秦曉輝, 蘇麗寧, 遲永寧, 郭 強, 徐希望

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192;2. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室(中國電力科學(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,近年來中國大力發(fā)展新能源發(fā)電,風(fēng)電、光伏裝機容量持續(xù)快速增長,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)動慣量的靜止元件,無法像同步機一樣自發(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在系統(tǒng)頻率變化時的一次調(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)能力帶來了風(fēng)險[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年來首次跌破49.8 Hz,頻率越限時間長達(dá)數(shù)百秒[3],給新形勢下的大電網(wǎng)頻率安全問題敲響了警鐘。

為應(yīng)對上述風(fēng)險,通過在新能源并網(wǎng)控制器中引入模擬同步機轉(zhuǎn)子運動方程和一次調(diào)頻等環(huán)節(jié)的設(shè)計,使新能源機組具有同步發(fā)電機組的慣量、阻尼、調(diào)頻和調(diào)壓等并網(wǎng)運行外特性,從而提高新能源高比例接入電網(wǎng)的運行適應(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(virtual synchronous generator,VSG)”控制[11-16]。

國家電網(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],尚無相關(guān)文獻(xiàn)在接入大電網(wǎng)場景下對VSG的慣量支撐和一次調(diào)頻對電網(wǎng)頻率的作用開展深入研究,而且從目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定過程來看,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對VSG慣量支撐與一次調(diào)頻這兩者功能定位的認(rèn)識及其在大電網(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,亟須開展有針對性的深入分析研究。

針對以上問題,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)頻功能的機電暫態(tài)仿真模型,并仿真分析了VSG采用不同控制功能對系統(tǒng)頻率動態(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),而本文之所以強調(diào)“支撐”,是因為通常所說的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),但其實同步發(fā)電機全面的慣量響應(yīng)包括以下兩個方面。

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,各同步機狀態(tài)變量的響應(yīng)可由式(1)所示的轉(zhuǎn)子運動方程描述。

(1)

式中:t為時間;ω0為系統(tǒng)額定電角速度;TJ為轉(zhuǎn)子慣性時間常數(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)子的機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、機械功率和電磁功率。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)電機轉(zhuǎn)子動能與輸出電磁功率在系統(tǒng)頻率變化時的響應(yīng)

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

下面重點推導(dǎo)慣量支撐功率的表達(dá)式。

1.2 同步機的慣量支撐功率表達(dá)式

系統(tǒng)在額定頻率正常運行時,同步機轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速ΩN(即同步轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)動的動能Wk為:

(2)

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

根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(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)(機械角速度Ω=0)加速到額定狀態(tài)(機械角速度Ω=ΩN)時所經(jīng)過的時間,即有

(3)

式中:PN為同步機的額定功率。

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

(4)

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

(5)

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

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

(6)

而時刻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)子動能變化而輸出的瞬時電磁功率表達(dá)式為:

(9)

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

(10)

式(9)和式(10)即為同步機在系統(tǒng)頻率變化過程中由于轉(zhuǎn)子動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,該式已被寫入國家電網(wǎng)公司關(guān)于VSG技術(shù)要求與試驗方法的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(報批稿)。

從式(10)可以看出,同步機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)中某同步機的TJ=8 s,則按照式(9)得到該機輸出的慣量支撐功率(以本機額定功率標(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)該機額定功率的13%左右。當(dāng)電網(wǎng)頻率達(dá)到最低點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)時間常數(shù)的取值須與虛擬慣性時間常數(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域仿真調(diào)校緩沖效果。

1.3 同步機慣量支撐功能的物理意義

如1.1節(jié)所述,同步機的慣量支撐功能實際上包括以下兩個方面。

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)

同步機轉(zhuǎn)子的功角和頻率是不可突變的機械狀態(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)塊在外力作用下運動狀態(tài)的改變。

值得指出的是,該響應(yīng)隱含的意義是同步機內(nèi)電勢的相位不會發(fā)生突變(內(nèi)電勢幅值由轉(zhuǎn)子磁鏈制約也不會突變),也就是說同步機的內(nèi)電勢是相位和幅值都不會突變的獨立電壓源,同步機的“電壓支撐”作用也由此而來。因此,只有真實同步機和電壓源型VSG才有此項響應(yīng)功能。

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

如前所述,此項即為同步機的慣量支撐功率,它的物理意義是:質(zhì)塊在運動狀態(tài)發(fā)生變化時對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運動過程,但是差異卻是很明顯的,首先是側(cè)重點和因果關(guān)系不同:方面1側(cè)重于描述外力作用下質(zhì)塊的運動規(guī)律,方面2側(cè)重于描述運動過程中質(zhì)塊由于運動狀態(tài)不同而引起的能量變化,所以方面1是策動的因,方面2是響應(yīng)的果。其次,同步機輸出電磁功率根本上仍由方面1決定,而不由方面2決定。這是因為對于同步機來說,外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擾動瞬間該機的電磁功率突變量由擾動點與該機之間的電氣距離決定,而擾動后機電振蕩過程中該機電磁功率則由該機與外部網(wǎng)絡(luò)中其他同步機之間的相對功角差和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。也就是說,擾動后機電搖擺過程中該機與網(wǎng)絡(luò)中其他同步機之間的相對運動決定了該機的輸出電磁功率,該相對運動可由方面1描述;而該機輸出電磁功率的變化又引起轉(zhuǎn)子動能的變化,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的同步機慣量支撐功能。

