动惯量调节替代同步机,以确保电力系统的稳定性。但构网型变流器自身的惯量阻尼机理尚不明确,其阻尼系数往往被忽略。该文从机械系统的运动方程出发,首先通过推导质量-弹簧系统的运动方程和构网型虚拟同步机控制方程本质上都是二阶微分方程;然后,通过实验仿真验证了机械网络和电气网络的惯量阻尼机理的一致性;最后,通过Matlab/Simulink仿真在IEEE 39节点系统中验证构网型VSG的阻尼系数在维持稳定同步状态中的关键作用。

考虑多台异步电机的电力系统频率响应动态等效模型

随着越来越多的可再生能源通过电力电子设备接入电网,电力系统的惯量不断下降,频率波动更加剧烈,同时,在负荷侧存在大量直接并网的异步电机可以提供频率支撑,改善频率响应动态。然而,准确建模如此规模的异步电机需要其详尽参数,并伴随着极高的计算代价。为此,本文提出了一种数据驱动的电力系统频率响应建模方法。该方法首先收集频率响应的历史数据,接下来,将等效惯量和等效阻尼的辨识问题描述为优化问题,优化目标为减少模型与历史数据之间的频率差异,并通过启发式算法高效求解。相较于异步电机的机理模型,所提出的动态等效模型具有不需要异步电机的详尽参数、计算负担小的优点。在修改的IEEE 9节点系统上的仿真验证了所提出方法的有效性,并表明:自身惯量为1.5 s,占负荷侧22%的异步电机负荷为系统提供了9%的等效惯量。

低惯量交流系统并网变流器次/超同步振荡分析

低惯量电力系统中跟网型变流器可能会与同步机转子动态产生交互,给系统稳定性分析引入新的问题,仅靠跟网型设备动态和短路比衡量交流系统强度不再准确。为此,该文综合分析系统惯量和短路比对跟网型变流器小干扰同步稳定的影响,提出适用于分析低惯量系统中并网变流器稳定性的方法,所提方法计算量低、物理意义明确。首先,推导变流器和同步机混联系统的闭环模型,并提取出能表征低惯量动态的相互作用系数矩阵,定性分析两类设备间的交互关系。其次,基于模态摄动理论,将原多机系统解耦为稳定性等效的子系统。然后,选取适用于分析小干扰同步稳定问题的相位主导回路,根据该回路提出综合考虑惯量和短路比的稳定性分析方法。最后,基于仿真算例验证了所提低惯量系统中并网变流器小干扰同步稳定性分析方法的有效性。

基于IP控制与负载加速度反馈的伺服系统机械谐振抑制方法

当伺服系统带宽覆盖传动装置的固有频率时,容易在系统中引发机械谐振,严重影响系统的动态性能与控制精度.针对这一问题,提出了IP控制结合负载侧加速度状态反馈的伺服系统谐振抑制策略.通过在转速环采用IP控制,有效降低了系统的超调,并且在电流环引入加速度反馈,增加了系统极点配置的自由度.在此基础上,根据相同阻尼系数的极点配置方法,以最优阻尼比为设计目标,讨论了系统控制器关键参数与状态反馈增益的取值范围.最终,对所提控制方法的有效性进行了仿真验证.

英国新型电力系统频率管理及对中国电网建设的启示

英国是世界上新能源发电接入率最高的国家之一,新型电力系统的特点在英国已经较为明显。英国总调在频率管理方面的成果和经验对中国新型电力系统建设有很高的借鉴价值。首先研究分析了英国总调在新型电力系统建设中,在频率管理方面遇到的风险及其产生机理。然后研究分析了英国总调应对风险的方案和实践经验。最后,研究分析了英国总调在频率管理方面的方案和实践经验对中国新型电力系统建设中频率管理的启示。参照英国的频率管理体系和辅助服务市场建设路径,中国应当重点关注频率管理体系的完善、系统惯量需求的研究和频率支撑技术的研发及应用。此外,应提前布局相关标准,避免分布式电源大面积脱网的风险。

基于目标运动方程的引导函数模型

在大惯量武器系统的跟踪瞄准及其系统性能试验中,火控系统的引导控制对实现平稳调炮起到了重要作用。分析了传统引导函数具有形式多样、计算复杂的局限性,提出了一种新的引导函数模型,模型以带参数的多项式为基础,引入了系统姿态角函数、目标运动角函数和引导时间,要求模型的角位置、角速度和角加速度在引导起始时刻与系统姿态角无衔接突变、在引导结束时刻与目标运动角无衔接突变,并以此为条件求解出了模型参数,确定了引导函数形式。通过仿真给出了角度静态调转、目标跟踪、目标动态切换和正弦周期运动四种不同引导需求下的引导效果,仿真结果表明,引导函数的信号很好地实现了角位置、角速度和角加速度的平稳衔接,为大惯量武器系统跟踪瞄准及性能试验时的引导控制提供了有效方法。

计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法

高比例新能源电力系统惯性水平低、不确定性强,系统惯性水平与频率动态响应过程密切相关。系统内各节点之间的频率响应过程在时空上具有相关性,动态量化节点间频率的时空相关性是实时估计新型电力系统惯量的技术手段。首先,给出了面向同步机组和新能源发电机组惯量的计算方法;其次,利用Granger因果检验算法,动态分析系统内不同节点之间频率的相关性,构建随时间变化的系统频率时空因果相关集合;此外,基于系统内各节点频率响应过程的摇摆方程,建立系统惯性常数-频率状态空间模型;然后,基于无迹卡尔曼滤波器和固定滞后平滑器,提出高比例新能源电力系统惯量估计方法;最后,在改进的IEEE 39节点系统中验证了所提方法的有效性和适用性。结果表明,所提方法可以在不同新能源渗透率和频率扰动场景下保证惯量估计效果的一致性,具有工程应用潜力。