陈磊-降低新型电力系统复杂性的定频构网及有功控制技术

降低新型电力系统复杂性的定频构网及有功控制技术闵勇，陈磊，徐飞，等新型电力系统运行与控制全国重点实验室清华大学电机工程与应用电子技术系2026.10构网型控制新型电力系统中，变流器接口电源(CIG,包括风电、光伏、储能等)替换同步机(SG)成为主导，构网型控制成为必需，其核心是电压源特性●构网型控制是指电力电子设备自主构建并维持内电势幅值和频率，以电压源特性运行的控制技术现有的构网控制策略仍然遵循传统电力系统的框架，主流思路是模拟同步机特性(虚拟同步机VSG)是否可行?容量小、数量多的特性，电源数量剧增(增加2个数量级),问题更加复杂2电网2电网传统电力系统中，扰动导致的有功变化引发SG/VSG频率变化，而频率变化又通过相角变化影响所●已有实践：直流异步互联，全国同步联网复杂性过高，利用电力电子的灵活可控性“解耦”电网动态SGSG:物理的转子动态网络方程描述的物有功关系SG:物理的转子动态相角频率频率有功有功有功有功积分东北电网东北电网华北电网华中电网华东电网西南电网1000千伏交流直流西北电网区域电网直流异步互联海量VSG全局交互导致的复杂性远大于全国同步联网场景下SG交互的复杂性，降低系统复杂性是新型电力系统必须要重视的核心问题●传统的针对稳定问题增加稳定控制(打补丁、做加法)的做法，只会导致系统日益复杂，无法从根本上解决新型电力系统的安全稳定难题◆模块化是不同领域降低复杂性的通用思路●众多涉及大规模、多组件、高交互的工程领域，典型的如软件工程、航空航天工程等，都采用◆模块化的核心设计原则就是“高内聚、低耦合”,通过将复杂系统分解为相对独立、耦合程度较低的模块，将复杂性控制在可管理范围内●直流异步联网“解耦”各区域电网，将区域电网模块化电力系统日益电力电子化实际上为我们提供了一个按照模块化的思路重塑系统的对于构网控制而言，应该切断有功和频率之间的耦合关系，实现设备和系统的动态积分相角有功频率积分相角有功理想的构网控制策略——理想电压源CIG控制为恒压恒频的理想电压源将电力系统变为电路，大幅简化SG/VSG转子动态带来的复杂机电暂态过程以及伴随的频率、功角稳定问题CIG控制CIG控制与特性电流源电压源理想电压源优势：CIG频率、相角动态消失，频率稳定、同步稳定提升●功率扰动后没有频率动态，系统频率固定在额定值●系统中同步动态消失，只存在潮流方程决定的静态安全问题，不存在动态相关的稳定问题有功频率控制是交流电力系统诞生至今的“金科玉律”、所有教材里面的经典内容基于频率控制功率(调频)●普遍认为频率固定在额定值就无法实现合理的功率分配需要颠覆传统认知：有功控制和频率控制的耦合是同步机带来的，不是交流电力系统的固有特性●同步机相关的特性不仅主导了电力系统的物理动态特性，而且主导了对电力系统的理解和认识，客观上已经开始阻碍新型电力系统的发展◆多个CIG控制为理想电压源时，系统在扰动瞬间按网络方程(物理规律)完成功率分配，无需控制且与频率无关按同步功率系数(电气距离)分配扰动功率△PGi,且功率平衡动态过程被限制在设备内部，而不传导到电网，实现了设备和系统解耦的功率平衡完全在内部解决(电容电压变化、机侧调节),对电网保持理想电压源，电源内部功率平衡动态不影响系统，设备和系统的动态解耦理想电压源是一种理想状态，而实际设备能力是有限的网源协调原则：设备在能力范围内尽量实现理想电压源以支撑系统，能力范围外再进行调节保证设备安全●思考：频率下垂/VSG控制动作是系统需要的么?4u4uPminsModulators有功能力范围：定频区Wot(frequency-fixedzone,FFZ)直到Wot(frequency-fixedzone,FFZ)定频构网控制电网中一次有功控制(PAPC)◆发生扰动时定频设备作为理想电压源按照电气距离自动分配功率缺额；若某个设备出力超过其自身的定频控制范围，通过