秦曉輝, 蘇麗寧, 遲永寧, 郭 強(qiáng), 徐希望

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192;2. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司), 北京市 100192)

0 引言

為滿足資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展需求,近年來(lái)中國(guó)大力發(fā)展新能源發(fā)電,風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量持續(xù)快速增長(zhǎng),部分地區(qū)電網(wǎng)新能源出力占比已超過50%[1-3]。風(fēng)電、光伏并網(wǎng)逆變器本身屬于不具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的靜止元件,無(wú)法像同步機(jī)一樣自發(fā)響應(yīng)頻率變化。并且為了最大化利用能源,新能源機(jī)組通常采用追蹤最大功率的控制方式,不提供有功備用,因此不具備類似同步機(jī)在系統(tǒng)頻率變化時(shí)的一次調(diào)頻能力。隨著新能源滲透率和直流受電比例的不斷提高,同步電網(wǎng)的慣量和一次調(diào)頻的能力不斷下降,給系統(tǒng)在大功率缺額沖擊下的頻率穩(wěn)定性與恢復(fù)能力帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)[3-10]。頻率問題在受端電網(wǎng)中表現(xiàn)尤為突出,2015年某饋入華東的特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖,瞬時(shí)損失功率5 400 MW,導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低跌至49.56 Hz,為近10年來(lái)首次跌破49.8 Hz,頻率越限時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百秒[3],給新形勢(shì)下的大電網(wǎng)頻率安全問題敲響了警鐘。

為應(yīng)對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn),通過在新能源并網(wǎng)控制器中引入模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和一次調(diào)頻等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),使新能源機(jī)組具有同步發(fā)電機(jī)組的慣量、阻尼、調(diào)頻和調(diào)壓等并網(wǎng)運(yùn)行外特性,從而提高新能源高比例接入電網(wǎng)的運(yùn)行適應(yīng)性和安全穩(wěn)定水平。此類控制方法可以統(tǒng)稱為“虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator,VSG)”控制[11-16]。

國(guó)家電網(wǎng)公司正在大力推進(jìn)VSG在大電網(wǎng)中的應(yīng)用,將在張北風(fēng)光儲(chǔ)輸基地建設(shè)世界上容量最大的VSG示范工程,現(xiàn)階段主要關(guān)注一次調(diào)頻與慣量支撐這兩大功能;但目前針對(duì)VSG慣量支撐和一次調(diào)頻的研究多關(guān)注其本身的控制策略和響應(yīng)特性以及在微網(wǎng)和局部電網(wǎng)中的應(yīng)用[17-28],尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)在接入大電網(wǎng)場(chǎng)景下對(duì)VSG的慣量支撐和一次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)頻率的作用開展深入研究,而且從目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定過程來(lái)看,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)VSG慣量支撐與一次調(diào)頻這兩者功能定位的認(rèn)識(shí)及其在大電網(wǎng)具體應(yīng)用中的理解也尚存在一些不一致和不清晰之處,亟須開展有針對(duì)性的深入分析研究。

針對(duì)以上問題,本文首先深入分析了VSG的慣量支撐功能及其物理意義,推導(dǎo)了VSG的慣量支撐功率表達(dá)式;然后,分析了VSG一次調(diào)頻的功能要求和物理意義,詳細(xì)辨析了VSG慣量支撐功能與一次調(diào)頻功能的定位區(qū)分;隨后,建立了VSG慣量支撐與一次調(diào)頻功能的機(jī)電暫態(tài)仿真模型,并仿真分析了VSG采用不同控制功能對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化的作用,以及VSG在大型受端電網(wǎng)頻率事故過程中的響應(yīng)特性。最后,結(jié)合理論分析與仿真結(jié)果進(jìn)一步明確了大型受端電網(wǎng)對(duì)VSG控制功能的需求。

1 VSG慣量支撐功能及物理意義

1.1 同步機(jī)的慣量響應(yīng)

VSG的慣量支撐功能也叫慣量響應(yīng)(inertia response),而本文之所以強(qiáng)調(diào)“支撐”,是因?yàn)橥ǔＫf的VSG的慣量響應(yīng)一般只關(guān)心在系統(tǒng)頻率變化過程中虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率響應(yīng)于系統(tǒng)頻率變化率的功能(電流源型VSG只能模擬這一功能),但其實(shí)同步發(fā)電機(jī)全面的慣量響應(yīng)包括以下兩個(gè)方面。

方面1：轉(zhuǎn)子的狀態(tài)變量(功角、頻率)在不平衡轉(zhuǎn)矩下的響應(yīng)

