华东沿海风电场群电网主动频率支撑策略

doi:10.11930/j.issn.1004-9649.202209011

中国电力 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (11): 49-58, 112.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202209011

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华东沿海风电场群电网主动频率支撑策略

李建华¹(), 曹路¹(), 杨仁炘²(), 邓桢彦²(), 李征²(), 蔡旭²()

1. 国家电网有限公司华东分部，上海　200120
2. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海　200240

收稿日期:2022-09-05 接受日期:2022-12-05 出版日期:2023-11-28 发布日期:2023-11-28
作者简介:李建华（1978—），男，硕士，高级工程师（教授级），从事电力系统建模与仿真、新能源运行控制与管理等研究，E-mail： li_jianhua@ec.sgcc.com.cn
曹路（1971—），男，博士，高级工程师（教授级），从事大电网运行控制与管理等研究，E-mail： cao_l@ec.sgcc.com.cn
杨仁炘（1992—），男，博士，博士后，从事海上风电经柔性直流输电并网的控制与保护等研究，E-mail： frank_yang@sjtu.edu.cn
邓桢彦（1998—），男，博士研究生，从事风电机组的构网型控制及电网主动支撑等研究，E-mail： dengzy@sjtu.edu.cn
李征（1960—），女，博士，教授，从事海上新能源系统建模与并网控制、储能系统应用、智能微电网等研究，E-mail： lizheng@dhu.edu.cn
蔡旭（1964—），男，博士，教授，博士生导师，从事可再生能源功率变换与并网技术、大功率电力电子与电力系统控制等研究，E-mail： xucai@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家电网有限公司华东分部科技项目（华东大规模沿海风电群交直流并网适应性和主动支撑能力研究（主动支撑能力），52080020006A）；国家自然科学基金青年基金资助项目（52107201）。

An Active Frequency Support Strategy for Costal Wind Farms in East China

Jianhua LI¹(), Lu CAO¹(), Renxin YANG²(), Zhenyan DENG²(), Zheng LI²(), Xu CAI²()

1. East China Branch of State Grid Corporation of China, Shanghai 200120, China
2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education (Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240, China

Received:2022-09-05 Accepted:2022-12-05 Online:2023-11-28 Published:2023-11-28
Supported by:
This work is supported by Science & Technology Project of East China Branch of SGCC (Study on Grid-Integration Adaptability and Active Support Capacity of Large-Scale Coastal Wind Farms in East China (Active Support Capacity), No.52080020006A) and National Natural Science Foundation of China (No.52107201).

摘要/Abstract

摘要：

针对华东电网多种运行方式场景下暂态频率响应的特性，提出沿海风电场经交/直流并网的主动频率支撑的自同步电压源控制策略；在此基础上，通过基于PSCAD/EMTDC的华东电网电磁暂态等值模型，给出华东电网在不同新能源占比下的风电场电网支撑能力的要求，以及与常规同步机协同惯量响应的基本规则。仿真结果表明，华东电网在新能源占比高于30%后，风电的惯量响应对电网频率最低点的提升作用明显，随着沿海风电场群容量的快速增长，风电机组提供主动惯量支撑不可或缺；风电机组的虚拟惯性时间常数宜设置在风电机组的物理惯性时间常数附近，在需要参与系统一次调频时，应将风机变桨系统和同步机一次调频的控制进行协同优化才可避免由此产生的频率振荡。

关键词: 风电场, 频率支撑, 惯量响应, 一次调频, 高渗透比

Abstract:

According to the characteristics of transient frequency response of the East China Power Grid under various operation modes, an active frequency support strategy is proposed for coastal wind farms. Through the PSCAD/EMTDC-based electromagnetic transient equivalent model of the East China Power grid, the requirements of the East China power grid on the support capacity of wind farms under different penetration of renewable energy, and the basic rules of collaborative inertia response with conventional synchronous generators are given. The simulation results show that when the penetration of renewable energy in the East China Grid is higher than 30%, the inertia response of wind power plays an obvious role in increasing the frequency nadir of the grid, and with the rapid growth of the capacity of coastal wind farms, it is indispensable for wind turbines to provide active inertia support; the virtual inertia time constant of wind turbines should be set around the physical inertia time constant of the wind turbines; when wind turbines are needed to participate in the primary frequency regulation (PFR), the pitch system control of wind turbines and the PFR control of synchronous generators should be co-optimized to avoid frequency oscillation. This article can provide a useful reference for the power grid operation under high penetration of non-synchronous power sources.

