“雙高”電力系統(tǒng)慣量提升與評估方法

國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 張德政 羅 濤 閆大威 國網(wǎng)天津市電力公司 李 慧 宣文博

1 引言

為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標，以太陽能、風能等清潔能源為主的新能源廣泛接入傳統(tǒng)電網(wǎng)，但這類以并網(wǎng)逆變器為接口的電力電子裝置，本身不能像同步發(fā)電機一樣為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)慣性，隨著高比例接入會使得系統(tǒng)慣量更低，嚴重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。國內(nèi)外學者提出對新能源變流器采用虛擬同步（VSG）控制策略，旨在增強這類“雙高”系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

現(xiàn)有研究中主要有電流源型虛擬同步控制與電壓源型虛擬同步控制兩種虛擬同步控制策略。比利時魯汶大學以及德國克勞斯塔爾工業(yè)大學，先后提出了基于頻率測量電流源型虛擬同步控制方法[2]：在變流器傳統(tǒng)定功率控制的基礎上引入與頻率偏差相關的功率參考值，實現(xiàn)調(diào)頻與慣量支撐功能。該方法控制簡單，無需對控制結(jié)構(gòu)進行大規(guī)模改造，應用非常廣泛，但由于頻率死區(qū)與控制延時的問題，慣量支撐效果不夠及時，且在弱網(wǎng)條件下鎖相環(huán)動態(tài)是很大的影響因素。合肥工業(yè)大學和日本大阪大學等團隊提出的電壓源型虛擬同步控制[3]，基本思想是將變流器等效為電壓源，通過頻率有功環(huán)路生成相角，電壓無功環(huán)路生成變流器輸出電壓，該方法需要改造傳統(tǒng)控制器，但無通信與頻率量測延時等問題，慣量響應速度快，頻率支撐效果好。如何運用電壓源型控制策略有效提升“雙高”系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，且進行這類系統(tǒng)的慣量水平評估是本文的出發(fā)點。

針對電力系統(tǒng)慣量估計，主要依據(jù)是同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程。日本電力工業(yè)中央研究所最早提出基于功率擾動的慣量估計方法，利用頻率測量數(shù)據(jù)和功率擾動量估計系統(tǒng)慣量大小，在此基礎上衍生出多種改進擾動量測量和擾動觸發(fā)時刻的方法。隨著相位測量單元（PMU）和廣域測量系統(tǒng)（WAMS）的廣泛運用，文獻[4]關注在線慣量估計，由數(shù)據(jù)驅(qū)動方式辨識狀態(tài)空間模型，根據(jù)其單位階躍響應估算慣量。文獻[5]利用廣域量測數(shù)據(jù)，基于頻率響應等效模型，通過參數(shù)辨識方法得到系統(tǒng)等效慣量。

針對以上問題，本文提出了一種“雙高”系統(tǒng)的慣量提升方法，并對整個系統(tǒng)進行慣量評估，有效提升了新能源采用傳統(tǒng)控制策略時的低慣量問題，并可以實時了解系統(tǒng)慣量水平，以便于改進火電機組開機方式或調(diào)整新能源控制方式和參數(shù)。

2 慣量提升

在新能源場站參與系統(tǒng)調(diào)頻的場景中，為實現(xiàn)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性指標(如頻率跌落最低點、頻率變化率等)的定制化設計，常對新能源場站采用虛擬慣量控制。當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，新能源場站額外發(fā)出有功功率為：

公式（1）中ΔP為暫態(tài)時新能源場站額外出力，Jvsg表示新能源場站的虛擬慣量，Dvsg表示新能源場站的一次調(diào)頻系數(shù)。由公式（1）可見，暫態(tài)時新能源出力由兩部分構(gòu)成，第一部分與頻率的變化率有關，表征了新能源場站的暫態(tài)瞬時支撐能力；第二部分與頻率的變化量有關，表征了新能源場站的中長期頻率調(diào)節(jié)能力。因此，通過改變Jvsg和Dvsg可改變新能源場站的調(diào)頻效果。