電網(wǎng)的頻率變化往往由系統(tǒng)的功率不平衡(輸入、輸出功率不平衡)沖擊引起,在此過程中,網(wǎng)內(nèi)的各同步機(jī)都將感受到不平衡功率的作用,在不平衡功率(轉(zhuǎn)矩)的作用下,各同步機(jī)狀態(tài)變量的響應(yīng)可由式(1)所示的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程描述。

(1)

式中:t為時(shí)間;ω0為系統(tǒng)額定電角速度;TJ為轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù);δ為轉(zhuǎn)子功角;ω為轉(zhuǎn)子電角速度;Tm,Te,Pm,Pe分別為轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率和電磁功率。式中各量除t,ω0,TJ為有名值外,其余均為標(biāo)幺值。

方面2：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能與輸出電磁功率在系統(tǒng)頻率變化時(shí)的響應(yīng)

在系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí),網(wǎng)內(nèi)各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度基本同步變化,在此過程中,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能也在相應(yīng)發(fā)生變化,在假設(shè)施加到轉(zhuǎn)子上的機(jī)械輸入功率保持不變時(shí),轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化量將以發(fā)電機(jī)電磁功率的形式注入電網(wǎng)中,此功率即為慣量支撐功率。

下面重點(diǎn)推導(dǎo)慣量支撐功率的表達(dá)式。

1.2 同步機(jī)的慣量支撐功率表達(dá)式

系統(tǒng)在額定頻率正常運(yùn)行時(shí),同步機(jī)轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速ΩN(即同步轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能Wk為:

(2)

式中:J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為kg·m2;ΩN為轉(zhuǎn)子的額定機(jī)械角速度。

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)TJ的物理意義[29],TJ為在轉(zhuǎn)子上施加額定轉(zhuǎn)矩Tm后,轉(zhuǎn)子從停頓狀態(tài)(機(jī)械角速度Ω=0)加速到額定狀態(tài)(機(jī)械角速度Ω=ΩN)時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間,即有

(3)

式中:PN為同步機(jī)的額定功率。

根據(jù)式(3)可知,轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)TJ的數(shù)值為:

(4)

當(dāng)發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為1(如汽輪發(fā)電機(jī))時(shí),轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω等于轉(zhuǎn)子電角速度ω,又有

(5)

對(duì)于同步機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),其轉(zhuǎn)子動(dòng)能發(fā)生變化,釋放或吸收的能量對(duì)外表現(xiàn)為輸出電磁功率的增減。

設(shè)零時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速ω0,而在時(shí)刻t,轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化量,即輸出電磁功率在0～t時(shí)刻上累計(jì)的能量變化量為:

(6)

而時(shí)刻t輸出的電磁功率即為該能量的微分:

(7)

式中:f(t)為系統(tǒng)的瞬時(shí)頻率。

而由式(5)可得:

(8)

式中:f0為系統(tǒng)的額定頻率。

將式(8)代入式(7),即得到由轉(zhuǎn)子動(dòng)能變化而輸出的瞬時(shí)電磁功率表達(dá)式為:

(9)

因系統(tǒng)頻率變化的相對(duì)值不會(huì)太大(絕對(duì)值超過0.8 Hz即可能引起低頻減載動(dòng)作,而相對(duì)值只有1.6%),所以可設(shè)f(t)≈f0,則式(9)可簡(jiǎn)化為:

(10)

式(9)和式(10)即為同步機(jī)在系統(tǒng)頻率變化過程中由于轉(zhuǎn)子動(dòng)能變化而釋放或吸收的電磁功率表達(dá)式,即VSG需要模擬的慣量支撐功率表達(dá)式,該式已被寫入國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于VSG技術(shù)要求與試驗(yàn)方法的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(報(bào)批稿)。

從式(10)可以看出,同步機(jī)慣量支撐功率與系統(tǒng)頻率的微分值(即頻率變化率)的相反數(shù)成正比,因此可以看做是系統(tǒng)頻率的微分反饋控制。

對(duì)于如圖1所示的某電網(wǎng)頻率的劇烈變化曲線,設(shè)該電網(wǎng)中某同步機(jī)的TJ=8 s,則按照式(9)得到該機(jī)輸出的慣量支撐功率(以本機(jī)額定功率標(biāo)幺化)曲線如圖2所示。

圖1 電網(wǎng)頻率變化曲線Fig.1 Frequency changing curve of power system

圖2 慣量支撐功率曲線Fig.2 Inertia support power curve

從圖2中可以看出,當(dāng)電網(wǎng)頻率快速跌落的初始瞬間,慣量支撐功率最大,對(duì)于如圖1所示的頻率劇烈變化,慣量支撐功率最大可達(dá)該機(jī)額定功率的13%左右。當(dāng)電網(wǎng)頻率達(dá)到最低點(diǎn)以后逐漸回升至平穩(wěn)的過程中,慣量支撐功率分別為負(fù)數(shù)(頻率回升期間)和0(頻率平穩(wěn)后)。

