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前亟需解決的難題。本文首先分析同步發(fā)電機的自然慣量響應(yīng)規(guī)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(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)點和缺點，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，當電網(wǎng)受到擾動或故障時，系統(tǒng)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(wǎng)方式下系統(tǒng)頻率的動態(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?，隨著新能源并網(wǎng)占比的增加，系統(tǒng)頻率最低點越小，基本與正比例函數(shù)規(guī)律特性擬合，即使理想電網(wǎng)頻率也會由于缺少慣量產(chǎn)生一定的跌落。經(jīng)過系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)，頻率最終平衡于穩(wěn)定值，且頻率動態(tài)穩(wěn)定時間與新能源并網(wǎng)占比成正比。

2 同步發(fā)電機的自然慣量響應(yīng)

通過同步發(fā)電機的外特性，使風(fēng)力發(fā)電和光伏單元具備為電網(wǎng)主動提供慣量支撐能力。同步發(fā)電機的慣量支撐本質(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)子運動方程形式進行自發(fā)響應(yīng)，其外在表現(xiàn)形式為系統(tǒng)頻率變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)子動能以發(fā)電機輸出電磁功率形式注入電網(wǎng)。通過驅(qū)動源自發(fā)響應(yīng)的動態(tài)方程為：

式中，w和w0分別為同步發(fā)電機的實際角頻率和額定角頻率；δ為角頻率的偏導(dǎo)；Tm、Te和TJ分別為機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩；pm和pe分別為機械功率和電磁功率?？梢钥闯觯桨l(fā)電機輸出旋轉(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)子動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運動特性的電壓源型。

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)電機組能夠利用儲存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中的動能響應(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。基于同步發(fā)電機組轉(zhuǎn)子運動方程把虛擬慣性控制引入風(fēng)機控制算法中，模擬同步發(fā)電機內(nèi)電勢的相位和幅值。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)力機的啟動功率、變槳角補償和轉(zhuǎn)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(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)子實際電壓標量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)電機組的相似，通過引入同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械運動方程，從而引入虛擬轉(zhuǎn)動慣量值，最終實現(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)

機理：外特性模擬轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化電磁功率輸出，輸出控制電流。

優(yōu)點：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：無法在孤島模式下運行，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)

機理：機理機制模擬同步機轉(zhuǎn)子運動特性，輸出內(nèi)電勢的相位和幅值。

優(yōu)點：在弱電網(wǎng)中具有明顯優(yōu)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(jié)構(gòu)，工程改造難度大，改造成本高。

在工程實際應(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(shù)；而電壓源型虛擬轉(zhuǎn)動慣量控制技術(shù)可進一步提升新能源在弱電網(wǎng)環(huán)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(diào)頻技術(shù)的后續(xù)研究提供了參考思路。