新能源构网控制性能评估与提升-天津大学

6主要研究方向6主要研究方向 6单位与社会服务6研究成果发表SCI/El论文100余篇，ESI前1%高被引论文目录天津大学新能源构网控制新能源构网控制1.新能源构网控制技术背景：新型电力系统的发展与新特征同步电机交流电网异步电机异步电机构网型新能源▲新能源占主导的新型电力系统风能核能石油▲实现《巴黎协定》1.5℃温控目标的不同类型能源发电量[I]效惯量水平降低、频率动态恶化，易触发分布式电源反孤岛保护和低频减载，造成断电电网大断电不是偶然的，是新能源空前发展形成的频率易变主46DG掉线▲2019.8.9英国断电频率图2021202220232024202520262027202820292030消费转型十系统转型一领先发展▲英国电网在未来不同经济背景下的等效惯量变化预测趋势1.新能源构网控制技术背景：电网运行需求TjUns全局局部F₆=E(1)-[R₀(i)-R.]·R国内外电网和标准组织先后出台提出新能源需提供构网控制的新要求构网控制的核心功能一惯量响应亦逐步成为辅助服务市场的新产品天津大学现有新能源构网控制方式分为电流源型和电压源型。电压源型构网控制主张除去锁相环(实际上串联了锁相环)与电流内环(以牺牲电流精准控制与稳定性换取响应速度),必要性?ff一次调频模以五+1yPK缺乏阻尼的锁相环”在多机并联、弱网、电网电压谐波与三相不 转子固有机械动能小惯量(随风速)不确定强存在转子振荡和失速风险附加储能(e.g.超级电容):响应快速、稳定、可控独立于新能源发电动态对新能源动态干扰小能量来源是实现新能源构网控制对电网有效支撑的基础，主要分为：1、减载备用；2、转转子固有机械动能小惯量(随风速)不确定强存在转子振荡和失速风险附加储能(e.g.超级电容):响应快速、稳定、可控独立于新能源发电动态对新能源动态干扰小。减载备用：发电效率低，经济效益差电容储能式新能源通用电容储能式新能源通用2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：设计原理优势无需增加额外换流器设备直流电压变化范围受不足直流电压变化易影响新能源稳定运行量模拟提出的电容储能式新能源构网惯量模拟技术(CINE)I²],通过控制扩大的直流母线电容充放电来匹配同步机惯量机械动能。但存在储能可用能量少、惯量支撑能力差的缺陷。[2]ZhuJ,BoothCD,AdamGP,eta.InertiacmulanionconrostaegyforVSC-HVDCransmisionsystems[J.IEETranscticus技术优势：压变化范围，提高能量利用率接入方式无需修改原有新能源电路与控制不干扰新能源直流母线电压和其他运行状态可应用在各种类型的新能源系统技术优势：压变化范围，提高能量利用率接入方式无需修改原有新能源电路与控制不干扰新能源直流母线电压和其他运行状态可应用在各种类型的新能源系统为解决CINE技术的上述问题，提出了新型新能源通用惯量模拟(GINE)技术，将电容式储能通过双向buck/boost型DC/DC变换器接入新能源直流母线。MPPT控制GINE电路结构定直流母线电压控制2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：控制算法及回路将同步机转子运动方程和电容充放电方程进行联立并积分，将同步机转子运动方程和电容充放电方程进行联立并积分，导出电容电压随系统频率变化的构网惯量模拟控制算法。将算法在DC/DC变换器控制系统内应用，以锁相环检测到的实时电网频率驱动电容式储能的电压参考值，提供了实现同步机外特性的新能源构网惯量响应。同步机转子运动方程电容充放电方程同步机转子运动方程为遵循储能配置最小化原则，推导为遵循储能配置最小化原则，推导了电容式构网控制电容容值的选取方程：模拟的惯性时间常数越大、频率覆盖区间越宽、电容电压可变范围越窄，所需电容容值越大。2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：硬件实现搭建了电容储能式新能源通用构网惯量模拟，分别对电解电容、超级电容两类常见电容式储能开展测试。依照前述DC/DC的控制器中依次注入变化率为±0.2Hz/s的两组斜坡频率测试信号和阶跃幅值为±0.1Hz的两组阶跃频率测试信号。