值得說明的是,如果為了設(shè)備安全考慮,不想讓慣量支撐功率瞬間躍升,可以在式(10)的基礎(chǔ)上加一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行緩沖調(diào)節(jié),詳見下文4.1節(jié)與4.2節(jié)。一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的取值須與虛擬慣性時(shí)間常數(shù)相協(xié)調(diào),并可在給定系統(tǒng)頻率曲線輸入的情況下通過時(shí)域仿真調(diào)校緩沖效果。

1.3 同步機(jī)慣量支撐功能的物理意義

如1.1節(jié)所述,同步機(jī)的慣量支撐功能實(shí)際上包括以下兩個(gè)方面。

方面1:轉(zhuǎn)子的狀態(tài)變量(功角、頻率)在不平衡轉(zhuǎn)矩下的響應(yīng)

同步機(jī)轉(zhuǎn)子的功角和頻率是不可突變的機(jī)械狀態(tài)量,該狀態(tài)量將在轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)矩的作用下,按照式(1)所示的微分方程發(fā)生變化,該響應(yīng)的物理意義是質(zhì)塊在外力作用下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。

值得指出的是,該響應(yīng)隱含的意義是同步機(jī)內(nèi)電勢(shì)的相位不會(huì)發(fā)生突變(內(nèi)電勢(shì)幅值由轉(zhuǎn)子磁鏈制約也不會(huì)突變),也就是說同步機(jī)的內(nèi)電勢(shì)是相位和幅值都不會(huì)突變的獨(dú)立電壓源,同步機(jī)的“電壓支撐”作用也由此而來(lái)。因此,只有真實(shí)同步機(jī)和電壓源型VSG才有此項(xiàng)響應(yīng)功能。

方面2:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能與輸出電磁功率在系統(tǒng)頻率變化時(shí)的響應(yīng)

如前所述,此項(xiàng)即為同步機(jī)的慣量支撐功率,它的物理意義是:質(zhì)塊在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)對(duì)外釋放或吸收的能量。

可以看出,方面1和2雖然描述的是同一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程,但是差異卻是很明顯的,首先是側(cè)重點(diǎn)和因果關(guān)系不同:方面1側(cè)重于描述外力作用下質(zhì)塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,方面2側(cè)重于描述運(yùn)動(dòng)過程中質(zhì)塊由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同而引起的能量變化,所以方面1是策動(dòng)的因,方面2是響應(yīng)的果。其次,同步機(jī)輸出電磁功率根本上仍由方面1決定,而不由方面2決定。這是因?yàn)閷?duì)于同步機(jī)來(lái)說,外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擾動(dòng)瞬間該機(jī)的電磁功率突變量由擾動(dòng)點(diǎn)與該機(jī)之間的電氣距離決定,而擾動(dòng)后機(jī)電振蕩過程中該機(jī)電磁功率則由該機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)中其他同步機(jī)之間的相對(duì)功角差和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。也就是說,擾動(dòng)后機(jī)電搖擺過程中該機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中其他同步機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定了該機(jī)的輸出電磁功率,該相對(duì)運(yùn)動(dòng)可由方面1描述;而該機(jī)輸出電磁功率的變化又引起轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化,數(shù)值上則可由方面2描述,但須注意到本質(zhì)上并不是轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化引起了輸出電磁功率的變化,而是正好相反。所以僅模擬方面2的響應(yīng)并不能真正全面地反映真實(shí)的同步機(jī)慣量支撐功能。

還值得指出的是,對(duì)于真實(shí)同步機(jī)和電壓源型VSG,因其內(nèi)電勢(shì)為電壓源,而它的輸出電流和電磁功率是自由的非目標(biāo)受控量,由外部網(wǎng)絡(luò)決定,所以同步機(jī)的慣量支撐功率可以瞬間釋放出來(lái),是電壓源在外界功率不平衡時(shí)被動(dòng)應(yīng)激的自發(fā)即時(shí)響應(yīng)。而對(duì)于電流源型的VSG,因其輸出電流和電磁功率均為目標(biāo)控制量,則需要按照式(9)或式(10)形成附加功率控制指令,才能主動(dòng)盡可能地模擬這一慣量支撐功率。

2 VSG一次調(diào)頻功能及物理意義

2.1 VSG的一次調(diào)頻功能要求

當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差值大于±0.03 Hz(一次調(diào)頻死區(qū)范圍),VSG的有功出力大于20%PN時(shí),VSG應(yīng)能根據(jù)頻率偏差調(diào)節(jié)有功輸出,參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。

VSG參與一次調(diào)頻的具體要求如下。

1)當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí),VSG應(yīng)增加有功輸出,有功出力可增加量的最大值至少為10%PN。

