风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

张峰; 田宇; 丁磊

doi:10.7500/AEPS20220613002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究
- Analytical Solution for Influential Mechanism Model of Virtual Inertia Delay of Wind Power and Its Substitutability Research
- 电力系统自动化 2024年48卷第7期页码：267-276
- 作者机构：
  
  电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东省济南市250061
- 作者简介：
  
  张峰(1983—)，男，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源发电对电网的主动支撑控制。E-mail：fengzhang@sdu.edu.cn
  田宇(1999—)，男，硕士研究生，主要研究方向：双馈风机并网运行控制。E-mail：blwy_ty@163.com
  丁磊(1980—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：智能电网自愈、可再生能源接入。E-mail：dinglei@sdu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2021YFB2400500)
- DOI：10.7500/AEPS20220613002
  中图分类号：
- 收稿：2022-06-13，
  
  修回：2022-12-14，
  
  网络出版：2023-03-03，
  
  纸质出版：2024-04-10
- 稿件说明：
移动端阅览
张峰,田宇,丁磊.风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究[J].电力系统自动化,2024,48(7):267-276.

ZHANG Feng,TIAN Yu,DING Lei.Analytical Solution for Influential Mechanism Model of Virtual Inertia Delay of Wind Power and Its Substitutability Research[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(7):267-276.
张峰,田宇,丁磊.风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究[J].电力系统自动化,2024,48(7):267-276. DOI： 10.7500/AEPS20220613002.

ZHANG Feng,TIAN Yu,DING Lei.Analytical Solution for Influential Mechanism Model of Virtual Inertia Delay of Wind Power and Its Substitutability Research[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(7):267-276. DOI： 10.7500/AEPS20220613002.

摘要

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时，其本质是带延时的快速功率响应，但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时，虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此，提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先，通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节，建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型；其次，基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析，求得系统频率最低点的解析表达式；然后，解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型，并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步，在设定下垂控制参数下，对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系，得出结论：适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量，并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后，建立仿真模型，并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。

Abstract

When wind turbine generators (WTGs) adopt virtual inertia control to participate in grid frequency regulation

its essence is a kind of fast power response with time delay. However

the nonlinear effect of virtual inertia delay on frequency control is still unclear. Meanwhile

the virtual inertia has its inherent disadvantages such as high requirements for frequency measurement accuracy

long time delay

and amplified measurement errors by frequency differential link. Hence

the analytical solution for influential mechanism model of virtual inertia delay of WTGs and its substitutability research approach are proposed. Firstly

considering the delay of virtual inertia and droop control of the WTGs

which are approximately equivalent to the first-order inertia link

a system frequency response model for wind power frequency regulation using virtual inertia and droop control is established. Secondly

based on the Routh approximation method

the high-order model is analyzed by reducing the order

and the analytical expression of the system frequency nadir is obtained. Thirdly

the system frequency response model that only uses droop control for wind power frequency regulation is analytically solved

and the setting method for the droop control coefficient with the same frequency regulation effect as virtual inertia and droop control is given under the frequency nadir index. Further

under the setting of the droop control parameters

the relationship between the key indicators such as the maximum frequency change rate and steady-state frequency in the two control modes is compared. The purpose of replacing the virtual inertia with time delay can be achieved by changing the droop control coefficient appropriately

and the conclusion that the frequency regulation effect is better than that of virtual inertia and droop control can be obtained. Finally

a simulation model is established to verify the correctness of the analysis from the system frequency response dynamics

frequency regulation energy demand

and response power of WTGs etc.

关键词

Keywords

references

徐潇源，王晗，严正，等 . 能源转型背景下电力系统不确定性及应对方法综述［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 16 ）： 2 - 13 .

XU Xiaoyuan ， WANG Han ， YAN Zheng ， et al . Overview of power system uncertainty and its solutions under energy transition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 16 ）： 2 - 13 .

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

张子扬，张宁，杜尔顺，等 . 双高电力系统频率安全问题评述及其应对措施［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

ZHANG Ziyang ， ZHANG Ning ， DU Ershun ， et al . Review and countermeasures on frequency security issues of power systems with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会 . 风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 .

State Administration for Market Regulation ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical specification for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 .

National Grid （Great Britain） . Grid code documents： connection conditions ［EB/OL］. ［ 2022-05-15 ］. http：//www.nationalgrid.com/uk/Electricity/Codes/gridcode/gridcodedocs/ http://www.nationalgrid.com/uk/Electricity/Codes/gridcode/gridcodedocs/ .

张昭遂，孙元章，李国杰，等 . 超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制［J］. 电力系统自动化， 2011 ， 35 （ 17 ）： 20 - 25 .

ZHANG Zhaosui ， SUN Yuanzhang ， LI Guojie ， et al . Frequency regulation by doubly fed induction generator wind turbines based on coordinated overspeed control and pitch control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2011 ， 35 （ 17 ）： 20 - 25 .

VIDYANANDAN K V ， SENROY N . Primary frequency regulation by deloaded wind turbines using variable droop ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 837 - 846 .

