一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法。本发明专利技术采用的技术方案为：分析风机的频率响应特性，通过对风机增加虚拟惯量控制模仿同步机组的惯性响应能力；分析受到负荷突变时风电并网系统的频率响应特性，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型；然后根据风电并网系统的频率响应模型得到频率降(升)到最低(高)点时所需的惯性响应时间。本发明专利技术可对附加虚拟惯量控制后的风电并网系统的惯性响应时间进行量化计算。本发明专利技术可评估出不同虚拟惯量控制系数下的惯性响应时间，为系统频率响应提供可靠的支撑数据。系统频率响应提供可靠的支撑数据。系统频率响应提供可靠的支撑数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法


[0001]本专利技术涉及风电并网系统
，特别是涉及一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法。

技术介绍

[0002]大规模的风电接入使得电网内传统机组占比减小，惯性水平降低，电网的频率稳定性面临严重挑战。系统中通过对风机附加虚拟惯量控制可以模拟同步发电机的惯性响应能力，从而提高系统频率稳定性；未附加虚拟惯量控制时，系统的惯性响应时间几乎不随着风电渗透率的变化而变化，附加虚拟惯量控制后，不同附加虚拟惯量控制系数下的系统频率响应过程不同，对应的频率响应过程中的惯性响应时间也不同。
[0003]因此，如何计算出附加惯性响应后频率响应过程中的惯性响应时间成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，可对附加虚拟惯量控制后的风电并网系统的惯性响应时间进行量化计算，为系统频率响应提供可靠的支撑数据。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其包括：
[0006]步骤1，分析风机的频率响应特性，通过对风机增加虚拟惯量控制模仿同步机组的惯性响应能力；
[0007]步骤2，分析受到负荷突变时风电并网系统的频率响应特性，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型；
[0008]步骤3，根据风电并网系统的频率响应模型得到频率降(升)到最低(高)点时所需的惯性响应时间。
[0009]可选的，所述步骤1，分析风机的频率响应特性，通过对风机增加虚拟惯量控制模仿同步机组的惯性响应能力，具体包括：通过对风电机组的有功控制部分引入系统频率变化信号，通过快速有功调节释放或吸收能量，使其虚拟出转动惯量，参考同步发电机旋转动能的定义，当风机的转子转速发生变化，机组释放或吸收的旋转动能可表示为：
[0010][0011]式中，J
w
表示风电机组的固有转动惯量；ω
s
表示同步发电机的角速度；ω
r
表示风力机的转子角速度；J
vir
为风电机组的虚拟转动惯量，表示为
[0012][0013]式中，Δω
r
为风机转速变化量，Δω
s
为同步发电机转速变化量，λ为转速调节系
数，ω
r0
为风机初始电角速度，ω
e
为同步发电机的角速度。
[0014]可见，在虚拟惯性控制过程中，变速风电机组可以根据电网需求设置转速调节系数λ，当系统有效惯量低于4s时，设置λ>>1，虚拟出比同步发电机更大转动惯量，避免频率突变。
[0015]可选的，所述步骤2，分析受到负荷突变时风电并网系统的频率响应特性，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型，具体包括：以短时频率跌落为例，分析风电并网系统的频率动态响应特性：
[0016]扰动开始时刻时刻t0，若发生功率扰动，如负荷突增时，系统频率将出现大幅度跌落，系统内的同步发电机组、风电机组均应快速响应频率变化，通过多源快速有功功率支撑补偿系统的功率需求。
[0017]t0～t
nadir
阶段为惯量响应阶段，风机通过附加虚拟惯量控制分担同步机承担的不平衡功率，从而减缓系统频率跌落速度，避免频率变化率过快导致系统频率跌幅过大，增加新能源机组脱网的概率。
[0018]t
nadir
～t
p
阶段：t
nadir
时刻，频率跌倒至最低点，t
nadir
时刻之后，系统频率开始恢复，频率变化率由负值(df/dt<0)变为正值(df/dt>0)；在频率恢复稳定之前，要求风机的出力方向始终不发生改变，但风机若采用微分环节进行虚拟惯量控制，在频率恢复阶段，风机的惯性响应出力与系统需求相反，将在虚拟惯量控制下吸收功率，增加了同步发电机的调频负担，会造成频率恢复缓慢甚至二次跌落，t
p
表示一次调频结束时刻。
[0019]在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型：
[0020][0021]式中，H为同步机的惯性常数，Δf(t)为在t时刻的频率值，ΔP
M
为同步机功率响应信号，ΔP1为风机功率响应信号，ΔP
L
为系统的负荷扰动量，D为单位调节功率系数。
