新型电力系统多场景构网控制技术研究及应用-国电南京 邹宇

国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司研究背景中国华电集团有限公司2023年6月2日，国家能源局组织发布《新型电力系统发展蓝皮书》。明确新型电力系统内涵：以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为坚强支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统，是新型能源体系的重要组成和实现“双碳”目标的关键载体。新能源装机和发电量占比(%)新型电力系统发展蓝皮书主要任务最大化消纳新能源502023年底2024年底2023年底装机容量占比□发电量占比装机容量占比□发电量占比中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司分类发展趋势面临问题集中式将以大规模新能源基地建设为主，主缺乏同步发电机支撑，频率电压稳定问题突出新能源要通过特高压直流输电送至负荷中心分布式新能源将以负荷为中心，采用微电网、与大电网的联络容量有限，有的直接采用离网模式运行(在并离网切换或离网运行时承受故障扰动能力弱、高比例分布式电源导致的电能质量变差)美不胜收HA中国华电集团有限公司3构网技术对新型电力系统起稳定支撑作用新能源发电储能以定功率为主要控制模式升级改造具备同步发电机相似的并网特性电源类型构网技术为电网提供频率电压支撑国电南京自动化股份有限公司构网原理探讨中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司1构网型电源的目标与关键特性目标目标构网型电源(包括同步发电机)站在工程实际角度尽量逼近①恒频恒压当外部负载发生变化时，可以瞬时响应负载需求，并维持内电势频率、电①频率、电压调节快②容量无穷大可以满足任意大负载的需求没有内阻，端口电压幅值与内电势相同，不会随负载变化而变化③短路容量大雄中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司电压调节电压调节频率调节功率响应频率调节功率响应同步机同步机■转子绕组次暂态特性，可以维持内部次暂态电压幅值不变可以瞬时响应外部负载功率的变化构网型变流器构网型变流器■在外部负载发生变化时，构网型变流器的频率由软件控制决定，可以维持不变存在一定的控制延时，并非瞬时响应中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司电压调节频率调节电压调节频率调节功率响应功率响应同步机同步机■若外部负载变化的是有功功率，机械功率和电磁功率将存在不平衡，若不附加其他控制，■惯性时间常数由机械特性决定，通常8s左右，整个频率调节动态过程时间通常需要几十秒构网型变流器构网型变流器中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司频率调节频率调节■由于暂态电势的内阻抗较大，响应负载变化后会，机端电压会存在较大的幅值偏差，因此■若外部负载变化的是无功功率，依靠电压-电流双环控制即可满足无功负载需求。■与同步机内阻抗较大的问题不同，构网型变流器内阻抗太小，容易在多机并联时产生过大中国华电集团有限公司两个电压源间的互阻抗两个电压源间的有功环流罐自同步原理负反馈机制Pi₂↑同步机的转子运动特性同步机特性：P下垂特性：同步机特性：P下垂特性：P₂中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司自同步特点可实现无限并机自同步特点关键在于利用了电网阻抗呈感性特点。同步机：暂态电抗约0.3p.u.,即便机端并机也有足够电抗来实现自同步。可实现无限并机自同步特点中国华电集团有限公司中国华电集团有限公司■承受短时高倍过载电流的部件是定子绕组和转子绕组，过载能力很强■但是，在故障暂态过程中呈现的内阻抗主要为暂态电抗，标幺值一般为0.3左右，阻抗偏大，因此同步机短路容量主要受限于内部阻抗■承受短时高倍过载电流的部件是开关器件，过载能力弱■实际内阻抗很小，暂态过程中对外呈现的内阻抗通常由虚拟阻抗调节，因此，构网型变流器短路容量主要受限于过载能力从构网型电源的核心需求出发，思考构网型变流器的主要功能和关键指标构网型变流器没有强调惯量、阻尼等功能和指标，主要原因：构网型变流器响应快无限扩容响应快无限扩容短路容量大2惯量和阻尼只是频率响应频率响应电压响应自同步稳定故障暂态支撑过程中的过渡状态，不便于检测；频率响应电压响应自同步稳定故障暂态支撑有功响应时间频率调节时间适应范围无功响应有功响应时间频率调节时间适应范围无功响应时间时间短时过载能力国电南京自动化股份有限公司三、构网技术多场景应用研究中国华电集团有限公司GUODIANNANJINGAUTOM29附压站红沙岗电┌水源金武换流站至浙江3丹压法健梁异法2盈法4*压站_组■新能源装机占比高，缺少同步机机组支撑，以沙戈荒大基地为例，其中火电机组占比约为■外送主要依靠特高压直流输电，特高压直流输电的故障扰动是系统稳定运行的主要威胁。中国华电集团有限公司场景一：大规模新能源基地场景一：大规模新能源基地构网技术应用：抑制宽频振荡宽频振荡重要风险源：特高压直流输电、弱电网、火电机组轴系、跟网型电源的锁相环控制等1取消了锁相环控制环节，减少了振荡风险源；2提升了系统频率电压强度，将弱电网改造为强电网，进一步减少了振荡风险源。