控制调整自身出力并转移至其他设备◆在系统总备用足够的前提下，只有局部、暂时的频率偏差，不存在系统范围的频率偏差，扰动功率按照物理规律和设备能力就近分配82.198.3682.1Time(s)Time(s) Time(s)Time(s)上述功率分配都是按照物理规律分配，为满足电力系统人为调整潮流的需要，设计二次有功控制(SAPC)以较长周期(一般为数秒)离散进行，不影响系统扰动后短时间内的动态过程和稳定性PcmduwotwotTime(s)C4ModulatorC4Modulator形成了CIG主导系统的定频有功控制框架，实现了不依赖频率的有功控制，打破了交流电力系统诞生至今的有功控制和频率控制之间的耦合关系●除了局部的、暂时的频率偏差之外，不存在系统范围的频率偏差，也不再需要调频●分散式的一次有功控制PAPC替代了一次调频和二次调频，根据CIG与扰动点的距离及其可用的功率储备，在CIG之间分配功率扰动●集中式的二次有功控制SAPC替代了三次调频(或经济调度、优化调度),实现潮流调整●保留按电气距离分配的第一阶段，跳过一次、二次调频阶段，直接到经济调度阶段ImmediateImmediate allocationTFCSubsequentpowerallocationresponseallocation2min0电力系统稳定性电力系统稳定性功角稳定频率稳定电压稳定态电压稳定(小动电压稳定)(短期过程)长期过程大扰动动态功角稳定(周期性失稳)小扰动动态功角稳定(周期性失稳)暂态功角稳定(第一、二摆失稳)静态功角稳定(非周期性失稳)短期过程长期过程小扰动功角稳定大扰动频率稳定大扰动功角稳定大扰动电压稳定频率稳定暂态电压稳定功角、频率两大类稳定问题都源于同步机转子动态，在定频控制下都得到极大改善系统不存在频率稳定问题，不再需要调频，也不需要考虑系统惯量特性●系统频率基本固定在额定值，只存在局部的、暂时的瞬时频率波动◆小扰动同步稳定性显著提升●所有CIG保持在其FFZ内时，CIG无动态过程，不考虑电磁暂态，系统由一个代数方程组描述，不存在小扰动稳定性问题●即使少量CIG位于FFZ外，系统方程也大大降阶，仅包含FFZ外的CIG,如果FFZ外进一步采用一阶的下垂控制，系统不存在复数特征根，不存在振荡模式RealAxis(Seconds-¹)系统特征根分布功率无振荡◆大扰动同步稳定显著提升Load1Load2Load1Load2200200tc=0.21tc=0.200Time(s)全SG系统故障极限切除时间约为0.20sTime(s)故障极限切除时间从0.2s提高到4s以上沿用解耦控制的思路，进一步采用无内环控制实现内环开环，从原理上避免控制交互引发的宽频振荡问题●设备电流越限时引入控制限流●设备能力范围(允许电流范围)内尽量开环运行支撑系统，能力范围外闭环控制保证设备安全电压电压外环无内环(ed⁴=E*,eq·=0)uK无电压电流内环电流内环◆搭建两定频储能+负荷的100%CIG仿真系统◆控制器采用真实PCS控制器◆定频控制+无内环限流策略◆负荷从0到20kW,再从20kW到—PPCS2………Pmax,1功率分配、潮流调整正常实施t(s)负荷阶跃扰动下频率维持在额定值20t(s)th设备安全：快速限流无超调，故障清除后迅速退出限流40400t(s)49.9t(s)min,1min,2min,1min,2P系统稳定：长时间(10s+)短路不失稳，大扰动稳定性强真机试验验证◆进行了实际设备定频孤网运行试验，搭建两台定频储能、跟网型光伏与负载构成的100%CIG系统●PCS额定容量100kW,额定交流电压380V●4MWh液流电池组，直流电压576-921VLCL滤波器线路一W光伏电池板专恒功率负载光伏、储能功率光伏、储能功率t(s)t(s)——PCS1……PmaxofPCS2—PCS2只有短暂频率只有短暂频率波动，频率维持在额定值49.99549.