高渗透率新能源电网稳定性挑战与演化：从机理揭示到主动抑制

上海電力六学SHWNGHWUNMERSTTYOFELECTR上海電力六学SHWNGHWUNMERSTTYOFELECTR从机理揭示到主动抑制上海电力大学海上风电研究院汇报人：上海电力大学赵晋斌教授、潘超博士上海电力大学海上风电研究院新型电力系统的核心在于新能源占据了主导地位、其演变趋势如下：@工业电厂工不不电力电力电子化①0王其其①4上上小型光伏●中国新能源分布庄n●高比例新能源下的系统大扰动稳定性高比例新能源接入带来的问题西北地区(沙戈荒基地)华北大型风光基地西北地区(沙戈荒基地)华北大型风光基地东部沿海海上风电基地分布式能源多点布局整w::部部题题E三速4t5电压控制电压控制时问尺度功率控制时间尺度电机励磁AGC直流电压控制交流电压控制具有同步功能的功率控制数字处理直流电压控制交流电压控制电力系统电磁智态过程机电暂态过程热动态过程波过程基本动态现象时间电流控制时间尺度有功、无功控制跟网型变流器构网型变流器高次谐波数字处理电流控制电流控制同步发衡量●●构网型变流器，其控制策略所调节的变量囊括有功功率、无功功率、直流电压、交流母线电压、交流输出电流等，变流器内部的动态响应则分布于●跟网型变流器，以THD低于5%,并网点电压稳定为目标实现与电网同步。●对于变流器控制的研究主要集中于电磁暂态与机电暂态时间尺度。其中，电流控制时间尺度、电压控制时间尺度与功率控制时间尺度最具代表性用也会降低系统稳定性锁相环及交流电压控制环的动态交互作用能大学高渗透率新能源电网稳定性挑战与演化：从机理揭示到主宽频振荡问题：当系统呈现“弱特性”后，电力电子设备与受端电网以及距离较近的电力电子设备之间的交互作用会引发“三个层面，五个过程”的振荡问题，危害系统稳定性。电环流排制2017年我国鲁西背靠背直流工程出现Q4稳跳闸。群与串补相互作用广东南澳风电场经柔直并网工程法国-西班牙柔直联网工●单一机电振荡→宽频段振荡：由传统机电机理逐渐扩展到包含电磁环节、电力电子控制器●局部振荡→区域/跨区振荡：振荡由单个设备或电场扩展到整个风电场、直流工程甚至跨国互联系统。●设备层面→系统层面：控制器与电网阻抗耦合引起的新型系统级稳定性问题逐渐突出。●电力电子化：新能源、柔性直流等电力电子设备占比大幅提升。●弱惯量化：同步发电机组减少，系统转动惯量和短路容量下降。●复杂控制：海量控制器的交互作用，参数整定困难。照强照西班牙大停电①第一次振荡前后(约12:15CEST)复至振荡前的水平，反向交易措施失效，随后相角③三次大规模机组脱网(12:32:57-12:33:17CEST)整个事件中，西班牙电网在12:15-12:33短短20分钟■微扰→负阻尼触发→多频模式互激→广域传播→系统性危机(连锁脱网)99高频、随机、能量弱新能源(风/光)功率的秒级、分钟级波动特定频段振荡放大件的混合振荡跨区域、全局性影响某区域新能源场站的振荡引发数百公里外机组的功率波动连锁反应，系统崩溃机理相关)◆来源：源于系统内部的微小、高频扰动，如新能源出力随机波动、负荷投切、控制参数的微调等。◆特点：范围小、能量弱，在传统电网中通常能被系统自行吸收和阻尼。2尊番81a番81+4五事市a3五事市a3微扰阶段的典型特征：●风电扰动：在3s、6s、9s出现瞬时跌落●光伏扰动：在4s、8s出现逆效应功率骤降●整体叠加效应：扰动注入电网后，最大频率偏差-0.0015Hz,电压偏差±0.1%p.u.,远低于系统运行允许值√独立风电与光伏扰动虽存在差异，但相互作用后整体功率曲线仍维持稳定√电网具备微扰动自消纳与抑制能力10◆机理：大量电力电子设备(如逆变器)与电网耦合不良时，在次/超同步、中高频段表现出负阻尼特性。◆表现：不能抑制振荡，反而持续注入能量→小扰动被放大，形成持续振荡。