2)當(dāng)系統(tǒng)頻率上升時(shí),VSG應(yīng)減少有功輸出,有功出力可減少量的最大值至少為20%PN,降出力至20%PN時(shí),VSG輸出有功功率可不再向下調(diào)節(jié)。

3)考慮到與傳統(tǒng)機(jī)組的協(xié)調(diào)性,VSG的有功調(diào)頻系數(shù)Kf(定義見附錄A)推薦為10～20,VSG參與電網(wǎng)一次調(diào)頻曲線見附錄B。

4)雖然VSG的調(diào)節(jié)速度可以更快,但是考慮到與傳統(tǒng)機(jī)組的協(xié)調(diào)性[30],因此仍應(yīng)推薦VSG與傳統(tǒng)機(jī)組一次調(diào)頻性能的主要指標(biāo)基本保持一致為宜,即一次調(diào)頻的啟動(dòng)時(shí)間(達(dá)到10%目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間)應(yīng)不大于3 s,達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于12 s,達(dá)到95%目標(biāo)負(fù)荷的調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)不大于30 s。

一次調(diào)頻功率與系統(tǒng)頻率的偏差值的相反數(shù)成正比,因此可看作是系統(tǒng)頻率的比例反饋控制。

2.2 VSG一次調(diào)頻的物理意義

VSG的一次調(diào)頻功能本質(zhì)上是VSG的有功—頻率下垂控制,以實(shí)現(xiàn)VSG有功輸出隨電網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié),為使電網(wǎng)達(dá)到新的功率平衡點(diǎn)而做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

值得指出的是,電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率是反映交流電網(wǎng)全局功率盈缺的一個(gè)重要運(yùn)行指標(biāo),當(dāng)電網(wǎng)中功率保持平衡時(shí),系統(tǒng)頻率保持不變;當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生功率缺額(如發(fā)電機(jī)掉機(jī))時(shí),系統(tǒng)頻率下降;當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生功率盈余(如大用戶負(fù)荷突然退出)時(shí),系統(tǒng)頻率上升。

對(duì)于電壓源型VSG,因?yàn)槠漭敵龅碾姶殴β什皇悄繕?biāo)受控量,所以和真實(shí)同步機(jī)一樣,一次調(diào)頻靠改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸入功率指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻。而對(duì)于電流源型VSG,因?yàn)槠漭敵鲭娏骱碗姶殴β适侵苯拥哪繕?biāo)受控量,所以可通過在電磁功率指令上直接疊加一次調(diào)頻功率指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻,速度可以做到更快。

3 VSG慣量支撐與一次調(diào)頻的功能定位區(qū)分辨析

如前所述,VSG的慣量支撐功能與一次調(diào)頻功能是兩種不同的控制功能,下面對(duì)兩者各自的功能定位進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)分辨析。

1)從控制規(guī)律的特點(diǎn)來(lái)看:慣量支撐是對(duì)系統(tǒng)頻率的微分反饋控制,而一次調(diào)頻是對(duì)系統(tǒng)頻率的比例反饋控制。相對(duì)于一次調(diào)頻控制,慣量支撐控制因其微分控制規(guī)律,具有超前特性,可以很快響應(yīng);而在系統(tǒng)頻率變化初期的頻率偏差較小,一次調(diào)頻控制因其比例控制規(guī)律,所以一次調(diào)頻功率出力也較小,顯得相對(duì)較慢。但值得指出的是,這兩種控制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié),而只有二次調(diào)頻控制(具有積分反饋控制特性)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。

2)從能量變化角度來(lái)看:慣量支撐只是一個(gè)非常短時(shí)的沖擊型功率支撐,當(dāng)系統(tǒng)頻率不再變化(頻率偏差仍然存在)時(shí),支撐功率為0,該支撐功率所產(chǎn)生的累積能量非常有限;而一次調(diào)頻功率是一個(gè)持續(xù)的功率支援,只要系統(tǒng)頻率偏差存在,一次調(diào)頻功率就一直存在,該功率所產(chǎn)生的累積能量非?？捎^,從而可以使系統(tǒng)頻率停止下跌(上升),穩(wěn)定在一個(gè)較低(較高)的平衡點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

3)從功能定位及作用來(lái)看:以功率缺額事件導(dǎo)致系統(tǒng)頻率跌落為例,慣量支撐的功能定位和主要作用是延緩系統(tǒng)的頻率變化率,阻止系統(tǒng)頻率快速下跌,從而為一次調(diào)頻贏得時(shí)間,但并不能有效抑制頻率的跌落深度;而一次調(diào)頻的功能定位和主要作用是提供可以響應(yīng)系統(tǒng)頻率偏差的持續(xù)的有功功率支援,以阻止系統(tǒng)頻率的持續(xù)跌落,使其可以達(dá)到新的平衡,維持在較低的頻率水平繼續(xù)運(yùn)行。

