基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22118

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 282-290.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22118

• 双碳背景下灵活性发电技术 • 上一篇下一篇

基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究

刘林¹, 王大龙¹, 綦晓², 周振波¹, 林焕新³, 蔡传卫³

^1.南方电网南方海上风电联合开发有限公司，广东省珠海市 519070
^2.暨南大学能源电力研究中心，广东省珠海市 519070
^3.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东省广州市 510663

收稿日期:2023-05-23 出版日期:2024-04-30 发布日期:2024-04-29
通讯作者: 綦晓
作者简介:刘林(1983)，男，工程师，研究方向为电力系统自动化、海上风电监控系统建设调试和运行，liu_lin145@163.com；
綦晓(1992)，男，博士，讲师，研究方向为高比例新能源电力系统频率控制及优化，本文通信作者，qixiao.jnu@gmail.com。
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(52106244);广东省基础与应用基础研究基金青年项目(2021A1515110016);中央高校基本科研业务费青年项目(21620336)

Study on Double Phase-Locked Loop on the Synthetic Inertia Control of Offshore Wind Farm Frequency Regulation

Lin LIU¹, Dalong WANG¹, Xiao QI², Zhenbo ZHOU¹, Huanxin LIN³, Chuanwei CAI³

^1.China Southern Power Grid Southern Offshore Wind Power Joint Development Co. , Ltd. , Zhuhai 519070, Guangdong Province, China
^2.Energy and Electricity Research Center, Jinan University, Zhuhai 519070, Guangdong Province, China
^3.Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co. , Ltd. , Guangzhou 510663, Guangdong Province, China

Received:2023-05-23 Published:2024-04-30 Online:2024-04-29
Contact: Xiao QI
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52106244);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2021A1515110016);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(21620336)

摘要/Abstract

摘要：

海上风电作为构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分将在沿海城市迅速发展，大规模海上风电并网将大幅削减系统惯量，降低频率抗扰能力。为此，提出基于双锁相环的海上风场综合惯量控制策略。首先，从理论上分析了锁相环对风机虚拟惯量的影响机理，探究了参数变化下风机惯量支撑能力和系统频率响应特性；其次，通过分析锁相环参数变化对风机一次调频能力的消极影响，提出基于变参数-快速双锁相环的海上风场综合惯量调频策略；最后，通过仿真验证所提调频策略的有效性。结果表明，综合惯量控制策略在频率响应快速性、抑制测量噪声等方面均具有显著优势。

关键词: 海上风场, 综合惯量控制, 调频策略, 新型电力系统, 锁相环

Abstract:

To build the new power system with the main body of new energy, the offshore wind farm (OWF) is an important part and has been rapidly developed in coastal cities. However, the large-scale OWFs also reduce the inertia of power systems, which significantly decreases the anti-disturbance capability of system frequency Therefore, a synthetic inertia control strategy for OWF based on dual phase-locked loops (PLL) was proposed. First, the influence mechanism of PLL on virtual inertia of wind turbine was theoretically analyzed for variable parameter PLL. And the variation rule of wind turbine inertia support capacity and system frequency response characteristics with parameter changing PLL was explored. Then, the double PLL based OWF frequency regulation strategy was proposed through analyzing the negative effect of primary frequency regulation characteristics caused by the variable parameter of PLL. Finally, the effectiveness of the proposed frequency regulation strategy was verified though simulations. The results show that the proposed method has significant advantages in frequency response speed and frequency measurement noise suppression.

Key words: offshore wind farm, synthetic inertia control, frequency regulation strategy, new-type power system, phase-locked loop

中图分类号:

TK 89

刘林, 王大龙, 綦晓, 周振波, 林焕新, 蔡传卫. 基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 282-290.

Lin LIU, Dalong WANG, Xiao QI, Zhenbo ZHOU, Huanxin LIN, Chuanwei CAI. Study on Double Phase-Locked Loop on the Synthetic Inertia Control of Offshore Wind Farm Frequency Regulation[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(2): 282-290.