[0022]可选的，所述步骤3，根据风电并网系统的频率响应模型得到频率降(升)到最低(高)点时所需的惯性响应时间，具体包括：将系统遭受扰动后，频率由初始值跌落或抬升至频率偏差达到最大值需要经历的时间定义为惯性响应时间，根据风电并网系统的频率动态响应计算模型，可得到系统的频率响应动态方程如下式所示。
[0023][0024]式中，D为系统负荷频率调节效应系数，ρ表示为风电渗透率，R
G
为调速器的调差系数，F
H
为涡轮机特征系数，0＜F
H
＜1，T
R
为汽轮机的再热器时间常数，ΔP
d
为系统初始过负载。
[0025]将上式整理进行拉普拉斯计算并化简可得频率偏差Δf(s)与时间t的关系式如下
式所示
[0026][0027]其中：
[0028][0029]进行反拉普拉斯逆变换可得频率响应的时域表达式：
[0030][0031]其中：
[0032][0033]进行求导可得风电并网系统参与调频的惯性响应时间t
nadir
为：
[0034][0035]可知，风电并网系统的惯性响应时间和参数w
n
和ε两者有关，当风电并网系统中其他参数一定时，风电并网系统的惯性响应时间随着风机的附加控制器参数变动而变动，为了研究虚拟惯量控制对风储联合系统的惯性响应时间的影响，改变k1和风电渗透率ρ的数值并作图，在ρ一定时，惯性响应时间和k1的关系近似成一次函数，将其拟合，惯性响应时间的表达式可得：
[0036]t
nadir
＝a
·
k1+b
[0037]式中，a、b的取值与风机附加下垂控制系数k1和风电渗透率ρ有关，当ρ一定时，a、b为定值。
[0038]当附加虚拟惯量控制器参数给定时，可得到风电并网参与调频的惯性响应时间的具体值。
[0039]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0040]本专利技术在系统发生负荷扰动而导致频率变化时，通过对风机增加虚拟惯量控制模仿同步机组的惯性响应能力，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型，然后根据风电并网系统的频率响应模型得到频率降(升)到最低(高)点时所需的惯性响应时间。本专利技术可对
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，包括：步骤1，分析风机的频率响应特性，通过对风机增加虚拟惯量控制模仿同步机组的惯性响应能力；步骤2，分析受到负荷突变时风电并网系统的频率响应特性，建立含虚拟惯量控制参数的风电并网系统频率响应模型；步骤3，根据风电并网系统的频率响应模型，计算得到频率降到最低点时所需的惯性响应时间及频率升到最高点时所需的惯性响应时间。2.根据权利要求1所述的基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，步骤1的具体内容包括：通过对风电机组的有功控制部分引入系统频率变化信号，通过快速有功调节释放或吸收能量，使其虚拟出转动惯量，参考同步发电机旋转动能的定义，当风机的转子转速发生变化，机组释放或吸收的旋转动能E
kw
表示为：式中，J
w
表示风电机组的固有转动惯量；ω
s
表示同步发电机的角速度；ω
r
表示风力机的转子角速度；J
vir
为风电机组的虚拟转动惯量。3.根据权利要求2所述的基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，风电机组的虚拟转动惯量J
vir
表示为：式中，Δω
r
为风机转速变化量，Δω
s
为同步发电机转速变化量，λ为转速调节系数，ω
r0
为风机初始电角速度，ω
e
为同步发电机的角速度。4.根据权利要求3所述的基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，在虚拟惯性控制过程中，变速风电机组根据电网需求设置转速调节系数λ，当系统有效惯量低于4s时，设置λ>>1，虚拟出比同步发电机更大转动惯量，避免频率突变。5.根据权利要求1所述的基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，步骤2的具体内容包括：在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，建立含虚拟惯量控制参数的频率响应模型：式中，H为同步机的惯性常数，Δf(t)为在t时刻的频率值，ΔP
M
为同步机功率响应信号，ΔP1为风机功率响应信号，ΔP
L
为系统的负荷扰动量，D为单位调节功率系数。6.根据权利要求5所述的基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法，其特征在于，步骤2中，以短时频率跌落为例，分析风电并网系统的频率动态响应特性：扰动开始时刻时刻t0，若发生功率扰动，如负荷突增时，系统频率将出现大幅度跌落，系统内的同步发电机组、风电机组均应快速响应频率变化，通过多源快速有功功率支撑补偿系统的功率需求；
t0～t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄弘扬，彭琰，马骏超，熊鸿韬，王晨旭，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：