還值得指出的是,對(duì)于電流源型VSG,因其內(nèi)電勢(shì)不是獨(dú)立電壓源,所以無(wú)法對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生直接的影響(獨(dú)立電壓源的電角頻率才可以對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生直接的影響和約束),而是通過輸出的慣量支撐功率和一次調(diào)頻功率間接減輕網(wǎng)內(nèi)其他同步機(jī)的電磁功率負(fù)擔(dān),從而減緩其他同步機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化率和變化幅度,以達(dá)到間接為系統(tǒng)頻率提供幫助的目的。

4 VSG在大電網(wǎng)頻率事故過程中對(duì)系統(tǒng)頻率的作用及其響應(yīng)特性仿真分析

4.1VSG慣量支撐功能與一次調(diào)頻功能的機(jī)電暫態(tài)建模

如第1節(jié)所述,VSG的慣量支撐功能的嚴(yán)格數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(9)—式(10)所示,但是從圖2中可知,對(duì)于8 s的虛擬慣性時(shí)間常數(shù),在系統(tǒng)頻率急劇跌落的瞬間,慣量支撐功率的瞬間輸出可能達(dá)到額定功率的百分之十幾,這個(gè)瞬間不平衡轉(zhuǎn)矩可能會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備相關(guān)部件產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩沖擊,從而不利于風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,所以,在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的慣量支撐控制功能時(shí),一般會(huì)在式(10)后面再加上一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(可調(diào))的一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行緩沖[31],傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)VSG慣量支撐控制傳遞函數(shù)
Fig.3 Transfer function of inertia support control of VSG for wind turbines

一次調(diào)頻功能的建模則相對(duì)簡(jiǎn)單,但值得說明的是,如果不考慮配置儲(chǔ)能,那么風(fēng)機(jī)具備一次調(diào)頻能力的前提是運(yùn)行出力留有備用。而風(fēng)機(jī)通常運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模式下,即不留備用;而只有在高風(fēng)速時(shí),為防止風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速突破機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上限,才不得不收槳進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)間,此時(shí)可認(rèn)為天然地留有出力備用;否則在低、中風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)MPPT運(yùn)行區(qū)間和恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)間,則必須通過主動(dòng)收槳來(lái)犧牲最大功率追蹤能力,才可獲得出力備用,否則沒有備用。

4.2大電網(wǎng)功率缺額事故中VSG不同控制功能對(duì)系統(tǒng)頻率變化的作用及響應(yīng)特性仿真分析

在PSASP中建立VSG慣量支撐功能和一次調(diào)頻功能的機(jī)電暫態(tài)仿真模型,以某大型受端電網(wǎng)作為仿真算例,該大區(qū)電網(wǎng)在某方式下開機(jī)約208 GW,考慮在大區(qū)電網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)頻率變化率較低,為了觀察到VSG較為顯著的慣量支撐功率,取較大的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)TJ為55 s,同時(shí)取一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)為5.5 s;一次調(diào)頻系數(shù)Kf取為10。

在該大區(qū)電網(wǎng)內(nèi)全為真實(shí)同步機(jī)和含有12 000 MW雙饋風(fēng)機(jī)兩種情況下,設(shè)置故障為某特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖,損失8 000 MW外來(lái)電力,功率缺額比例約為3.85%,仿真得到兩種情況下系統(tǒng)頻率變化曲線如圖4所示。

圖4 大電網(wǎng)嚴(yán)重功率缺額事故中系統(tǒng)的頻率曲線Fig.4 System frequency curves under serious active power shortage contingency in a large power grid

從圖4中可以看出,在純同步機(jī)系統(tǒng)情況下,受端電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率曲線的最低點(diǎn)為49.59 Hz;而在含12 000 MW雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的情況下,受端電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率曲線的最低點(diǎn)為49.53 Hz,下降了0.06 Hz。普通雙饋風(fēng)機(jī)由于不具備慣量支撐與一次調(diào)頻能力,從而使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率曲線在相同的功率缺額沖擊下進(jìn)一步惡化,呈現(xiàn)出跌落幅度更深,速度更快,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的特征。

如果把這12 000 MW的風(fēng)機(jī)進(jìn)一步改造為VSG,圖5給出了對(duì)于相同的功率缺額沖擊,在VSG的慣量支撐功能與一次調(diào)頻功能分別投入以及共同投入等不同情況下,對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性的改善作用。

圖5 大電網(wǎng)嚴(yán)重功率缺額事故中VSG 不同控制功能作用下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率曲線比較Fig.5 Comparison among dynamic frequency curves corresponding to different control functions of VSG under serious active power shortage contingency in a large power grid

