CN112701726A

CN112701726A - 考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法

Info

Publication number: CN112701726A
Application number: CN202011536084.2A
Authority: CN
Inventors: 徐波; 章林炜; 李东东; 边晓燕; 杨帆; 赵耀
Original assignee: Shanghai Electric Power University
Current assignee: Shanghai Electric Power University
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: CN112701726B

Abstract

本发明涉及一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，包括以下步骤：1)定义惯量响应能力评价指标K；2)判断当前系统中完全由同步发电机提供的虚拟惯量是否能够满足系统所需最小惯量，若否，则风电机组参与惯量响应；3)根据不同风电机组的惯量响应能力依次为所有风电机组分配参与惯量响应惯量；4)若当前次的风电机组参与惯量响应惯量分配完毕后仍不满足系统所需最小惯量，则进行惯量响应能力计算和修正，直至满足系统所需最小惯量，或系统中所有风电机组参与惯量响应的虚拟惯量均达到其最大值，与现有技术相比，本发明具有充分发挥各风机的惯量响应能力，同时避免频率二次跌落，使系统频率动态响应得到改善等优点。

Description

考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行控制领域，尤其是涉及一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法。

背景技术

大多数惯量在传统意义上是由同步发电机的物理旋转器件所提供的，然而传统能源的日益匮乏促使各国加快了新能源的开发，其中风电、光伏的大量接入取代了电力系统中的同步发电机。由于风力发电机等新能源大多通过电力电子设备接入电网，发电侧与电网解耦，无法响应电网频率变化，这使得系统惯性时间常数减小，系统稳定性受到威胁。

针对大规模风电并网给传统电网造成的惯性缺失问题，可以通过在风机并网变换器上加入虚拟惯量控制，使风机在电网频率发生变化时改变自身输出功率，对外表现出等效惯量，考虑到风力发电的随机性和时变性，风电机组的惯量响应能力随运行状态发生改变，因此需要根据各风机惯量响应能力合理分配其虚拟惯量大小，以充分发挥各台风机的惯量响应能力。

目前，常规虚拟惯量控制尚未考虑风机自身惯量响应能力与惯量分配等问题。当系统发生扰动时，不同机组实际可增发的有功功率支撑与可释放的转子动能存在差异，如果将虚拟惯量平均分配给所有风电机组，使各机组惯量响应完全相同，则会造成一部分机组过度释放转子动能而退出运行，而另一部分机组的惯量响应能力未能充分发挥，因此应根据风机自身惯量响应能力对虚拟惯量进行协调分配。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明定义了考虑风电机组转子储存旋转动能和风电机组能够瞬时增发的支撑功率的惯量响应能力评价指标，能够根据风电机组的惯量响应能力分配其虚拟惯量大小，充分发挥各台风电机组的惯量响应能力。

二.通过按比例分配有效避免了惯量响应能力弱的风电机组过度参与惯量响应，导致转速过低退出运行，造成系统频率二次跌落。

附图说明

图1为IEEE39节点仿真系统。

图2为风机惯量响应能力评价指标。

图3为仿真系统频率变化图。

图4为低风速区风机转速变化图。

图5为低风速区风机功率变化图。

图6为中风速区风机转速变化图。

图7为中风速区风机功率变化图。

图8为高风速区风机转速变化图。

图9为高风速区风机功率变化图。

图10为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

由于目前的研究多针对风电机组参与一次调频进行协调控制，对其惯量响应研究较少，针对目前风机虚拟惯量分配存在的不足，本发明引入风电机组惯量响应能力评价指标，在定量评价单台风电机组惯量响应能力的基础上，进一步研究了整个系统层面风电的惯量响应能力，如图10所示，提出了一种同时考虑系统惯量需求与风机自身惯量响应能力的风电机组惯量协调分配方法。

为了评估系统中处于不同运行状态的风电机组惯量响应能力，本发明定义惯量响应能力评价指标K：

K＝k_ω·k_P (1)

其中，k_ω为转速因子，k_P为支撑功率因子，ω为风电机组当前转速，ω_min为风电机组运行最低转速，ω_n为风电机组额定转速，P为风电机组当前有功功率，P_max为风电机组最大输出功率，P_min为风电机组最小输出功率。

转速因子k_ω∈[0,1)，反应了风电机组转子储存旋转动能的大小，转速越大，储存旋转动能越多，转速因子越大。然而高速区风电机组虽然转速很高，但是风电机组存在容量限制，风速越大，风电机组输出功率越接近输出功率限值P_max，实际可增发的功率较小。

为了在风电机组惯量响应能力评估中充分考虑瞬时支撑功率的影响，惯量响应能力评价指标K引入了支撑功率因子k_P，且k_P∈[0,1]，反应惯量响应瞬间风电机组能够瞬时增发的支撑功率的大小，k_P越大，瞬时增发的支撑功率越大，因此本发明提出的惯量响应能力评价指标K能够充分反映风电机组惯量响应能力大小。

当风电机组参与惯量响应，风机由最小输出功率增发至最大输出功率时，则有：

ΔP＝ΔP_lim＝P_max-P_min (4)