9949.985总发电能力不足时出现稳态频差t(s)负荷母线频率SAPC可实现正常的潮流调整，并抑制时钟不同步导致的功率漂移，整个过程中频率固定在额定值PCS1运行在20kW,系统正常运行分钟后达到0时钟较慢的时钟较快的出力增加0t(s)0t(s)04000t(s)——PCS2……Pmax分钟后，PCS2出力达到指令值49.99影响定频效49.980果49.980t(s)单相接地短路0-200快速可靠限流不跳机s0.2s0.249.8——PCS2故障后快速恢复不失稳三相短路快速可靠限流不跳机50.288—PCSI—PCS2故障后快速恢复不失稳设备安全，系统稳定(无失稳迹象)定频CIG设备比例较低的场景(SG主导)——无法实现定频，但定频设备可以提高系统稳备用之和不足以处理大的扰动时，系统频率特性主要受SG/VSG与目前系统相似的限制，表现为下垂/VSG控制定频CIG设备比例足够大的场景(定频CIG主导)——实现一个定频、强稳定性的新型电力的总备用可以处理大多数功率扰动时，系统动态行为受FF-APC支配●功率不断分配，如果SG的原动功率不变，其电功率将返回至干扰前的水平，所有扰动功率将由CIG承担◆定频控制实际是在传统下垂控制/VSG控制的基础上引入一段定频区◆引入了一段理想电压源(无穷大系统)区间，可有效增强系统的小扰动和大扰动稳定性,,11一SWoθE引入定频区增大VSG振荡模式的阻尼比引入定频区增大稳定域，减缓故障中轨迹，有效增大故障的极限切除时间◆在蒙东电科院动模平台进行了定频+同步机+VSG+跟网混合系统的实验，系统定频稳定运行二次控制柜母线I线路模拟柜①SG模拟装置新能源四机模拟装置②新能源四机模拟装置④跟网型增加1200W负荷增加1200W负荷增加3000W负荷退出负荷1164.7/1160.1W1164.7/1160.1W986.16W502.97W488.52W465.85W489.27W484.34W986.16W502.97W488.52W465.85W489.27W484.34W483.9W484.51/480.17W484.51/480.17W49.997Hz□频率49.979Hz49.99449.997Hz□频率49.979Hz49.994Hz49.994Hz49.995Hz49.994Hz49.980Hz49.994Hz50.003/49.988Hz50.003/49.988Hz4510P5029224510P502922287564143692215552026/02/11.11:1617设务型号：TK3024设备序号20161213292②增加1200W负荷应用场景分阶段开展示范应用1、定频、强稳定性独立新能源电力系统如全离网风光储电力系统，有并离网切换的末端保供微电网等·可以实现无缝并、离网切换，并网、离网情况下运行状态不同·定频控制是一种对VSG等传统构网策略的改进·当前电网中应用构网控制的场合(例如新能源基地稳定性提升、大电网稳定性提升),都可以改造·随着定频控制CIG设备的容量和比例不断提高，加上自适应参数调整，可以自然的实现全系统定频的控制效果，完成传统系统到定频系统的过渡信号信号最大值最大值一负尬线路电表-总有功功率最大值-13.420.960002最大值时间202607-291539:00202607-291544.002026-07-291534:0029最小值最小值时间-1.00000.5420.700029.98最小值时间202607-291539:002026-07-29155300国家电网有品质的新闻有品质的新闻中原大地添绿出彩甘浙特高压工程完成黄河大跨越施工中原大地添绿出彩甘浙特高压工程完成黄河大跨越施工I国网呼伦贝尔供电公司2026年9月13日21:46浏览量11.9万苏南500千伏UPFC功率转控测试完成保障古部高质量期电，文能动能更足9月10日，全国首个配置串并联构网储