從圖5中可以看出,純同步機(jī)系統(tǒng)情況下頻率動(dòng)態(tài)特性最好,頻率最低點(diǎn)最高;含12 000 MW普通雙饋風(fēng)機(jī)情況下系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性最差,頻率最低點(diǎn)最低;將此12 000 MW的風(fēng)機(jī)改造為VSG,且慣量支撐控制與一次調(diào)頻控制功能都投入的情況下,系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性大大提高,接近于原純同步機(jī)系統(tǒng);如果僅投入一次調(diào)頻功能,系統(tǒng)的頻率特性也有很大改善,非常接近于原純同步機(jī)系統(tǒng);但如果僅投入慣量支撐控制功能,則較之于普通雙饋風(fēng)機(jī)的情況,系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性只在達(dá)到最低頻率點(diǎn)之前有所改善,即延緩了系統(tǒng)頻率變化率,推遲了最低頻率點(diǎn)的到來(lái),但是在最低頻率點(diǎn)之后的恢復(fù)過程中,反而惡化了系統(tǒng)的頻率恢復(fù)特性。

圖6給出了僅投入慣量支撐控制功能情況下VSG的電磁功率和機(jī)械功率響應(yīng)情況。

從圖6中可以看出,在僅投入慣量支撐控制功能情況下,VSG檢測(cè)到系統(tǒng)頻率快速跌落后迅速增發(fā)電磁功率,實(shí)現(xiàn)慣量支撐控制;但由于此時(shí)沒有投入一次調(diào)頻功能(風(fēng)機(jī)未留備用),導(dǎo)致風(fēng)機(jī)原動(dòng)機(jī)側(cè)的機(jī)械輸入功率不能增加,在慣量支撐電磁功率的強(qiáng)行作用下,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速將迅速下降,并因?yàn)槠x最佳轉(zhuǎn)速,輸入機(jī)械功率也發(fā)生下降,因此將不得不結(jié)束短時(shí)的電磁功率慣量支撐,甚至需要進(jìn)一步降低輸出電磁功率(低于慣量支撐開始前功率)以避免風(fēng)機(jī)失速停轉(zhuǎn)?？傮w來(lái)看,挽救轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中需要降低的輸出能量高于慣量支撐期間增發(fā)的輸出能量(約為支撐能量的1.5～2.5倍),功率恢復(fù)時(shí)間也長(zhǎng)于功率支撐時(shí)間,這也正是為什么在圖5中僅投入慣量控制情況下反而惡化了最低點(diǎn)之后的系統(tǒng)頻率恢復(fù)特性的原因。

圖6 大電網(wǎng)嚴(yán)重功率缺額事故中VSG 僅投入慣量支撐控制功能情況下的功率響應(yīng)特性Fig.6 Power response characteristic of VSG only with inertia support control under serious active power shortage contingency in a large power grid

從以上仿真分析可以看出,對(duì)于大電網(wǎng)在嚴(yán)重功率缺額事故中的頻率動(dòng)態(tài)特性,VSG的慣量支撐功能的作用并不明顯,而一次調(diào)頻功能的作用卻較為明顯。這是因?yàn)?如第3節(jié)中所述,慣量支撐作用的主要目的是為一次調(diào)頻贏得時(shí)間,而在大型受端電網(wǎng)中,由于網(wǎng)內(nèi)同步機(jī)數(shù)量眾多,慣量并不缺乏,因此頻率變化率相對(duì)較小,到達(dá)頻率最低點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 s左右,已經(jīng)有充足的時(shí)間讓一次調(diào)頻發(fā)揮作用,再增加慣量支撐也只是錦上添花而已,而且過大的慣量還將使得同樣時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的頻率跌落幅度變小,從而影響系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻功率的調(diào)出,反而不利于系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。所以對(duì)于大型受端電網(wǎng),系統(tǒng)更需要的是VSG的一次調(diào)頻能力,而不是慣量支撐帶來(lái)的時(shí)間效用。

反之則可以想見,在慣量相對(duì)缺乏的新能源高占比的中小型電網(wǎng)與微網(wǎng)中,發(fā)生功率缺額時(shí)系統(tǒng)頻率的跌落速度可能很快,如果沒有額外的慣量支撐,一次調(diào)頻功率可能還來(lái)不及調(diào)出就已經(jīng)發(fā)生了頻率崩潰,這種情況下對(duì)于VSG慣量支撐功能與一次調(diào)頻功能的需求都將比較迫切。

5 結(jié)論

1)慣量支撐的功能定位和主要作用是提供可響應(yīng)于系統(tǒng)頻率變化率的短時(shí)功率支撐,阻止系統(tǒng)頻率快速下跌,從而為一次調(diào)頻贏得時(shí)間,但并不能有效抑制頻率的跌落深度。