Key words: wind farm, frequency support, inertia response, primary frequency regulation, high penetration

李建华, 曹路, 杨仁炘, 邓桢彦, 李征, 蔡旭. 华东沿海风电场群电网主动频率支撑策略[J]. 中国电力, 2023, 56(11): 49-58, 112.

Jianhua LI, Lu CAO, Renxin YANG, Zhenyan DENG, Zheng LI, Xu CAI. An Active Frequency Support Strategy for Costal Wind Farms in East China[J]. Electric Power, 2023, 56(11): 49-58, 112.

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图/表 17

图 1 基于机侧惯量传递-网侧惯性同步的全功率机组控制示意

Fig.1 Control diagram of the PMSG based on the GSC-side inertia synchronization control and the MSC-side inertia delivery control

图 2 网侧变流器自同步控制

Fig.2 Self-synchronization control of the GSC

图 3 机侧变流器惯量支撑控制

Fig.3 Inertia synchronization control of the GSC

图 4 机侧变流器一次调频控制

Fig.4 Primary frequency regulation of the GSC

图 5 基于直流电压的电网频率波动信息自主传递及风电场惯量响应

Fig.5 Autonomous transmission of grid frequency information and inertia response of wind farm based on DC voltage

图 6 华东电网简化等值模型

Fig.6 Simplified equivalent model of East China Grid

表 1 华东电网等值模型中同步发电机参数

Table 1 Parameters of the synchronous generators in the East China Grid equivalent model

发电机	系统参数	数值
G1	调节系数(p.u.)	0.085
	惯性时间常数H/s	4.3
	汽轮机再热器时间常数T_RH/s	10.0
	汽轮机HP级功率占比F_HP	0.3
G2和G3	调节系数(p.u.)	0.085
	惯性时间常数H/s	4.5
	汽轮机再热器时间常数T_RH/s	10.0
	汽轮机HP级功率占比F_HP	0.3
G4	调节系数(p.u.)	0.085
	惯性时间常数H/s	4.6
	汽轮机再热器时间常数T_RH/s	10.0
	汽轮机HP级功率占比F_HP	0.3
等值G_eq	调节系数(p.u.)	0.092
	惯性时间常数H/s	5.4
	汽轮机再热器时间常数T_RH/s	15.0
	汽轮机HP级功率占比F_HP	0.3

表 2 3种场景下的华东电网电源占比

Table 2 Proportion of the power source of the East China Grid in three scenarios

场景	非常规电源占比/%	常规机组开机容量/GW	传统直流容量/GW	新能源开机容量/GW
场景	非常规电源占比/%	常规机组开机容量/GW	传统直流容量/GW	光伏	风电
1	30	210	60	20	10
2	50	140	60	40	40
3	70	100	60	100	70

图 7 华东电网频率特性

Fig.7 Frequency characteristics of the East China Grid

表 3 风电机组模型参数

Table 3 Parameters of the PMSG model

系统参数		数值
额定容量/MW		2
交流线电压基准值/kV		0.69
直流电压基准值/kV		1.2
直流电容/mF		10
滤波电感/μH		170
滤波电容/μF		466
箱变漏抗/%		10
开关频率/kHz		3
风轮+发电机等效惯性时间常数/s		11

图 8 场景2风电场惯量支撑效果

Fig.8 Inertia response of the wind farm in Scenario 2

图 9 场景2风电场一次调频效果

Fig.9 Primary frequency regulation of the wind farm in Scenario 2

图 10 场景2风电场综合电网频率主动支撑效果

Fig.10 Comprehensive grid frequency support of the wind farm in Scenario 2

图 11 场景3风电场惯量支撑效果

Fig.11 Inertia response of the wind farm in Scenario 3

图 12 场景3风电场一次调频效果

Fig.12 Primary frequency regulation of the wind farm in Scenario 3

图 13 场景3风电场综合电网频率主动支撑效果

Fig.13 Comprehensive grid frequency support of the wind farm in Scenario 3

表 4 风电场群主动频率支撑效果

Table 4 The effectiveness of the active frequency support from the wind farms

H/s	k_f	场景2频率/Hz		场景3频率/Hz
H/s	k_f	最低点	稳定值	最低点	稳定值
0	0	49.396	49.765	48.967	49.664
5	0	49.417	49.765	49.142	49.664
10	0	49.425	49.765	49.158	49.664
15	0	49.430	49.765	49.159	49.664
0	10	49.410	49.822	49.030	49.820
0	20	49.419	49.845	49.046	49.900（振荡）
综合支撑		49.462	49.845	49.312	49.820

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