圖1（a）為本文所研究的“雙高”區(qū)域性電力系統(tǒng)，包含傳統(tǒng)同步機組和新能源場站部分。其中，對于區(qū)域內(nèi)的傳統(tǒng)機組結(jié)構(gòu)與控制方式如圖1（b）所示，忽略勵磁機的作用，僅考慮有功頻率控制。ωref為同步機轉(zhuǎn)速參考值，ωsg為機組轉(zhuǎn)速，1/R為一次調(diào)頻系數(shù)，TG為調(diào)速器的延時時間常數(shù)，F(xiàn)HP、TRH、TCH為反映渦輪機特性的參數(shù)，Pe為同步機組電磁功率，Pm為原動機輸出機械功率，H為同步機組慣量。對于新能源場站控制，本文采用電壓源型虛擬同步控制，變流器交流出口經(jīng)過濾波阻抗Rf/Lf與線路阻抗Rline,vsg/Lline,vsg接入PCC點，vt、it為采樣點電壓電流瞬時值；控制上，通過對電壓電流進行采樣，計算VSG當前瞬時有功/無功功率，進入有功無功控制環(huán)路，其中有功頻率控制環(huán)路模擬同步機的慣性與阻尼特性，輸出VSG的相角θvsg；無功電壓控制環(huán)路模擬同步機的勵磁特性，輸出VSG電壓參考值Vref。最后經(jīng)過內(nèi)環(huán)控制及PWM調(diào)制環(huán)節(jié)輸出PWM信號，控制變流器開關管的通斷。圖1（c）中，Pref/Qref為VSG有功/無功功率參考值，Pvsg/Qvsg為VSG有功/無功功率瞬時值，Jvsg和Dvsg分別代表VSG的慣量與阻尼系數(shù)，kQU代表無功-電壓下垂系數(shù)，ωset/Vset取系統(tǒng)頻率/電壓的基準值，ω0為頻率有名基準值。新能源場站采用該種控制，可等效為一臺同步機的運行特性，當系統(tǒng)頻率發(fā)生波動時，將迅速調(diào)節(jié)自身出力，達到調(diào)頻效果，此過程無需任何通信。

下文對比本文所提電壓源型虛擬同步控制和常規(guī)電流源型虛擬同步控制，以說明本文所提慣量提升方法的優(yōu)點。電流源型虛擬同步控制框圖，如圖2所示。控制策略為：通過對變流器并網(wǎng)點電壓進行鎖相，獲得并網(wǎng)點頻率及其變化率，由此計算新能源暫態(tài)支撐功率參考(包含與頻率相關的Pdroop部分和與頻率變化率相關的Pinertia部分)，根據(jù)功率參考值得出dq坐標系下的電流參考，最后經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)和PWM調(diào)制環(huán)節(jié)即可控制新能源的功率輸出。

圖2 電流源型虛擬同步控制

電流源型VSG控制的不足在于：一是需要量測頻率以及頻率變化率，但現(xiàn)有頻率量測手段可能存在通信延時，頻率變化率(尤其是擾動初期的頻率變化率)無法精確獲得，且當頻率信號含有環(huán)境噪聲時，頻率變化率更加失真。這將造成計算Pinertia錯誤；二是為保證誤操作，常對頻率擾動大小設置控制死區(qū)，即在死區(qū)范圍內(nèi)，頻率變化不輸出暫態(tài)功率，這將造成暫態(tài)時新能源調(diào)頻不夠及時，擾動發(fā)生時刻的頻率變化率越限。特別地，在該種控制方式下，傳統(tǒng)基于量測頻率變化率的慣量估計手段不能很好地評估當前的慣量水平。