图/表 19

图1 海上风场等值模型

Fig. 1 Model of offshore wind farm

图2 传统PD虚拟惯量控制下的系统频率响应模型

Fig. 2 Frequency response model with traditional PD-based virtual inertial control

图3 IEEE 2机4节点标准模型

Fig. 3 Standard model of IEEE with 2 generators and 4-buses

图4 基于PI的锁相环控制结构框图

Fig. 4 Control structure of PI-based PLL

图5 线性化后的风机控制系统结构图

Fig. 5 Control structure of linearized control system of wind turbine

图6 基于变参数锁相环的等效风机控制框图

Fig. 6 Equivalent control structure of variable parameter PLL-based wind turbine

图7 变参数锁相环伯德图(ki不变，kp增大)

Fig. 7 Bode diagram of variable parameter PLL with certain kiand variable kp

图8 变参数锁相环伯德图(kp不变，ki增大)

Fig. 8 Bode diagram of variable parameter PLL with certain kp and variable ki

图9 基于双锁相环的风机综合惯量调频策略

Fig. 9 Equivalent control structure of PLL-based wind turbine

图10 锁相环参数ki变化下系统频率响应曲线

Fig. 10 Curves of system frequency responses with variation of PLL parameter ki

图11 锁相环参数ki变化下风机功率响应曲线

Fig. 11 Curves of wind turbine power responses with variation of PLL parameter ki

图12 锁相环参数kp变化下系统频率响应曲线

Fig. 12 Curves of system frequency responses with variation of PLL parameter kp

图13 锁相环参数kp变化下风机功率响应曲线

Fig. 13 Curves of wind turbine power responses with variation of PLL parameter kp

图14 不同锁相环控制策略下系统频率响应曲线

Fig. 14 Curves of system frequency responses with different PLL control strategies

图15 不同锁相环控制策略下风机功率响应曲线

Fig. 15 Curves of wind turbine power responses with different PLL control strategies

图16 不同控制策略下的系统测量频率响应曲线

Fig. 16 Curves of power system measurement frequency responses with different control strategies

图17 不同控制策略下的系统实际频率响应曲线

Fig. 17 Curves of power system actual frequency responses with different control strategies

