大規(guī)模新能源并網(wǎng)慣量及調(diào)頻建模研究

國網(wǎng)新疆電力有限公司 王 衡 李 渝 印 欣 宋朋飛 亢朋朋 楊桂興

隨著新能源并網(wǎng)比例的逐年提高，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性受到了前所未有的挑戰(zhàn)，研究新能源慣量控制建模方法是當(dāng)前亟需解決的難題。本文首先分析同步發(fā)電機(jī)的自然慣量響應(yīng)規(guī)律。基于電流源型和電壓源型兩種主流虛擬慣量控制方案，分別建立風(fēng)力發(fā)電和光伏單元的虛擬慣量控制模型。最后總結(jié)兩種控制方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為新能源場站慣性及調(diào)頻技術(shù)的后續(xù)研究提供了參考思路。

圖1 系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

1 新能源并網(wǎng)頻率穩(wěn)定特性規(guī)律

大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電和光伏單元并網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)整體慣性下降，當(dāng)電網(wǎng)受到擾動(dòng)或故障時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)面臨不同程度的跌落過程。圖1所示為不同新能源比例并網(wǎng)方式下系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖1中，系統(tǒng)初始頻率都設(shè)定在50Hz?？梢钥闯觯S著新能源并網(wǎng)占比的增加，系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)越小，基本與正比例函數(shù)規(guī)律特性擬合，即使理想電網(wǎng)頻率也會(huì)由于缺少慣量產(chǎn)生一定的跌落。經(jīng)過系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，頻率最終平衡于穩(wěn)定值，且頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)間與新能源并網(wǎng)占比成正比。

2 同步發(fā)電機(jī)的自然慣量響應(yīng)

通過同步發(fā)電機(jī)的外特性，使風(fēng)力發(fā)電和光伏單元具備為電網(wǎng)主動(dòng)提供慣量支撐能力。同步發(fā)電機(jī)的慣量支撐本質(zhì)是轉(zhuǎn)子的狀態(tài)變量(功角、頻率)在不平衡轉(zhuǎn)矩下以轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程形式進(jìn)行自發(fā)響應(yīng)，其外在表現(xiàn)形式為系統(tǒng)頻率變化時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能以發(fā)電機(jī)輸出電磁功率形式注入電網(wǎng)。通過驅(qū)動(dòng)源自發(fā)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程為：

式中，w和w0分別為同步發(fā)電機(jī)的實(shí)際角頻率和額定角頻率；δ為角頻率的偏導(dǎo)；Tm、Te和TJ分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩；pm和pe分別為機(jī)械功率和電磁功率。可以看出，同步發(fā)電機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子速度與系統(tǒng)頻率近似相等。

由此，新能源慣量支撐技術(shù)就分為兩種大類：一種是外特性模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化電磁功率輸出的電流源型，一種是機(jī)理機(jī)制模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性的電壓源型。

3 新能源慣量建模方法

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的慣量建模方法

電流源型虛擬慣量控制建模方法如圖2所示。通過附加頻率比例微分虛擬慣量控制，在變流器有功功率外環(huán)中增加與系統(tǒng)頻率相關(guān)的控制環(huán)節(jié)，使得風(fēng)電機(jī)組能夠利用儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中的動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，可提供快速有功功率支撐。此建模方式可改善頻率二次跌落，延長轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。

圖2 電流源型虛擬慣量建模方式

電壓源型虛擬慣量控制建模方法如圖3所示?；谕桨l(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程把虛擬慣性控制引入風(fēng)機(jī)控制算法中，模擬同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的相位和幅值。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式為：

圖3 電壓源型虛擬慣量建模方式

圖4 電流源型虛擬慣量建模方式

圖5 電壓源型虛擬慣量建模方式

可以看出，電壓源型虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由最大功率跟蹤控制和虛擬同步控制兩個(gè)模塊組成。最大功率開主要對風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)功率、變槳角補(bǔ)償和轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行控制，虛擬同步控制主要包括有功-頻率和無功-電壓兩部分組成。其中實(shí)際有功功率Pelec和角速度比w0/wpll為模塊輸入量，轉(zhuǎn)子角速度的積分θr為模塊輸出量。最后通過矢量合成輸出轉(zhuǎn)子實(shí)際電壓標(biāo)量Ur，經(jīng)過虛擬阻抗后輸入至轉(zhuǎn)子變換器。

3.2 光伏單元的慣量建模方法

電流源型光伏單元的虛擬慣量建模方法如圖4所示。與風(fēng)電機(jī)組類似，通過在參考功率值上附加額外的與系統(tǒng)頻率相關(guān)的功率調(diào)整值，從而在系統(tǒng)頻率變化時(shí)調(diào)整光伏出力提供慣性支撐。

電壓源型光伏單元的虛擬慣量建模方法如圖5所示。原理也與風(fēng)電機(jī)組的相似，通過引入同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，從而引入虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，最終實(shí)現(xiàn)慣量控制。

4 對比分析

4.1 電流源型虛擬慣量控制技術(shù)

機(jī)理：外特性模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化電磁功率輸出，輸出控制電流。

優(yōu)點(diǎn)：控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制模式類似，工程改造難度低。

缺點(diǎn)：無法在孤島模式下運(yùn)行，不能為電網(wǎng)電壓提供支撐作用。

4.2 電壓源型虛擬慣量控制技術(shù)

機(jī)理：機(jī)理機(jī)制模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性，輸出內(nèi)電勢的相位和幅值。

優(yōu)點(diǎn)：在弱電網(wǎng)中具有明顯優(yōu)勢，可以在孤島模式下運(yùn)行。

缺點(diǎn)：完全改變了變流器的控制結(jié)構(gòu)，工程改造難度大，改造成本高。

在工程實(shí)際應(yīng)用大多采用電流源型的虛擬慣量控制技術(shù)，目前研究最多最為成熟的也是電流源型的虛擬慣量控制技術(shù)。國網(wǎng)冀北風(fēng)光儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)基地完成的新能源機(jī)組慣量控制改造工程，采用的也正是電流源型的虛擬慣量控制技術(shù)；而電壓源型虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制技術(shù)可進(jìn)一步提升新能源在弱電網(wǎng)環(huán)境下的主動(dòng)支撐能力。通過對新能源虛擬慣量建模方案分析，為新能源場站慣性及調(diào)頻技術(shù)的后續(xù)研究提供了參考思路。