养z一路生me■车偏睡事■车偏睡事2●功率突变：约2~3秒出现突发扰动，触发系统整体振荡。●发电机功角振荡：绿色曲线→小幅周期摆动，源自功率突变冲击。●电压/频率潮流振荡：橙色、紫色曲线→幅值逐渐放大，频率逐步偏移。●电压稳定性恶化：红色曲线→电压支撑逐渐减弱，虽处安全范围，但趋势下滑。多频模式互激◆现象：振荡不再是单一频率孤立存在，而是不同振荡模式之间发生耦合与交互。◆后果：能量在不同频率、不同设备之间传递和叠加→导致振荡模式更复杂、幅值更高、范围更广。●初始扰动：功率突降/机组解列，引发多模态振●区域间振荡：蓝色曲线→0.8Hz,B,B●模态“互激”:底部曲线→不同频段能量相互增广域传播◆传播途径：振荡能量通过输电网络由近向远在地理上快速传播，跨越多个区域和省份◆特征：问题不再局限于单一电厂或局部电网，呈现出系统性、全局性的特征近近●源区扰动：初始扰动发生后，振荡逐步扩展至更远区域。●跨区路径：振荡沿互联线路快速传递，印证了跨区施排施排●传播顺序：呈现“东北最早→/●幅值差异：不同区域振荡幅值虽有差别，但整体波形/◆最终阶段：广域、多模式的剧烈振荡，导致保护装置大规模误动、发电机组和新能源场站连锁脱网结*演化过程：●初始扰动：蓝色曲线→系统出现小幅振荡，逐渐积累。●非线性增长：绿色曲线→振荡幅度持续增大并注入更多能量。●保护动作：橙色曲线→多次保护误动作，部分机组解列但效果有限。●连锁反应：红色/黑色曲线→脱网范围迅速扩大，电压频率大幅下跌。●系统失稳：底部黑色曲线→稳定性指标快速恶化，最终系统全面崩溃。学高渗透率新能源电网稳定性挑战与演化：从●引入相角与幅值双通道调控机制，拓展控制自由●动态调整虚拟惯量、虚拟阻尼与虚拟阻抗，塑造目标输出阻抗特性；kWithoutthecontrol-*Withtcanke(937.5A/div)ioahe(937.5A/div)Q(25MVar/div)Vpea(21875V/div)canke(937.5A/div)ioahe(937.5A/div)EnableSignalTime(100ms/div)Time(20ms/div)基于虚拟惯量、虚拟阻尼和虚拟阻抗的参数协同调控，有效改善变换器输出阻抗特性，提升系统相位裕度与阻抗稳定区间，为后续控制参数重塑与环路解耦奠定基础。Y.Zhang.Y.Wang,D.Zhang,X.ChenandC.Gong,"TransactionsonPowerElectronics,●优化PLL与电流环参数配置，抑制低频段负阻尼效应；●采用超前校正提升关键频段相位裕度；●结合在线频谱监测与参数自适应调整，实现全频段阻抗稳定性增强。90963通过实时阻抗测量、PLL带宽自适应与电流环参数修正，实现了阻抗特性的动态重塑，有效提升弱电网条件下的相位裕度与动态适应性，为环路解耦提供坚实支撑。M.CespedesandJ.Sun,"AdaptiveControlofGrid-ConnectedInvertersBasedonOnlineGridImpedanceMeasurements,"inIEEETransa技术路径三：功率、电压/电流内环的耦合与解耦●外环功率与内环电压/电流耦合是主要风险源；●在弱电网下，微小相位差即可被放大为功率振荡；●通过附加阻尼与虚拟阻抗协同设计，降低环路耦合增益。(20ms格)(40ms/格)(a)L=16.4mH(SCR=2)(b)Lg=24.2mH(采用CCF-SPLL同步结构，实现外环功率与内环电压/电流的有效解耦，缓解传统PLL频率耦合问题，显著提升弱电网与高阻抗条件下的系统稳定裕度，形成全链路的柔性主动抑制能力钱一涛，赵晋斌，马俊清，等.弱电网下基于对称PLL结构的并网逆变器频率耦合消除与稳定性增强