风电场虚拟惯性控制影响电力系统功角稳定性机理研究

Grid codes in many countries request grid-connected wind farms to provide frequency support. For this the virtual inertia control of wind farms has recently attracted worldwide interests of many researchers and engineers. Virtual inertial control enables wind farms to take part in frequency regulation of a power system. At the same time, it will change the inertial distribution of the power system and make it possible for the wind farms and synchronous generators to interact during the electromechanical transient of the powers system. Thus power system angular stability will be affected by the virtual inertial control of wind farms inevitably. This project proposes to investigate how and why the virtual inertial control of wind farms influences power system angular stability. The focus of study will be in two folds: (1) Inherent difference and its physical explanation of inertial response obtained by wind farms from the virtual inertial control with that of a synchronous generator; (2) Dynamic interaction among the virtual inertia control of wind farms and with synchronous generators. The aim of the project is to reveal the mechanism of power system angular stability as affected by the virtual inertial control of wind farms. It is expected that the results obtained by the proposed project will contribute to the guidance and technical support for the safe and reliable grid integration and transmission of large-scale wind power.

风电场虚拟惯性控制可以满足风电并网导则对并网风电场提供调频的要求，是目前风电并网控制研究领域中在国际上受到广泛关注的前沿课题。风电场虚拟惯性控制在赋予风电场惯性响应功能的同时，将改变电力系统中发电机的惯性分布，为风电场之间以及与同步机在系统机电暂态过程中的动态互动提供了条件，从而影响系统的功角稳定性。本项目提出对风电场虚拟惯性控制影响电力系统功角稳定性机理展开系统、深入的研究，重点解决二个科学问题：（1）风电场由虚拟惯性控制获得的惯性响应与同步机惯性响应的本质差异；（2）由虚拟惯性控制引起的风电场之间以及与同步发电机的动态互动规律。从而揭示风电场虚拟惯性控制影响电力系统功角稳定性的机理，为大规模风电安全、可靠接入和输送提供理论指导和技术支撑。

风电虚拟惯性控制在赋予风电惯性响应功能的同时，将改变电力系统中发电机的惯性分布，为风电场之间以及与同步机在系统机电暂态过程中的动态互动提供了条件，从而影响系统的功角稳定性。本项目研究分为三个阶段进行。首先，为深入研究风电虚拟惯性控制影响电力系统功角稳定性的机理，首先分析了风电接入对电力系统稳定性的影响，提出因素分解法，指出了风电通过潮流和动态交互两个因素来影响电力系统稳定性。研究发现当并网风机的某个开环振荡模式与电力系统的一个开环机电振荡模式在复平面上较为接近时，这种开环振荡模式谐振将导致并网风机与电力系统之间出现强动态交互，通常弱惯性的并网风机将可能对电网呈现出强惯性，将对电力系统的稳定运行带来的重大隐患。在第二阶段，建立了风电虚拟惯性控制和电网间动态交互的数学描述，通过考虑风机换流器控制特性影响，分析了风电虚拟惯性控制向电力系统低频功率振荡提供阻尼，并通过时域仿真对风电虚拟惯性控制影响系统功角暂态稳定性的机理进行了分析验证。当开环风机模式和机电模式位置接近时可能引发开环模式谐振，风机和系统间交互作用较强，且附加虚拟惯性控制将进一步加强这种交互作用，并对系统稳定性产生较大影响。在最后阶段，研究了虚拟惯性控制的扩展形式-虚拟同步机控制对电力系统稳定性的影响。针对含多个虚拟同步机控制的风电并网系统，建立了虚拟同步机之间以及和同步机间动态互动的数学描述，采用阻尼转矩法分析了风电接入对电力系统机电振荡的影响机理并进行了论证。当虚拟同步机控制子系统的开环模式与交流子系统的机电振荡模式或者与另一个虚拟同步机控制子系统的开环模式接近时，子系统间将产生强动态交互过程，导致闭环模式相互排斥，降低系统机电振荡模式的阻尼甚至引发机电振荡。