針對上述問題，本文所提電壓源型VSG控制方式優(yōu)點在于：等效同步機運行方式，無需量測頻率信號，無需對頻率信號進行微分變換，當網(wǎng)側(cè)頻率發(fā)生波動時，將立即調(diào)整自身出力，無控制死區(qū)問題，調(diào)頻的及時性得到了保證，在該種控制方式下，傳統(tǒng)基于頻率變化率的慣量估計手段可以很好地對當前系統(tǒng)慣量水平進行評估，對這類“雙高”系統(tǒng)的慣量估計將在下一節(jié)種具體闡述。

3 慣量估計

對上述含新能源調(diào)頻控制的“雙高”電力系統(tǒng)，可采用圖3所示的慣量估計方法：當區(qū)域內(nèi)的某一節(jié)點發(fā)生功率擾動（負荷電阻為Rload），利用系統(tǒng)受擾后的慣量響應階段T（擾動開始至頻率跌落至最低點的時間段）的擾動功率和頻率數(shù)據(jù)，根據(jù)同步機搖擺方程進行區(qū)域的慣量估計。

圖3 區(qū)域慣量估計總體路線

同步機是一類具有旋轉(zhuǎn)慣性的電力系統(tǒng)元件，在功率擾動的瞬間將依靠自身轉(zhuǎn)子的慣性承擔起系統(tǒng)的不平衡功率，慣量即表現(xiàn)為對外界功率擾動引發(fā)頻率的抵抗作用。電力系統(tǒng)中廣泛運用的同步機慣量估計方法是根據(jù)同步機的轉(zhuǎn)子運動方程，該方程可表示為：

公式（2）中，f為同步機轉(zhuǎn)子頻率實際值，f0為系統(tǒng)頻率額定值，Pm、Pe分別是原動機輸入機械功率和同步機電磁功率的實際值，Sbase為同步機功率基值。

對于由N臺同步發(fā)電機組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)慣性Hsys定義為：

其中，N為系統(tǒng)中發(fā)電機臺數(shù)，Si為各發(fā)電機容量，Hi為各發(fā)電機慣量。從式（1）可以看出，總發(fā)電量和負荷之間的不平衡將導致RoCoF的變化。因此，通過正確測量/計算系統(tǒng)受擾后的RoCoF，可估計系統(tǒng)的等效慣量。

對于已知干擾，例如發(fā)電跳閘、饋線投切，可通過相位測量單元（PMU）測量頻率信號。在大型電力系統(tǒng)中，在不同位置測得的頻率動態(tài)在一定程度上有所不同，這主要是由于發(fā)電機組之間的扭振造成的。因此，慣性中心（COI）頻率的概念對于正確估計慣性至關重要。使用下式計算系統(tǒng)的中心頻率：

其中，N為系統(tǒng)中發(fā)電機臺數(shù)，fi為各發(fā)電機頻率，Hi為各發(fā)電機慣量。在公式（2）以及后面的慣量估計算法中，對于系統(tǒng)頻率均采用公式（4）所示慣量中心頻率進行求解。

當存在功率擾動瞬間，原動機輸入機械功率不變，電磁功率突變，設該部分功率變化為ΔP，則同步機的慣量可表示為：

dΔf/dt即為同步機功率擾動瞬間的頻率變化率（RoCoF），對功率擾動后的同步機頻率關于擾動后時間進行多項式擬合，有如下表達形式：

由公式（6）可知，同步機功率擾動瞬間的頻率變化率即為一次項系數(shù)a1。所以柴發(fā)慣量的估計值為：

由上述分析可總結(jié)出區(qū)域慣量的慣量估計算法，如圖4所示。估計步驟為：首先通過PMU獲取頻率并濾波，下一步是識別電網(wǎng)干擾的開始，這是通過檢查RoCoF并確定是否超出閾值（例如0.04Hz/s）來實現(xiàn)的，若RoCoF未超出設定閾值，則繼續(xù)獲取頻率信號并再次判斷。之后，從確定的擾動時刻開始，對頻率曲線進行多項式擬合。使用固定階數(shù)的多項式擬合方法，獲取一次項系數(shù)a1，最后結(jié)合量測的擾動功率，用公式（7）計算同步機慣量估計值并輸出。