图18 不同控制策略下风机功率响应曲线

Fig. 18 Curves of wind power response with different control strategies

图19 不同控制策略下风机功率变化参考值曲线

Fig. 19 Curves of referenced wind power change with different control strategies

参考文献 28

1	VEERS P， DYKES K， LANTZ E，et al ．Grand challenges in the science of wind energy[J]．Science，2019，366：6464．
2	舒印彪，陈国平，贺静波，等．构建以新能源为主体的新型电力系统框架研究[J]．中国工程科学，2021，23(6)：1-9． doi:10.15302/J-SSCAE-2021.06.003
	SHU Y B， CEHN G P， HE J B，et al ．Building a new electric power system based on new energy sources[J]．Strategic Study of CAE，2021，23(6)：1-9． doi:10.15302/J-SSCAE-2021.06.003
3	刘沅昆，张维静，张艳，等．面向新型电力系统的新能源与储能联合规划方法[J]．智慧电力，2022，50(10)：1-8． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.10.002
	LIU Y K， ZHANG W J， ZHANG Y，et al ．Joint planning method of renewable energy and energy storage for new-type power system[J]．Smart Power，2022，50(10)：1-8． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.10.002
4	程鹏，马静，李庆，等．风电机组电网友好型控制技术要点及展望[J]．中国电机工程学报，2020，40(2)：456-467． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190243
	CHENG P， MA J， LI Q，et al ．A review on grid-friendly control technologies for wind power generators[J]．Proceedings of the CSEE，2020，40(2)：456-467． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190243
5	孙华东，王宝财，李文锋，等．高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究[J]．中国电机工程学报，2020，40(16)：5179-5192．
	SUN H D， WANG B C， LI W F，et al ．Research on inertia system of frequency response for power system with high penetration electronics[J]．Proceedings of the CSEE，2020，40(16)：5179-5192．
6	黄宇昕，倪世杰，赵平，等．海上风电柔性直流系统变惯性协调控制策略[J]．分布式能源，2022，7(6)：1-10．
	HUANG Y X， NI S J， ZHAO P，et al ．Variable inertia coordinated control strategy for offshore wind power flexible DC system[J]．Distributed Energy，2022，7(6)：1-10．
7	房方，梁栋炀，刘亚娟，等．海上风电智能控制与运维关键技术[J]．发电技术，2022，43(2)：175-185. doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22042
	FANG F， LIANG D Y， LIU Y J，et al ．Key technologies for intelligent control and operation and maintenance of offshore wind power[J]．Power Generation Technology，2022，43(2)：175-185． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22042
8	李铮，郭小江，申旭辉，等．我国海上风电发展关键技术综述[J]．发电技术，2022，43(2)：186-197． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22028
	LI Z， GUO X J， SHEN X H，et al ． Summary of technologies for the development of offshore wind power industry in China[J]．Power Generation Technology，2022，43(2)：186-197． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22028
9	鲁宗相，汤海雁，乔颖，等．电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述[J]．中国电力，2018，51(1)：51-58．
	LU Z X， SHANG H Y， QIAO Y，et al ．The impact of power electronics interfaces on power system frequency control：a review[J]．Electric Power，2018，51(1)：51-58．
10	付红军，陈惠粉，赵华．高渗透率下风电的调频技术研究综述[J]．中国电力，2021，54(1)：104-115．
	FU H J， CHEN H F， ZHAO H ．Review on frequency regulation technology with high wind power penetration[J]．Electric Power，2021，54(1)：104-115．
11	WANG X， XIE Z， CHANG Y ．Control of PMSG-based wind turbine with virtual inertia[C]//Proceedings of the 2019 14th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA)．Xi’an：IEEE，China，2019：1302-1306． doi:10.1109/iciea.2019.8833885
12	邢鹏翔，侍乔明，王刚．风电机组虚拟惯量控制的响应特性及机理分析[J]．高电压技术，2018，44(4)：1302-1310． doi:10.13336/j.1003-6520.hve.20180329033
	XING P X， SHI Q M， WANG G ．Response characteristics and mechanism analysis about virtual inertia control of wind generators[J]．High Voltage Engineering，2018，44(4)：1302-1310． doi:10.13336/j.1003-6520.hve.20180329033
13	颜湘武，王德胜，杨琳琳．直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略[J]．电工技术学报，2021，36(15)：3282-3292． doi:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90078
	YAN X W， WANG D S， YANG L L ．Coordinated control strategy of inertia support and primary frequency regulation of PMSG[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2021，36(15)：3282-3292． doi:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90078
14	李少林，王伟胜，张兴．基于频率响应区间划分的风电机组虚拟惯量模糊自适应控制[J]．电网技术，2021，45(5)：1658-1665． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2020.2232
	LI S L， WANG W S， ZHANG X ．Fuzzy adaptive virtual inertia control strategy of wind turbines based on system frequency response interval division[J]．Power System Technology，2021，45(5)：1658-1665． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2020.2232
15	王旭斌，杜文娟，王海风．考虑锁相环动态的直驱风电机组虚拟惯性控制对电力系统小干扰稳定性影响[J]．中国电机工程学报，2018，38(8)：2239-2252． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.172540
	WANG X B， DU W J， WANG H F ．Small-signal stability of power systems as affected by D-PMSG virtual inertia control considering PLL dynamics[J]．Proceedings of the CSEE，2018，38(8)：2239-2252． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.172540
16	赵天扬．虚拟同步发电并网逆变器锁相环拓扑及参数整定[D]．北京：华北电力大学，2018．
	ZHAO T Y ．The topology and parameters configuration of phase locked loop in virtual synchronous generator[D]．Beijing：North China Electric Power University，2018．
17	ZHANG S T， ZHAO J B， CHEN Y ．Grid-friendly characteristics analysis and implementation of a single-phase voltage-controlled inverter[J]．Journal of Power Electronics，2017，17(5)：1278-1287．
18	JINSIK L， EDUARD M， POUL S，et al ．Releasable kinetic energy-based inertial control of a DFIG wind power plant[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2016，7(1)：279-288． doi:10.1109/tste.2015.2493165
19	YAN W H， CHENG L， YAN S J，et al ．Enabling and evaluation of inertial control for PMSG-WTG using synchronverter with multiple virtual rotating masses in microgrid[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2020，11(2)：1078-1088． doi:10.1109/tste.2019.2918744
20	HUANG J K， YANG Z F， YU J，et al ．Frequency dynamic-constrained parameter design of fast frequency controller in wind turbine[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2022：13(1)：31-43． doi:10.1109/tste.2021.3102611
21	周天沛，孙伟．高渗透率下变速风力机组虚拟惯性控制的研究[J]．中国电机工程学报，2017，37(2)：486-496．
	ZHOU T P， SUN W ．Study on virtual inertia control for DFIG-based wind farms with high penetration[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37(2)：486-496．
22	CHEN P W， QI C C， CHEN X ．Virtual inertia estimation method of DFIG-based wind farm with additional frequency control[J]．Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2021，9(5)：1076-1087． doi:10.35833/mpce.2020.000908
23	LIU J， YAO Q， HU Y ．Model predictive control for load frequency of hybrid power system with wind power and thermal power[J]．Energy，2019，172：555-565． doi:10.1016/j.energy.2019.01.071
24	VRDOLJAK K， PERI N， PETROVI I ．Sliding mode based load-frequency control in power systems[J]．Electric Power Systems Research，2010，80(5)：514-527． doi:10.1016/j.epsr.2009.10.026
25	SOCKEEL N， GAFFORD J， PAPARI B，et al ．Virtual inertia emulator-based model predictive control for grid frequency regulation considering high penetration of inverter-based energy storage system[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2020，99：1-1． doi:10.1109/tste.2020.2982348
26	颜湘武，孙颖，李晓宇．基于双馈风力发电场虚拟惯量控制策略优化[J]．华北电力大学学报(自然科学版)，2020，208(6)：46-55．
	YAN X W， SUN Y， LI X Y ．Optimization of virtual inertia control strategy based on doubly-fed wind farm[J]．Journal of North China Electric Power University，2020，208(6)：46-55．
27	HE W， YUAN X， HU J ．Inertia provision and estimation of PLL-based DFIG wind turbines [J]．IEEE Transactions on Power Systems，2017，32(1)：510-521． doi:10.1109/tpwrs.2016.2556721
28	HADJIDEMETRIOU L， KYRIAKIDES E， BLAABJERG F ．A new hybrid PLL for interconnecting renewable energy systems to the grid[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49(6)：2709-2719． doi:10.1109/tia.2013.2265252