阶跃阶跃斜坡斜坡时间：2s/div▲注入的虚拟频率测试信号▲电容式储能系统实验平台电容值 实测值时间：2s/div时间：2s/div▲电解电容的实验结果电压：2电压：2V/div时间：2s/div目标值实测值时间：2s/div采用电解电容(EC)的GINE构网控制电容直挂直流母线的CINE构网控制2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：电力系统仿真验证为验证GINE对提升系统频率稳定性的有效性，基于PSCAD仿真平▲改进新英格兰10机39节点系统2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：仿真结果天津大学在系统负荷切除10%的工况下，GINE-EC和CINE的惯量响应功率变化相同，均有效减小了系统频率偏移量和变化率；GINE-SC在功率响应特性、频率动态提升效果方面动态性能略有不足。此外，GINE技术避免了CINE技术对新能源直流母线电压的干扰。同步机掉线10%工况下的效果与之类似。RPG，直流母线电压(V)RPG，有功功率(GW)GINE技术避兔RPG，有功功率(GW)GINE技术避兔—GINE-EC2.电容储能式新能源通用构网惯量模拟：仿真结果天津大学持续140ms的三相短路故障导致新能源端电压平均跌落23%。GINE-EC显著削减了系统频率振荡幅度，避免电压跌落引起的换流器电流饱和、直流母线过电压，抑制了同步电机功率骤降。相比之下，GINE-SC的各项性能有待进一步提升。天津大学新能源等效惯量评估构网惯量响应测试里新能源发电%%P₁Pge 等效惯性时间常数评估方法大扰动等效惯性时间常数评估方法2H(4f/d)=AP小扰动准稳态首先确定规范化的不同斜率的测试频率信号，用电网模拟器模拟电网可能出现的多种首先确定规范化的不同斜率的测试频率信号，用电网模拟器模拟电网可能出现的多种RoCoF;由于电网模拟器设定与生成的频率有偏差，需设计测试起止时刻判据，作为算法评估的起止时刻测试频率斜率信号测试起止时刻判据测试起止时刻判据w惯量响应延时： 开始开始N结束Hm(í)=Hmm()+(MED{Hmm-Hm评估三种不同延时的构网响应性能3.基于差分化摇摆方程的新能源等效惯量评估：实验结果(d)高延时惯性时间常数评估结果抵还时鼓终评告站果统计(d)高延时惯性时间常数评估结果抵还时鼓终评告站果统计(e)高廷时最终评估结果统计4.基于超容内阻补偿的新能源构网控制提升技术：技术挑战▲超容结构与等效模型超容被视为理想的构网控制储能类型。然而同常规电容相比，超容为增强电荷存储能力、提高容值，普遍采用比表面积高的多孔碳材料电极和分子直径大的有机系电解液；然而，多孔碳电极的较小孔隙直径和有机系电解液的低电导率也造成超容较大内阻，造成超容充/放电速率减缓，▲超容结构与等效模型高电容值高内阻值4.基于超容内阻补偿的新能源构网控制提升技术：技术挑战实验结果表明，超容惯量响应功率相对于目标阶跃功率呈现出一阶滞后特性，时延可用实验结果表明，超容惯量响应功率相对于目标阶跃功率呈现出一阶滞后特性，时延可用r=RC衡量。且内阻越大，滞后越严重。超容t≈1s,可求得其功率响应时间t≈2.3s,无法满足国标规定04.基于超容内阻补偿的新能源构网控制提升技术：内阻辨识为消除超容内阻对构网动态性能的影响，提出实现快速惯量模拟控制的超容内阻补偿方法为消除超容内阻对构网动态性能的影响，提出实现快速惯量模拟控制的超容内阻补偿方法(R-INEC),在CINE电压参考值基础上附加虚拟负电阻产生的电压补偿，减小超容功率响应时延。氅3▲控制器硬件在环实验平台 ▲控制器硬件在环实验平台优化方法：优化方法：s.t.f(Kc)>(目标1:提高两对特征根中的最小阻尼比目标2:减小超容惯量响应时间实轴(1/s)▲系统特征根随Kc右移 评估三种不同延时的构网响应性能低延时惯量响应测试：设定延时T为0ms中延时惯量响应测试：设定延时T为40ms高延时惯量响应测试：设定延时T为80ms对比5种构网控制评估方法对比能量角度的惯量连续评估方法(COMP1),无延时补偿基于模型辨识的传统评估方法(COMP2),无延时补偿能量角度的惯量连续评估方法(COMP3),有延时补偿基于模型辨识的传统评估方法(COMP4),有延时补偿本文所提方法(DOIE)目标值▲用于内阻在线辨识的功率波形内阻辨识结果：R=t/C=0.231Ω▲响应性能测试波形.基于超容内阻补偿的新能源构网控制提升技术：仿真结果应滞后现象，提升实际功率追踪目标值的速度和准确度，从而更有效地减小了系统的频率变化率减小频率偏差时间(s)时间时间(s)时间(s)不干扰母线电压▲系统负荷切除10%动态特性时间(s) 4.基于超容内阻补偿的新能源构网控制提升技术：仿真结果系统频率振荡幅度，避免换流器电流饱和、直流母线过