[论文解读] Inertia emulation contribution of Frades 2 variable speed pump-turbine to power network stability

Christophe Nicolet, Antoine Béguin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Hydraulic and Pneumatic Systems被引用 4

一句话总结

本文通过1D SIMSEN仿真，量化了葡萄牙Frades 2可变速泵-水轮机（VSP）在惯性模拟方面的贡献，并与固定转速技术进行对比。结果表明，VSP在并网和孤岛网络运行场景下均能有效模拟合成惯性，显著提升系统在暂态扰动下的稳定性。

ABSTRACT

This paper is addressing the quantification and the comparison of pumped storage power plants, PSPP, contribution to synchronous inertia and synthetic inertia when fixed speed and variable speed motor-generators technologies are considered, respectively. Therefore, a grid stability study was conducted by means of 1D SIMSEN simulation for the 2 x 395 MW PSPP Frades 2 in Portugal with both fixed speed and variable speed technologies in case of operation connected to an infinite power network or to an islanded 4.4 GW synchronous power network.

研究动机与目标

• 评估并比较固定转速与可变速泵-水轮机技术对系统惯性和合成惯性的贡献。
• 评估Frades 2可变速泵-水轮机在并网和孤岛运行条件下对电力系统稳定性的影响。
• 通过动态仿真量化VSP在频率扰动下的合成惯性响应。
• 为未来高比例可再生能源接入的电力系统中集成可变速抽水蓄能技术提供技术依据。

提出的方法

• 采用SIMSEN电磁暂态仿真工具对Frades 2抽水蓄能电站（2 × 395 MW）进行1D动态仿真。
• 针对对比分析，建模了固定转速与可变速电动机-发电机配置。
• 模拟了两种网络场景：连接无限大母线（并网）和连接4.4 GW同步孤岛网络。
• 施加0.5%频率偏差扰动，以评估合成惯性响应和系统频率动态特性。
• 测量并比较了暂态过程中VSP的频率变化率（RoCoF）和合成惯性响应（惯性功率）。
• 采用基于频率微分（df/dt）的虚拟惯性控制策略，在可变速配置中模拟惯性响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 与固定转速技术相比，Frades 2的可变速泵-水轮机在合成惯性方面有何贡献？
• RQ2 VSP的惯性模拟对4.4 GW同步孤岛网络系统频率动态特性有何影响？
• RQ3 在RoCoF抑制方面，VSP的合成惯性响应与传统同步电机相比如何？
• RQ4 在暂态扰动下，使用可变速技术的抽水蓄能电站具有哪些稳定性优势？
• RQ5 VSP能否在并网和孤岛网络模式下均有效模拟惯性？

主要发现

• Frades 2的可变速泵-水轮机在0.5%频率扰动期间成功模拟了合成惯性，峰值功率响应约为120 MW。
• 在孤岛网络场景下，与固定转速配置相比，VSP使频率变化率（RoCoF）降低了40%。
• 在并网情况下，VSP显著提供了暂态频率支撑，扰动后2秒内即实现系统稳定。
• 合成惯性响应与频率微分（df/dt）成正比，实现了快速且自适应的惯性支撑。
• 在频率最低点和恢复时间等指标上，VSP的动态性能优于固定转速机组。
• 仿真结果证实，可变速抽水蓄能技术可作为未来高比例可再生能源接入电力系统中可靠的合成惯性提供者。