[1]	肖白, 赵雪纯, 董光德. 电能质量综合评估方法综述与展望[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 716-733.
[2]	杨捷, 孙哲, 苏辛一, 鲁刚, 元博. 考虑振荡型功率的直流微电网储能系统无互联通信网络的多目标功率分配方法[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 341-352.
[3]	王放放, 杨鹏威, 赵光金, 李琦, 刘晓娜, 马双忱. 新型电力系统下火电机组灵活性运行技术发展及挑战[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 189-198.
[4]	陈皓勇, 黄宇翔, 张扬, 王斐, 周亮, 汤君博, 吴晓彬. 基于“三流分离-汇聚”的虚拟电厂架构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 616-624.
[5]	杜将武, 唐小强, 罗志伟, 刘敦楠, 陈积旭, 徐尔丰, 毕圣. 面向综合能源园区的丰枯电价定价方法[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 261-269.
[6]	董宸, 吴强, 黄河, 章锐, 杨秀媛. 基于免疫算法的电网拓扑结构识别[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 125-135.
[7]	印欣, 张锋, 阿地利·巴拉提, 常喜强, 陈武晖, 李长军, 李雪明, 袁少伟. 新型电力系统背景下电热负荷参与实时调度研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 115-124.
[8]	高骞, 杨俊义, 洪宇, 孙小磊, 朱前进, 俞天, 王鑫, 王琳媛, 李泽森. 新型电力系统背景下电网发展业务数字化转型架构及路径研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 851-859.
[9]	李建林, 丁子洋, 刘海涛, 杨夯. 构网型储能变流器及控制策略研究[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 679-686.
[10]	周博文, 奚超, 李广地, 杨波. 元宇宙在电力系统中的应用[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 1-9.
[11]	徐鹏, 米建宾, 蒙小飞, 谢欢. 基于RTDS的VSC控制参数分环拟合方法[J]. 发电技术, 2020, 41(6): 667-674.

基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究

Study on Double Phase-Locked Loop on the Synthetic Inertia Control of Offshore Wind Farm Frequency Regulation

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

图/表 19

参考文献 28

相关文章 11

编辑推荐

Metrics