ATTYA A B T ， HARTKOPF T . Control and quantification of kinetic energy released by wind farms during power system frequency drops ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2013 ， 7 （ 3 ）： 210 - 224 .

刘彬彬，杨健维，廖凯，等 . 基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制改进方案［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 16 ）： 17 - 22 .

LIU Binbin ， YANG Jianwei ， LIAO Kai ， et al . Improved frequency control strategy for DFIG-based wind turbines based on rotor kinetic energy control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 16 ）： 17 - 22 .

张旭，陈云龙，岳帅，等 . 风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1793 - 1803 .

ZHANG Xu ， CHEN Yunlong ， YUE Shuai ， et al . Retrospect and prospect of research on frequency regulation technology of power system by wind power ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1793 - 1803 .

钟庆昌 . 虚拟同步机与自主电力系统［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 336 - 349 .

ZHONG Qingchang . Virtual synchronous machines and autonomous power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 336 - 349 .

HE W ， YUAN X M ， HU J B . Inertia provision and estimation of PLL-based DFIG wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 510 - 521 .

张武其，文云峰，迟方德，等 . 电力系统惯量评估研究框架与展望［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 20 ）： 6842 - 6856 .

ZHANG Wuqi ， WEN Yunfeng ， CHI Fangde ， et al . Research framework and prospect on power system inertia estimation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 20 ）： 6842 - 6856 .

YE H ， PEI W ， QI Z P . Analytical modeling of inertial and droop responses from a wind farm for short-term frequency regulation in power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 5 ）： 3414 - 3423 .

单煜，汪震，周昌平，等 . 基于分段频率变化率的风电机组一次调频控制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

SHAN Yu ， WANG Zhen ， ZHOU Changping ， et al . Control strategy of primary frequency regulation for wind turbine based on segmented rate of change of frequency ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

颜湘武，王德胜，杨琳琳，等 . 直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

YAN Xiangwu ， WANG Desheng ， YANG Linlin ， et al . Coordinated control strategy of inertia support and primary frequency regulation of PMSG ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

孙华东，王宝财，李文锋，等 . 高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

SUN Huadong ， WANG Baocai ， LI Wenfeng ， et al . Research on inertia system of frequency response for power system with high penetration electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

CONROY J F ， WATSON R . Frequency response capability of full converter wind turbine generators in comparison to conventional generation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2008 ， 23 （ 2 ）： 649 - 656 .

MORREN J ， PIERIK J ， DE HAAN S W H . Inertial response of variable speed wind turbines ［J］. Electric Power Systems Research ， 2006 ， 76 （ 11 ）： 980 - 987 .

陈亦平，卓映君，刘映尚，等 . 高比例可再生能源电力系统的快速频率响应市场发展与建议［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 10 ）： 174 - 183 .

CHEN Yiping ， ZHUO Yingjun ， LIU Yingshang ， et al . Development and recommendation of fast frequency response market for power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 10 ）： 174 - 183 .

HADJIDEMETRIOU L ， KYRIAKIDES E ， BLAABJERG F . A new hybrid PLL for interconnecting renewable energy systems to the grid ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2013 ， 49 （ 6 ）： 2709 - 2719 .

AMRAEE T ， DAREBAGHI M G ， SOROUDI A ， et al . Probabilistic under frequency load shedding considering RoCoF relays of distributed generators ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 4 ）： 3587 - 3598 .

SUN M ， MIN Y ， CHEN L ， et al . Optimal auxiliary frequency control of wind turbine generators and coordination with synchronous generators ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2020 ， 7 （ 1 ）： 78 - 85 .

ANDERSON P M ， MIRHEYDAR M . A low-order system frequency response model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1990 ， 5 （ 3 ）： 720 - 729 .

全锐，潘文霞，刘明洋 . 基于低阶频率响应模型的双馈风电机组下垂系数修正方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 1 ）： 68 - 73 .

QUAN Rui ， PAN Wenxia ， LIU Mingyang . Modification method for droop coefficient of DFIG based on low-order system frequency response model ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 1 ）： 68 - 73 .

孙铭，徐飞，陈磊，等 . 利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

SUN Ming ， XU Fei ， CHEN Lei ， et al . Optimal auxiliary frequency control strategy of wind turbine generator utilizing rotor kinetic energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

HUTTON M ， FRIEDLAND B . Routh approximations for reducing order of linear， time-invariant systems ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 1975 ， 20 （ 3 ）： 329 - 337 .

闵勇，陈磊，姜齐荣 . 电力系统稳定分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2016 ： 188 - 191 .

MIN Yong ， CHEN Lei ， JIANG Qirong . Power system stability analysis ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2016 ： 188 - 191 .

KUNDUR P . Power system stability and control ［M］. New York， USA ： McGraw-Hill Professional ， 2005 ： 271 - 274 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

风电机组两分段下垂调频控制策略及参数整定方法

基于开绕组电励磁同步电机接口的新能源并网系统下垂控制策略

基于频率-转速下垂控制的储能型双馈调相机惯量支撑方法

基于MCC-PCKF的跟网型变流器时变虚拟惯量与状态估计