2)一次調(diào)頻的功能定位和主要作用是提供可以響應(yīng)系統(tǒng)頻率偏差的持續(xù)的有功功率支援,以阻止系統(tǒng)頻率的持續(xù)跌落,并與負(fù)荷的頻率效應(yīng)一起作用,使系統(tǒng)在較低的頻率水平上達(dá)到新的平衡。

3)在大型同步電網(wǎng)中,系統(tǒng)慣量相對(duì)比較充裕,系統(tǒng)頻率變化率小,頻率變化過程平緩,所以隨著可再生能源的接入,由于一次調(diào)頻能力下降所導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性的惡化程度比由于系統(tǒng)慣量下降所導(dǎo)致的更為嚴(yán)重;因此較之于短時(shí)的慣量支撐功率,系統(tǒng)更需要VSG發(fā)揮一次調(diào)頻功率的持續(xù)支援作用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 舒印彪,張智剛,郭劍波,等.新能源消納關(guān)鍵因素分析及解決措施研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(1):1-9.

SHU Yinbiao, ZHANG Zhigang, GUO Jianbo, et al. Study on key factors and solution of renewable energy accommodation[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(1): 1-9.

[2] 陳國(guó)平,李明節(jié),許濤,等.關(guān)于新能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(1):20-27.

CHEN Guoping, LI Mingjie, XU Tao, et al. Study on technical bottleneck of new energy development[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(1): 20-27.

[3] 李明節(jié).大規(guī)模特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)特性分析與運(yùn)行控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(4):985-991.

LI Mingjie. Characteristic analysis and operational control of large-scale hybrid UHV AC/DC power grids[J]. Power System Technology, 2016, 40(4): 985-991.

[4] EKANAYAKE J, JENKINS N. Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, 19(4): 800-802.

[5] 蔣佳良,晁勤,陳建偉,等.不同風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性仿真分析[J].可再生能源,2010,28(3):24-28.

JIANG Jialiang, CHAO Qin, CHEN Jianwei, et al. Simulation study on frequency response characteristic of different wind turbines[J]. Renewable Energy Resources, 2010, 28(3): 24-28.

[6] 丁立,喬穎,魯宗相,等.高比例風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)頻指標(biāo)影響的定量分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(14):1-8.DOI:10.7500/AEPS20130810001.

DING Li, QIAO Ying, LU Zongxiang, et al. Impact on frequency regulation of power system form wind power with high penetration[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(14): 1-8. DOI: 10.7500/AEPS20130810001.

[7] ATTYA A B T, HARTKOPF T. Control and quantification of kinetic energy released by wind farms during power system frequency drops[J]. IET Renewable Power Generation, 2013, 7(3): 210-224.

[8] 隗霖捷,王德林,李蕓,等.基于可變系數(shù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)頻策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(2):94-100.DOI:10.7500/AEPS20160323009.

WEI Linjie, WANG Delin, LI Yun, et al. Variable coefficient based coordinated frequency modulation strategy between DFIG-based wind turbine and synchronous generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(2): 94-100. DOI: 10.7500/AEPS20160323009.

[9] 孫驍強(qiáng),程松,劉鑫,等.西北送端大電網(wǎng)頻率特性試驗(yàn)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(2):148-153.DOI:10.7500/AEPS20170418006.

SUN Xiaoqiang, CHENG Song, LIU Xin, et al. Test method for frequency characteristics of northwest sending-end power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(2): 148-153. DOI: 10.7500/AEPS20170418006.

[10] 譚放.含大規(guī)模風(fēng)電的送端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制研究[D].北京:華北電力大學(xué),2016.

[11] ZHONG Qingchang, WEISS G. Synchronverters: inverters that mimic synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1259-1267.

[12] European FP6 Project Workshop. VSYNC project workshop[EB/OL]. [2017-10-11]. http://www.vsync.eu.

[13] BECK H P, HESSE R. Virtual synchronous machine[C]// 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation (EPQU), October 9-11, 2007, Barcelona, Spain: 6p.

[14] 鐘慶昌.虛擬同步機(jī)與自主電力系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(2):336-349.

ZHONG Qingchang. Virtual synchronous machines and autonomous power systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 336-349.

[15] 呂志鵬,盛萬(wàn)興,劉海濤,等.虛擬同步機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(2):349-360.

Lü Zhipeng, SHENG Wanxing, LIU Haitao, et al. Application and challenge of virtual synchronous machine technology in power system[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 349-360.

[16] 鄭天文,陳來(lái)軍,陳天一,等.虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(21):165-175.DOI:10.7500/AEPS20150508006.

