大規模新能源并網慣量及調頻建模研究

國網新疆電力有限公司 王 衡 李 渝 印 欣 宋朋飛 亢朋朋 楊桂興

隨著新能源并網比例的逐年提高，電力系統安全穩定性受到了前所未有的挑戰，研究新能源慣量控制建模方法是當前亟需解決的難題。本文首先分析同步發電機的自然慣量響應規律?；陔娏髟葱秃碗妷涸葱蛢煞N主流虛擬慣量控制方案，分別建立風力發電和光伏單元的虛擬慣量控制模型。最后總結兩種控制方案的優點和缺點，為新能源場站慣性及調頻技術的后續研究提供了參考思路。

圖1 系統頻率的動態響應特性

1 新能源并網頻率穩定特性規律

大規模風力發電和光伏單元并網導致系統整體慣性下降，當電網受到擾動或故障時，系統頻率會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方式下系統頻率的動態響應特性。

圖1中，系統初始頻率都設定在50Hz?？梢钥闯觯S著新能源并網占比的增加，系統頻率最低點越小，基本與正比例函數規律特性擬合，即使理想電網頻率也會由于缺少慣量產生一定的跌落。經過系統的動態調節，頻率最終平衡于穩定值，且頻率動態穩定時間與新能源并網占比成正比。

2 同步發電機的自然慣量響應

通過同步發電機的外特性，使風力發電和光伏單元具備為電網主動提供慣量支撐能力。同步發電機的慣量支撐本質是轉子的狀態變量(功角、頻率)在不平衡轉矩下以轉子運動方程形式進行自發響應，其外在表現形式為系統頻率變化時發電機轉子動能以發電機輸出電磁功率形式注入電網。通過驅動源自發響應的動態方程為：

式中，w和w0分別為同步發電機的實際角頻率和額定角頻率；δ為角頻率的偏導；Tm、Te和TJ分別為機械轉矩、電磁轉矩和轉子轉矩；pm和pe分別為機械功率和電磁功率。可以看出，同步發電機輸出旋轉磁場和轉子速度與系統頻率近似相等。

由此，新能源慣量支撐技術就分為兩種大類：一種是外特性模擬轉子動能轉化電磁功率輸出的電流源型，一種是機理機制模擬同步機轉子運動特性的電壓源型。

3 新能源慣量建模方法

3.1 風力發電機的慣量建模方法

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中增加與系統頻率相關的控制環節，使得風電機組能夠利用儲存在旋轉質量中的動能響應系統頻率變化，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，延長轉子轉速恢復時間。

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電機組轉子運動方程把虛擬慣性控制引入風機控制算法中，模擬同步發電機內電勢的相位和幅值。轉子運動方程表達式為：

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，電壓源型虛擬轉動慣量由最大功率跟蹤控制和虛擬同步控制兩個模塊組成。最大功率開主要對風力機的啟動功率、變槳角補償和轉子速度進行控制，虛擬同步控制主要包括有功-頻率和無功-電壓兩部分組成。其中實際有功功率Pelec和角速度比w0/wpll為模塊輸入量，轉子角速度的積分θr為模塊輸出量。最后通過矢量合成輸出轉子實際電壓標量Ur，經過虛擬阻抗后輸入至轉子變換器。

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。與風電機組類似，通過在參考功率值上附加額外的與系統頻率相關的功率調整值，從而在系統頻率變化時調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。原理也與風電機組的相似，通過引入同步發電機轉子機械運動方程，從而引入虛擬轉動慣量值，最終實現慣量控制。

4 對比分析

4.1 電流源型虛擬慣量控制技術

機理：外特性模擬轉子動能轉化電磁功率輸出，輸出控制電流。

優點：控制結構與傳統控制模式類似，工程改造難度低。

缺點：無法在孤島模式下運行，不能為電網電壓提供支撐作用。

4.2 電壓源型虛擬慣量控制技術

機理：機理機制模擬同步機轉子運動特性，輸出內電勢的相位和幅值。

優點：在弱電網中具有明顯優勢，可以在孤島模式下運行。

缺點：完全改變了變流器的控制結構，工程改造難度大，改造成本高。

在工程實際應用大多采用電流源型的虛擬慣量控制技術，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。國網冀北風光儲實驗基地完成的新能源機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；而電壓源型虛擬轉動慣量控制技術可進一步提升新能源在弱電網環境下的主動支撐能力。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頻技術的后續研究提供了參考思路。