圖4 區(qū)域慣量估計算法

4 仿真驗證

為驗證上述慣量提升方法的有效性和慣量估計的準確性，搭建了IEEE 5機14節(jié)點系統(tǒng)仿真模型，拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，在#5節(jié)點處加入100MW儲能電站，采用如圖1所示的電壓源型VSG控制方法，虛擬慣量Hvsg取6.175，一次調(diào)頻系數(shù)Dvsg取16.67。在#13節(jié)點處施加功率擾動。區(qū)域內(nèi)同步機組的參數(shù)如表1所示。

圖5 仿真系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)（IEEE 14-Bus）

表1 IEEE5機14節(jié)點同步機參數(shù)

4.1 慣量提升方法驗證

為驗證儲能電站采用電壓源型VSG控制時系統(tǒng)慣量提升的有效性，在13節(jié)點處施加額定300MW的擾動功率。對比了儲能電站采用常規(guī)定功率控制和電壓源型VSG控制時的區(qū)域頻率動態(tài)，如圖6所示。

如圖6所示，當新能源場站采用電壓源型虛擬同步控制時，可及時有效地在系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動時參與調(diào)頻，提升系統(tǒng)慣量，提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖6 儲能電站采用不同控制時的頻率動態(tài)

4.2 慣量估計方法驗證

仿真工況為：儲能電站采用本文所述的電壓源型VSG控制，五同步機帶負載運行，#13節(jié)點處施加額定300MW的擾動功率，并通過鎖相環(huán)獲取了節(jié)點的頻率，對擾動發(fā)生后約4s的頻率曲線進行多項式擬合，如圖7（a）、（b）所示。

圖7 頻率曲線與慣量響應階段多項式擬合

通過最小二乘法擬合功率擾動后4s頻率結(jié)果表明：擬合曲線的一次項系數(shù)a1為0.01131；根據(jù)負荷功率曲線，實際擾動功率大小ΔP為150MW，功率基值為900MW。所以柴發(fā)慣量的估計結(jié)果為：

與真值7.0417比較，估計值相對誤差僅為4.6%。由此可見，當新能源場站采用電壓源型VSG控制時，不會受到通信延時和控制死區(qū)的影響，使用多項式慣量估計方法可有效估計當前系統(tǒng)的慣量水平。

為進一步表明慣量估計方法的有效性和準確性，在圖5所示IEEE14節(jié)點系統(tǒng)的不同位置施加不同大小的功率擾動，通過上述算法獲得了頻率變化率和慣量估計結(jié)果，總結(jié)如表2。

表2 慣量估計結(jié)果

由表2可進一步發(fā)現(xiàn)，當擾動發(fā)生于不同位置或擾動大小不同時，采用傳統(tǒng)估計方法均可有效估計IEEE5機14節(jié)點的系統(tǒng)慣量，且估計誤差均在10%以下。進一步說明了本文對于新能源場站采用電壓源型VSG控制以提升系統(tǒng)慣量的有效性和實用性。

5 結(jié)論

本文提出了一種“雙高”電力系統(tǒng)慣量提升方法，并對整個區(qū)域進行慣量水平評估。對于系統(tǒng)內(nèi)的新能源電站，忽略各新能源的差異性，將其等效為具有調(diào)頻功能的并網(wǎng)DC/AC。對其采用了電壓源型虛擬同步控制策略，旨在功率擾動時快速參與調(diào)頻，避免頻率量測通信延時和控制死區(qū)的影響?；谵D(zhuǎn)子運動方程，采用多項式擬合的區(qū)域慣量估計方法，能有效地評估當前新能源參與調(diào)頻時的系統(tǒng)總慣量，有利于設計火電最小開機方式或設計新能源調(diào)頻參數(shù)。