ZHENG Tianwen, CHEN Laijun, CHEN Tianyi, et al. Review and prospect of virtual synchronous generator technologies[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(21): 165-175. DOI: 10.7500/AEPS20150508006.

[17] 黃林彬,章雷其,辛煥海,等.下垂控制逆變器的虛擬功角穩(wěn)定機(jī)理分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(12):117-123.DOI:10.7500/AEPS20150709007.

HUANG Linbin, ZHANG Leiqi, XIN Huanhai, et al. Mechanism analysis of virtual power angle stability in droop-controlled inverters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(12): 117-123. DOI: 10.7500/AEPS20150709007.

[18] 石榮亮,張興,劉芳,等.提高光儲(chǔ)柴獨(dú)立微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(22):77-85.DOI:10.7500/AEPS20160322016.

SHI Rongliang, ZHANG Xing, LIU Fang, et al. Control strategy of virtual synchronous generator for improving frequency stability of islanded photovoltaic-battery-diesel microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(22): 77-85. DOI: 10.7500/AEPS20160322016.

[19] 張冠鋒,楊俊友,孫峰,等.基于虛擬慣量和頻率下垂控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2017,32(22):225-232.

ZHANG Guanfeng, YANG Junyou, SUN Feng, et al. Primary frequency regulation strategy of DFIG based on virtual inertia and frequency droop control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(22): 225-232.

[20] 陳來(lái)軍,王任,鄭天文,等.改善獨(dú)立微網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的虛擬同步發(fā)電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(3):40-47.DOI:10.7500/AEPS20170312003.

CHEN Laijun, WANG Ren, ZHENG Tianwen, et al. Model predictive control of virtual synchronous generator to improve dynamic characteristic of frequency for isolated microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(3): 40-47. DOI: 10.7500/AEPS20170312003.

[21] 張波,顏湘武,黃毅斌,等.虛擬同步機(jī)多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定控制及其慣量匹配方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2017,32(10):42-52.

ZHANG Bo, YAN Xiangwu, HUANG Yibin, et al. Stability control and inertia matching method of multi-parallel virtual synchronous generators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(10): 42-52.

[22] 張琛,蔡旭,李征.具有自主電網(wǎng)同步與弱網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(2):476-486.

ZHANG Chen, CAI Xu, LI Zheng. Control of DFIG-based wind turbines with the capability of automatic grid-synchronization and stable operation under weak grid condition[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 476-486.

[23] 劉芳.基于虛擬同步機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制策略研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015.

[24] 黃林彬,辛煥海,黃偉,等.含虛擬慣量的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性定量分析方法[J/OL].電力系統(tǒng)自動(dòng)化[2017-02-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180227.1542.014.html.

HUANG Linbin, XIN Huanhai, HUANG Wei, et al. Quantified analysis method of frequency responding characteristics for power systems with virtual inertia[J/OL]. Automation of Electric Power System[2017-02-27]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180227.1542.014.html.

[25] 王曉聲,江浩,劉輝,等.虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定性研究綜述[J].華北電力技術(shù),2017(9):14-21.

WANG Xiaosheng, JIANG Hao, LIU Hui, et al. Review of the research on stability of virtual synchronous generator under grid-connected operation[J]. North China Electric Power, 2017(9): 14-21.

[26] HUANG Linbin, XIN Huanhai, ZHANG Leiqi, et al. Synchronization and frequency regulation of DFIG-based wind turbine generators with synchronized control[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, 32(3): 1251-1262.

[27] HU Jiabing, WANG Shuo, TANG Wenming, et al. Full-capacity wind turbine with inertial support by adjusting phase-locked loop response[J]. IET Renewable Power Generation, 2017, 11(1): 44-53.

[28] 趙楊陽(yáng),柴建云,孫旭東.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的柔性虛擬調(diào)速器模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(10):8-15.DOI:10.7500/AEPS20150728014.

ZHAO Yangyang, CHAI Jianyun, SUN Xudong. Flexible virtual governor model based on virtual synchronous generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(10): 8-15. DOI: 10.7500/AEPS20150728014.

[29] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社,1995:156-158.

[30] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則:GB/T 31464—2015[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[31] CLARK K, MILLAR N W, SANCHEZ-GASCA J J. Modeling of GE wind turbine-generators for grid studies v4.5[R]. Atlanta, USA: GE Energy, 2010: 44-46.

秦曉輝(1979—),男,通信作者,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行分析與新技術(shù)應(yīng)用。E-mail： gumpqin@163.com

蘇麗寧(1990—),女,碩士,助理工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行分析與新技術(shù)應(yīng)用。

遲永寧(1973—),男,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向：新能源并網(wǎng)分析及運(yùn)行控制技術(shù)。