中国华电集团有限公司场景一：大规模新能源基地构网技术应用：提高暂态稳定性动电网电压大量无电网电压时间功盈余暂态过电压新能源脱网时间-----弱电网低高穿控制响应滞后低高穿控制响应滞后电压支撑恒功率输出电压支撑恒功率输出低穿响应滞后特性输送功率短时中断(100ms)频率越限输送功率短时中断(100ms)频率越限中国华电集团有限公司构网型电源作用构网型电源作用在特高压直流发生换相失败时，主动响应系统有功、无功需求的变化，抑制暂态过电压和频率快速上升的问题。3倍过载能力基本能应对暂态过电压问题。主要原因：存在电流内环控制结构，电压控制处于外环，响应时间较慢。■采用小容量、模块化变流器，提高开关频率，进而提高各个控制环路响应时间；20■取消电流内环控制架构，采用直接电压控制，实现几乎瞬时的电压响应。中国华电集团有限公司CHINAHUADIANCORPORAT场景主要特点：■电源以风电、光伏为主，内部一般没场景主要特点：■电源以风电、光伏为主，内部一般没有同步发电机组。■系统总体容量大，电压等级高，最高电压等级一般为220kV。■为提高系统供电可靠性，需考虑离网运行模式。有的应用场景为独立的区域电网，如离网制氢。2#风电场355MW蒙能热电厂2#汇集站110AV规划线路4#风电场50CV公用变电站200MW22WV公用交电站2#光伏场明登110kV站互红座湾22V站220WV用户变电站200MW220AV规划公用站2306V规划用户站11CV公用变电站110KV视划公用站光伏场1#风电场企中国华电集团有限公司场景二：源网荷储区域电网构网技术应用：支撑离网稳态运行问题描述1离网运行需要足够容量电压源支撑频率电压，以应对新能源和负荷功率波动；2总体容量较小，新能源和负荷随机波动容量占比大，对频率扰动大，传统大电网设计的一次调频、二次调频的响应时间要求若直接照搬，可能存在频率波动较大的问题。以电压源模式提供频率电压支撑，并可实现无限制的并机扩容罐中国华电集团有限公司场景二：源网荷储区域电网构网技术应用：支撑离网稳态运行构网型电源一次调频响应时间较慢，导致二次调频调节周期不能过快，进而导致系统频率波动较大。主要原因：虚拟同步机技术模拟了惯量环节，导致频率过渡到稳态的时间较长。■直接采用下垂控制模式；■保留惯量响应环节，但弱化惯量响应概念，不对惯性时间常数提要求，通过各环节参数优化，提高一次调频响应时间。考6P6P比例+惯性环节DD电压电流电压电流下垂控制与虚拟同步机控制有功-频率部分对比图中国华电集团有限公司离网运行发生短路故障时，2在故障清除后立即恢复保护压,源在电网故障期间提供频准确、可靠地识别故障并:构网型电源作用3倍短时过载能力，基本能应对源侧单相短路和负荷侧三相短路故障电流支撑需求中国华电集团有限公司GUODIANNANJINGAUTOM故障发生构网模式动态虚拟阻抗限流过载能力有限，不能应对所有故障情况的短路电流支撑需求否电流是否超过限值是■配合快速黑启动功能尽快恢复供电；■■配合快速黑启动功能尽快恢复供电；■研究电网故障过程中的多模式平滑切换控制策略，利用跟网模式躲过严重故障，并在故障清除后立即恢复构网模式。否快速检测故障是否清除否是平滑切换构网模式中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司场景二：源网荷储区域电网构网技术应用：快速黑启动当内/外部电网故障导致区域电网停电时，需尽快黑启动，减少负荷停电时间，降低新能源发电损失。构网型电源作用作为黑启动电源，建立区域电网的频率电压。中国华电集团有限公司构网型电源承受励磁涌流的能力有限，不能先启动电源，再投变压器，只能用构网型电源带着区域电网的主网架进行零起升压，但是单个构网型电源容量小，无法带动整个区域电网零起升压所需的无功容量。零起升压，电压逐步增大零起升压，电压逐步增大关键方程关键方程利用虚拟阻抗同步增大研究多构网型电源同步零起升压功能，关键在于低电压时的同27步稳定问题，可以应用动态虚拟阻抗技术来解决。利用虚拟阻抗同步增大中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司GUODIANNANJINGAUTOM主电网主网110kV/10kvl配网变压器CB——微电网光伏发电系统馈线A馈线A馈线B馈线B风力发电系统微型燃气轮机场景主要特点：■系统网架主要为中低压配电网。场景主要特点：■系统网架主要为中低压配电网。■负荷需求多种多样，对电能质量要求高。柴油发电机重要负荷非重要重要负荷储能设备中国华电集团有限公司国电南京自动化股份有限公司国电南京自动化股份有限公司问题描述构网型电源作用中国华电集团有限公司场景三：微电网及分布式应用构网技术应用：重要负荷可靠供电目前构网技术不足之处目前构网技术不足之处构网型电源过载能力有限，当微电网内/外部发生故障时，可能导致构网型电源过载停机，进而失去对重要负荷的电压支撑构网技术改进思路构网技术改进思路将构网型储能部署在重要负荷附近，采用特殊的拓扑结构进30一步提高重要负荷的供电可靠性10kV馈线10kV馈线芳路开关旁路开关芳路开关旁路开关负荷负荷负荷负荷构网型储能串接入敏感负荷馈线拓扑结构示意图雄中国华电集团有限公司场景三：微电网及分布式应用场景三：微电网及分布式应用构网技术应用：治理电压谐波逆变器谐波特性较复杂，即使单台逆变器输出谐波符合标准，但在大规模分布式逆变器接入配网后仍会使配网电压谐波超标。问题描述主要原因：跟网型逆变器输出电流谐波会受电网电压谐波影响，大量跟网型逆问题描述变器并联运行时存在谐波的交互影响和放大现象。罐中国华电集团有限公司场景三：微电网及分布式应用构网技术应用：治理电压谐波构网型电源作用构网型储能可提高配网的电压强度，抑制大规模分布式光伏带来的谐波畸变