還值得指出的是,對于真實同步機和電壓源型VSG,因其內(nèi)電勢為電壓源,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,所以同步機的慣量支撐功率可以瞬間釋放出來,是電壓源在外界功率不平衡時被動應(yīng)激的自發(fā)即時響應(yīng)。而對于電流源型的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,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,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,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,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)機組的協(xié)調(diào)性[30],因此仍應(yīng)推薦VSG與傳統(tǒng)機組一次調(diào)頻性能的主要指標(biāo)基本保持一致為宜,即一次調(diào)頻的啟動時間(達(dá)到10%目標(biāo)負(fù)荷的時間)應(yīng)不大于3 s,達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的響應(yīng)時間應(yīng)不大于12 s,達(dá)到95%目標(biāo)負(fù)荷的調(diào)節(jié)時間應(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重要運行指標(biāo),當(dāng)電網(wǎng)中功率保持平衡時,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)電機掉機)時,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,系統(tǒng)頻率上升。

對于電壓源型VSG,因為其輸出的電磁功率不是目標(biāo)受控量,所以和真實同步機一樣,一次調(diào)頻靠改變原動機的輸入功率指令來實現(xiàn)一次調(diào)頻。而對于電流源型VSG,因為其輸出電流和電磁功率是直接的目標(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)頻功率指令來實現(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)律的特點來看:慣量支撐是對系統(tǒng)頻率的微分反饋控制,而一次調(diào)頻是對系統(tǒng)頻率的比例反饋控制。相對于一次調(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,顯得相對較慢。但值得指出的是,這兩種控制都無法實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié),而只有二次調(diào)頻控制(具有積分反饋控制特性)才能實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié)。

2)從能量變化角度來看:慣量支撐只是一個非常短時的沖擊型功率支撐,當(dāng)系統(tǒng)頻率不再變化(頻率偏差仍然存在)時,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)定在一個較低(較高)的平衡點繼續(xù)運行。

3)從功能定位及作用來看: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)運行。

還值得指出的是,對于電流源型VSG,因其內(nèi)電勢不是獨立電壓源,所以無法對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生直接的影響(獨立電壓源的電角頻率才可以對電網(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)其他同步機的電磁功率負(fù)擔(dān),從而減緩其他同步機轉(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,對于8 s的虛擬慣性時間常數(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,這個瞬間不平衡轉(zhuǎn)矩可能會對風(fēng)機設(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)機的安全穩(wěn)定運行,所以,在設(shè)計風(fēng)機的慣量支撐控制功能時,一般會在式(10)后面再加上一個時間常數(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簡單,但值得說明的是,如果不考慮配置儲能,那么風(fēng)機具備一次調(diào)頻能力的前提是運行出力留有備用。而風(fēng)機通常運行在最大功率點跟蹤(MPPT)模式下,即不留備用;而只有在高風(fēng)速時,為防止風(fēng)機轉(zhuǎn)速突破機組最大轉(zhuǎn)速上限,才不得不收槳進(jìn)入恒功率運行區(qū)間,此時可認(rèn)為天然地留有出力備用;否則在低、中風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)機MPPT運行區(qū)間和恒轉(zhuǎn)速運行區(qū)間,則必須通過主動收槳來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間常數(shù)TJ為55 s,同時取一階慣性環(huán)節(jié)時間常數(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)全為真實同步機和含有12 000 MW雙饋風(fēng)機兩種情況下,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,在純同步機系統(tǒng)情況下,受端電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率曲線的最低點為49.59 Hz;而在含12 000 MW雙饋風(fēng)機系統(tǒng)的情況下,受端電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率曲線的最低點為49.53 Hz,下降了0.06 Hz。普通雙饋風(fēng)機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)時間更長的特征。

如果把這12 000 MW的風(fēng)機進(jìn)一步改造為VSG,圖5給出了對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,對電網(wǎng)系統(tǒng)頻率動態(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,純同步機系統(tǒng)情況下頻率動態(tài)特性最好,頻率最低點最高;含12 000 MW普通雙饋風(fēng)機情況下系統(tǒng)頻率動態(tài)特性最差,頻率最低點最低;將此12 000 MW的風(fēng)機改造為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)頻率動態(tài)特性大大提高,接近于原純同步機系統(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)機的情況,系統(tǒng)頻率動態(tài)特性只在達(dá)到最低頻率點之前有所改善,即延緩了系統(tǒng)頻率變化率,推遲了最低頻率點的到來,但是在最低頻率點之后的恢復(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檢測到系統(tǒng)頻率快速跌落后迅速增發(fā)電磁功率,實現(xiàn)慣量支撐控制;但由于此時沒有投入一次調(diào)頻功能(風(fēng)機未留備用),導(dǎo)致風(fēng)機原動機側(cè)的機械輸入功率不能增加,在慣量支撐電磁功率的強行作用下,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速將迅速下降,并因為偏離最佳轉(zhuǎn)速,輸入機械功率也發(fā)生下降,因此將不得不結(jié)束短時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)機失速停轉(zhuǎn)?？傮w來看,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)時間也長于功率支撐時間,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,對于大電網(wǎng)在嚴(yán)重功率缺額事故中的頻率動態(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。這是因為: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)頻贏得時間,而在大型受端電網(wǎng)中,由于網(wǎng)內(nèi)同步機數(shù)量眾多,慣量并不缺乏,因此頻率變化率相對較小,到達(dá)頻率最低點時間長達(dá)15 s左右,已經(jīng)有充足的時間讓一次調(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的時間效用。

反之則可以想見,在慣量相對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)頻功率可能還來不及調(diào)出就已經(jīng)發(fā)生了頻率崩潰,這種情況下對于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)。

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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)劃運行分析與新技術(shù)應(yīng)用。

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