大规模新能源并网惯量及调频建模研究

国网新疆电力有限公司 王 衡 李 渝 印 欣 宋朋飞 亢朋朋 杨桂兴

随着新能源并网比例的逐年提高，电力系统安全稳定性受到了前所未有的挑战，研究新能源惯量控制建模方法是当前亟需解决的难题。本文首先分析同步发电机的自然惯量响应规律。基于电流源型和电压源型两种主流虚拟惯量控制方案，分别建立风力发电和光伏单元的虚拟惯量控制模型。最后总结两种控制方案的优点和缺点，为新能源场站惯性及调频技术的后续研究提供了参考思路。

图1 系统频率的动态响应特性

1 新能源并网频率稳定特性规律

大规模风力发电和光伏单元并网导致系统整体惯性下降，当电网受到扰动或故障时，系统频率会面临不同程度的跌落过程。图1所示为不同新能源比例并网方式下系统频率的动态响应特性。

图1中，系统初始频率都设定在50Hz。可以看出，随着新能源并网占比的增加，系统频率最低点越小，基本与正比例函数规律特性拟合，即使理想电网频率也会由于缺少惯量产生一定的跌落。经过系统的动态调节，频率最终平衡于稳定值，且频率动态稳定时间与新能源并网占比成正比。

2 同步发电机的自然惯量响应

通过同步发电机的外特性，使风力发电和光伏单元具备为电网主动提供惯量支撑能力。同步发电机的惯量支撑本质是转子的状态变量(功角、频率)在不平衡转矩下以转子运动方程形式进行自发响应，其外在表现形式为系统频率变化时发电机转子动能以发电机输出电磁功率形式注入电网。通过驱动源自发响应的动态方程为：

式中，w和w0分别为同步发电机的实际角频率和额定角频率；δ为角频率的偏导；Tm、Te和TJ分别为机械转矩、电磁转矩和转子转矩；pm和pe分别为机械功率和电磁功率。可以看出，同步发电机输出旋转磁场和转子速度与系统频率近似相等。

由此，新能源惯量支撑技术就分为两种大类：一种是外特性模拟转子动能转化电磁功率输出的电流源型，一种是机理机制模拟同步机转子运动特性的电压源型。

3 新能源惯量建模方法

3.1 风力发电机的惯量建模方法

电流源型虚拟惯量控制建模方法如图2所示。通过附加频率比例微分虚拟惯量控制，在变流器有功功率外环中增加与系统频率相关的控制环节，使得风电机组能够利用储存在旋转质量中的动能响应系统频率变化，可提供快速有功功率支撑。此建模方式可改善频率二次跌落，延长转子转速恢复时间。

图2 电流源型虚拟惯量建模方式

电压源型虚拟惯量控制建模方法如图3所示。基于同步发电机组转子运动方程把虚拟惯性控制引入风机控制算法中，模拟同步发电机内电势的相位和幅值。转子运动方程表达式为：

图3 电压源型虚拟惯量建模方式

图4 电流源型虚拟惯量建模方式

图5 电压源型虚拟惯量建模方式

可以看出，电压源型虚拟转动惯量由最大功率跟踪控制和虚拟同步控制两个模块组成。最大功率开主要对风力机的启动功率、变桨角补偿和转子速度进行控制，虚拟同步控制主要包括有功-频率和无功-电压两部分组成。其中实际有功功率Pelec和角速度比w0/wpll为模块输入量，转子角速度的积分θr为模块输出量。最后通过矢量合成输出转子实际电压标量Ur，经过虚拟阻抗后输入至转子变换器。

3.2 光伏单元的惯量建模方法

电流源型光伏单元的虚拟惯量建模方法如图4所示。与风电机组类似，通过在参考功率值上附加额外的与系统频率相关的功率调整值，从而在系统频率变化时调整光伏出力提供惯性支撑。

电压源型光伏单元的虚拟惯量建模方法如图5所示。原理也与风电机组的相似，通过引入同步发电机转子机械运动方程，从而引入虚拟转动惯量值，最终实现惯量控制。

4 对比分析

4.1 电流源型虚拟惯量控制技术

机理：外特性模拟转子动能转化电磁功率输出，输出控制电流。

优点：控制结构与传统控制模式类似，工程改造难度低。

缺点：无法在孤岛模式下运行，不能为电网电压提供支撑作用。

4.2 电压源型虚拟惯量控制技术

机理：机理机制模拟同步机转子运动特性，输出内电势的相位和幅值。

优点：在弱电网中具有明显优势，可以在孤岛模式下运行。

缺点：完全改变了变流器的控制结构，工程改造难度大，改造成本高。

在工程实际应用大多采用电流源型的虚拟惯量控制技术，目前研究最多最为成熟的也是电流源型的虚拟惯量控制技术。国网冀北风光储实验基地完成的新能源机组惯量控制改造工程，采用的也正是电流源型的虚拟惯量控制技术；而电压源型虚拟转动惯量控制技术可进一步提升新能源在弱电网环境下的主动支撑能力。通过对新能源虚拟惯量建模方案分析，为新能源场站惯性及调频技术的后续研究提供了参考思路。