華北電力大學研究團隊：風儲聯合系統的虛擬慣量需求與協同支撐

　　合理利用風儲聯合系統的能量儲備協同實現虛擬慣量支撐是新能源高滲透安全并網的關鍵。華北電力大學新能源并網課題研究團隊通過分析風電、儲能的虛擬慣性響應特性，建立了風儲系統頻率響應模型，計算了系統慣性響應時間，并以頻率變化率為安全約束，結合系統慣量需求，提出了風儲協同慣性支撐控制策略。

　　研究背景

　　不具備主動頻率支撐能力的新能源占比不斷提高，導致系統慣量水平下降，頻率安全已受到威脅。近年來，在新能源場站規劃中，響應速度快、控制靈活的儲能受到了廣泛關注，成為了輔助新能源調頻的重要設備。在新能源高占比電網中，風機的旋轉動能與儲能的存儲能量均可視為系統慣性支撐的能量儲備。通過風儲協同充分發揮新能源的頻率支撐潛力，將是提升新型電力系統頻率安全的關鍵。

　　論文所解決的問題及意義

　　目前，虛擬慣量控制多以風機轉速為控制目標，并未計算頻率跌落時間這一關鍵參數，導致虛擬慣量評估難度較大，且控制器啟停需依賴頻率變化率，具有造成頻率二次跌落的風險。如何為新能源頻率控制器設計參數，避免其誤動作尚需進一步探討。在風電機組與儲能協同并網支撐模式中，須在虛擬慣量評估的基礎上，及時啟停附加控制，才能可靠提升新能源的頻率支撐性能。

　　論文方法及創新點

　　(1)慣性響應時間計算

　　隨著風電滲透率的提升，系統頻率響應能力逐漸降低，所以系統頻率響應模型中需引入表征風電滲透率的變量。風電滲透率為ρ時，系統頻率響應模型如圖1所示。

圖1 計及風儲的電力系統頻率響應模型

　　將系統典型參數代入模型，即可計算出慣性響應時間大小。當虛擬慣量設置不同時，系統遭受相同擾動后的頻率動態變化特性如圖2所示，由于虛擬慣量增大會減小系統頻率變化率，所以系統的頻率響應時間隨之增加。

圖2 附加虛擬慣性控制時系統的頻率響應

　　(2)系統最小慣量需求評估

　　在低慣性風電高占比系統中，頻率變化率將是衡量頻率安全的關鍵指標。擾動初期，沒有發電機調速器和負荷頻率調節效應，系統頻率取決于慣量大小，此時頻率變化率最大，可依據最大頻率變化率允許值評估得到系統最小慣量需求，評估結果如圖3所示。

圖3 系統慣量需求和最大頻率變化率及擾動功率的關系

　　(3)風儲聯合調頻控制策略

　　為滿足系統最小慣量需求，在慣性響應階段風儲需聯合參與調頻以滿足系統最小慣量需求。其中，在頻率跌落階段，系統慣量不足時，優先考慮風機提供虛擬慣量。當風機出力無法滿足系統最小慣量需求時，儲能啟動虛擬慣性控制滿足系統需求。在頻率恢復階段，將計算所得的慣性響應時間作為風機、儲能慣性響應的閉鎖條件，避免風、儲能吸收功率阻止頻率恢復。

圖4 風儲聯合系統的虛擬慣性協同支撐控制器結構

　　結論

　　為提升風儲聯合系統的慣量支撐性能，本文將慣性響應時間作為虛擬慣性時間的啟停條件，并以系統慣量需求為前提，提出了風儲聯合系統虛擬慣量協同控制策略，合理分配風電場與儲能慣量支撐任務，測試結果表明所提方法能使風儲慣性支撐功率在規定時間內退出，可以減小系統頻率恢復過程中的超調量，有利于系統頻率恢復，調頻效果優于傳統頻率支撐控制。

　　本工作成果發表在2024年第3期《電工技術學報》，論文標題為“風儲聯合系統的虛擬慣量需求與協同支撐”。本課題得到國家自然科學基金項目和中央高校基本科研業務費的支持。