此时风电机组的惯量时间常数为该风电机组所能提供的极限惯性时间常数H_Wlim：

当受到相同扰动，当前输出功率为P的风电机组在该扰动下参与惯量响应，增发功率至P_max，其虚拟惯性时间常数H_W为：

同步发电机额定容量和固有惯性时间常数积即为同步发电机转子在额定转速下的旋转动能E_kn，类似于同步发电机，风电机组额定容量P_n与虚拟惯性时间常数 H_W的乘积表示风电机组由额定转速下降至0所释放的动能，即：

ΔE_{k max}＝E_kn-0＝P_nH_W (7)

实际运行的风电机组参与惯量响应，转速下降至ω_min所释放的动能ΔE_k为：

把式(1)、式(6)代入式(8)，得：

ΔE_k＝k_ωP_nk_PH_{W lim}＝KP_nH_{W lim} (9)

从系统层面而言，各风机惯量响应释放的总动能为各台风电机组释放动能之和，那么，风电机组的惯量响应能力评价指标K_total为：

式中，K_i为风电场中第i台风电机组的惯量响应能力评估指标，H_{W lim,i}为风电场中第i台风电机组在扰动下的极限惯性时间常数，P_n,i为第i台风电机组的额定功率，N_w为风电场中的风电机组数量。

由于K_i∈[0,1)，因此K_total∈[0,1)。特别地，当系统中风电机组的参数相等时，由式(6)-(10)有：

系统总惯量H_S可由系统中同步发电机和风电机组参数计算得到：

式中，H_S为系统总惯量，H_SG,j为第j台同步发电机惯性时间常数，H_W,i为第i 台风电机的虚拟惯性时间常数，S_SG,j与S_W,i分别为对应的同步发电机和风电机组额定容量，N_SG与N_W分别为系统中同步发电机与风电机组数量，S_total为同步发电机与风电机组总容量，即：

为了保证频率稳定，系统总惯量应不小于系统所需最小惯量，即：

H_S≥H_min (14)

式中H_min为系统所需最小惯量。把式(12)代入式(14)，得风机需要提供的惯量为：

系统中的小扰动造成的频率波动，如小负荷的投切、变压器分接头等经常发生，若风电机组为了参与系统惯量响应，频繁改变转速，将减少其使用寿命，降低风机的经济性，当受到小扰动时若风电机组惯量响应出力过大，可能会出现频率过调的情况，同时也会造成转子动能释放过大，在转速恢复阶段出现频率二次跌落。

为了避免以上情况发生，首先判断系统中风电机组是否需要参与惯量响应。若风电机组不参与惯量响应，系统惯量均由系统中的同步发电机提供，此时系统总惯量为：

判断此时系统惯量是否满足该扰动下系统的最小惯量需求，若H_SSG≥H_min，则不需要风电机组提供虚拟惯量，若H_SSG＜H_min，则需要风电机组提供虚拟惯量。

根据式(15)可以得到该扰动下，系统中平均每台风电机组需设定的惯性时间常数为：

考虑不同风电机组的惯量响应能力，系统中参与惯量响应的风电机组的惯量设置为：

依据K_i值大小，依次分配给对应的风电机组惯性时间常数H_i。若当前总惯量满足式(14)，系统中剩余风电机组便不再提供惯量。

若风电机组惯量初步分配完毕后仍不满足系统最小惯量需求，则需要在初步惯量分配后的基础上进行惯量响应能力评估与修正。在分配惯量后，假设风电机组增发相应大小的有功功率，按式(1)求取每台风电机组的惯量响应能力评价指标K_i,a，再按式(11)求取K_total,a，最后按式(19)进行惯量修正：

式中：H_i,a与H_i,a+1为系统中第i台风电机组第a次与第a+1次分配的惯性时间常数，K_i,a与K_total,a分别为第a次风电机组惯性响应能力评价指标与系统场层面风电惯性响应能力评价指标。若H_i,a≥H_imax，则令H_i,a＝H_imax。

不断进行上述惯量响应能力评估、惯量分配与惯性时间常数修正过程，直到满足系统最小惯量需求，或系统中所有风机提供的虚拟惯量都达到其最大值。

实施例

本例对如图1所示的IEEE39节点仿真系统进行仿真验证。系统参数如表1、表2所示。仿真系统中各台风电机组的惯量响应评价指标K如图2所示，由于仿真系统中各台风电机组的参数相同，由式(11)可得K_total＝0.2529。假设系统所需最小惯量为30GW·s，仿真系统中同步发电机提供的惯量为24.62GW·s，则风电机组还需提供5.38GW·s惯量。根据式(17)可得平均每台风电机组需设定的惯性时间常数。根据式(18)可得系统中每台风机分配的虚拟惯性时间常数如表3所示。

表1 同步发电机主要参数

发电机	S<sub>N</sub>/MVA	H/s	惯量/GW·s
				G01	1000	5	5
G02	1000	3.03	3.03
				G04	1000	2.86	2.86
G05	1000	2.60	2.6
				G06	1000	3.48	3.48
G09	1000	3.45	3.45
				G10	1000	4.20	4.2

