大规模风电经LCC-HVDC送出电网的频率稳定控制策略研究

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在“碳达峰、碳中和”战略目标下,风能因其可再生、无污染和较好经济性成为最具发展前景的新能源之一,由于我国的风电资源与用电中心呈逆向分布特点,大规模风电经电网换相型高压直流(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)送出电网便成为新能源远距离可靠消纳的主要方式。然而,大规模风电经LCC-HVDC送出电网具有低惯量和弱调频能力的特性,送端换流站发生直流闭锁将引发严重高频问题,仅采用传统直流频率限制器(frequency limit controller,FLC)参与盈余功率调制已不能满足送端电网的调频需求,且过度调制可能诱发直流功率过载越限,对送端电网的频率稳定性造成严重威胁。为此,本文充分挖掘风电的可控转子动能和快速功率支援潜力,设计大规模风电经LCC-HVDC送出电网的频率稳定控制策略,具体内容如下:(1)建立了LCC-HVDC、直流FLC以及双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)的数学模型,分析了大规模风电经LCC-HVDC送出电网中直流FLC与风电的控制原理和控制特性;建立了送端电网的频率响应分析模型,分析了不同风电渗透率和FLC控制作用下的送端电网频率响应特性,剖析了送端电网在风电渗透率不断提升趋势下所面临的严重高频切机风险,阐述了风电参与送端电网频率控制的必要性。(2)充分挖掘风电的潜在调频能力,提出了DFIG主动支撑送端电网频率稳定的综合惯量控制策略。首先,分析了DFIG的最大功率跟踪特性,设计了附加虚拟惯量控制,建立了基于虚拟同步控制的双馈风机数学模型;然后,分析了DFIG的转子转速与桨距角控制原理,结合电网一次调频需求,设计了DFIG参与一次调频控制的变转速与变桨距角结合的下垂控制;其次,将两种控制方法进行协同配合,设计了虚拟惯量与一次调频结合的综合惯量控制策略;最后,通过修改后含大规模风电送出的4机11节点测试系统仿真分析表明:所设计的风电综合惯量控制策略能够显著提升送端电网的频率稳定性。(3)兼顾风电调频和直流FLC的调频特点,提出一种风电与FLC参与送端电网调频的协同控制策略。首先,分析直流FLC参与送端电网调频的响应特性,刻画送端电网频率与风电机组功率的下垂关系,设计风电机组变转速与变桨距角相结合的一次调频控制方法;进而建立包括常规机组一次调频、风电下垂控制和直流FLC的频率响应综合模型,结合电网的频率稳定要求,采用灵敏度方法整定风电与直流FLC的调频参数,设计风电-直流FLC协同的调频控制策略;最后,通过修改后的4机11节点测试系统和我国某实际送端电网进行仿真分析表明:所提频率协同控制策略可有效降低高频切机、直流过载运行风险,提高送端电网频率稳定性。
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