表2 风机转速设置

表3 风机虚拟惯量分配

对所提风机虚拟惯量分配方法与不考虑自身惯量响应能力虚拟惯量分配进行对比，设置了如下两种风机惯量分配方案：

(1)方案一：本发明提出的虚拟惯量协调分配方案，

(2)方案二：平均分配。不考虑自身惯量响应能力，所有风机虚拟惯性时间常数均设为10.1s。

采用上述两种分配方案的仿真系统频率变化情况如图3所示。两种情况下风机向系统提供的惯量分别为5.398GW·s和5.38GW·s，几乎相等。但方案2频率跌落更大。究其原因，方案2中风机虚拟惯量平均分配，没有考虑低风速区风机储存动能较小，造成低风速区惯量响应出力过大，转速快速下降至0.7p.u.而退出惯量响应过程，而在频率稳定后转速恢复阶段又会造成频率的二次跌落。因此方案一能够充分发挥各风电机组的惯量响应能力，改善系统频率动态响应，避免频率二次跌落现象。图4-图9分别为低风速区、中风速区和高风速区在惯量响应过程中转速与功率变化。从图中可以发现，方案二中低风速区部分风电机组在频率达到最低点之前过度释放动能而过早退出惯量响应，造成风机惯量支撑作用减弱。而方案一依据风机自身的惯量响应能力进行惯量分配，与方案二相比，低风速区风机提供的惯量减少，中风速区风机提供的惯量显著提升，高风速区风机的惯量相当。这使得惯量响应能力最高的中风速区风电机组承担更多的惯量支撑任务，释放更多的动能以弥补低风速区风机释放动能的减少，以此防止转速较低的风机达到转速下限而过早退出惯量响应过程，从而达到提升风电机组的惯量支撑效果，避免频率二次跌落的发生的目的。

Claims

1.一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义惯量响应能力评价指标K，用以评估系统中处于不同运行状态的风电机组的惯量响应能力；

2)当系统发生扰动需要调配虚拟惯量时，判断当前系统中完全由同步发电机提供的虚拟惯量是否能够满足系统所需最小惯量，若是，则无需风电机组参与惯量响应，若否，则风电机组参与惯量响应，进行步骤3)；

3)风电机组提供除同步发电机提供的惯量外剩余的虚拟惯量，并根据不同风电机组的惯量响应能力依次为所有风电机组分配参与惯量响应惯量；

4)若当前次的风电机组参与惯量响应惯量分配完毕后仍不满足系统所需最小惯量，则在当前次惯量分配后进行惯量响应能力计算和修正，直至满足系统所需最小惯量，或系统中所有风电机组参与惯量响应的虚拟惯量均达到其最大值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的步骤1)中，惯量响应能力评价指标K的定义式为：

K＝k_ω·k_P

3.根据权利要求2所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的转速因子k_ω∈[0,1)，用以反应风电机组转子储存旋转动能的大小。

4.根据权利要求2所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的支撑功率因子k_P∈[0,1]，用以反应惯量响应瞬间风电机组能够瞬时增发的支撑功率的大小。

5.根据权利要求2所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的步骤3)中，根据不同风电机组的惯量响应能力依次为所有风电机组分配参与惯量响应惯量，则有：

其中，H_i为第i台风电机组分配到的参与惯量响应惯量，H_ave为平均每台风电机组需设定的惯性时间常数，H_min为系统所需最小惯量，S_total为同步发电机和风电机组总容量，N_SG为系统中同步发电机数量，N_w为风电场中的风电机组数量，S_SG,j为第j台同步发电机的额定容量，H_SG,j为第j台同步发电机的惯性时间常数，S_W,i为第i台风电机组的额定容量。

6.根据权利要求5所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)根据当前第a次分配中第i台风电机组分配到的参与惯量响应惯量H_i,a计算当前第a次分配的系统总惯量H_S，并判断系统总惯量H_S是否满足系统所需最小惯量H_min，若是，则完成修正，若否，则进行步骤42)；

42)计算当前第a次分配的风电机组的惯量响应能力评价指标K_total,a，并据此进行惯量修正。

7.根据权利要求6所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的步骤42)中，风电机组的惯量响应能力评价指标K_total的计算式为：

其中，K_i为风电场中第i台风电机组的惯量响应能力评估指标，H_Wlim,i为风电场中第i台风电机组在扰动下的极限惯性时间常数，P_n,i为第i台风电机组的额定功率。

8.根据权利要求7所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，当系统中风电机组的参数相等时，风电机组的惯量响应能力评价指标K_total的表达式为：

9.根据权利要求8所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，所述的步骤42)中，进行惯量修正的具体表达式为：

其中，H_i,a和H_i,a+1分别为第a次和第a+1次分配中第i台风电机组的惯性时间常数，K_i,a为第a次分配中第i台风电机组的惯性响应能力评价指标。

10.根据权利要求9所述的一种考虑惯量需求与风机惯量响应能力的虚拟惯量调配方法，其特征在于，当H_i,a≥H_imax时，则令H_i,a＝H_imax，其中，H_imax为第i台风电机组的最大惯性时间常数。