構(gòu)網(wǎng)型新能源并網(wǎng)特性及實(shí)測(cè)國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院2024年6月15日目目錄構(gòu)網(wǎng)型控制的三個(gè)視角2構(gòu)網(wǎng)型變流器并網(wǎng)特性分析21.1三種視角三種視角的關(guān)系原理構(gòu)網(wǎng)變流器控制為自同步電壓源并網(wǎng)外特性全工況構(gòu)網(wǎng)P?同步環(huán)P?同步環(huán)電壓源特性θ電壓源特性控制器功能構(gòu)網(wǎng)具備電壓、頻率支撐能力IIDP+++@DP+++@PQ故障構(gòu)網(wǎng)U抗控制始終維持電壓源支撐支撐故障過(guò)電壓支撐故障過(guò)電壓故障低電壓3故障低電壓3國(guó)家電網(wǎng)公司國(guó)家電網(wǎng)公司|跟網(wǎng)/構(gòu)網(wǎng)本質(zhì)區(qū)別■構(gòu)網(wǎng)型的基本原理是控制網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的幅值/相位，使其作為自同步電壓源并網(wǎng)，模擬同步機(jī)運(yùn)行機(jī)制。電壓源具備對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的有功、電壓變化的自主響應(yīng)機(jī)制，具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，但這也導(dǎo)致了在不同時(shí)間尺度上，其對(duì)直流電壓維持能力和機(jī)側(cè)能量提出了更高的要求。跟網(wǎng)型跟網(wǎng)型1)外特性：受控電流源；①2)同步方式：鎖相環(huán)同步；控制器構(gòu)網(wǎng)型構(gòu)網(wǎng)型1)外特性：受控電壓源；θ模擬同步機(jī)P-f下垂特性，并構(gòu)建了虛擬慣量，p根據(jù)功率變化量調(diào)整電壓源相位，實(shí)現(xiàn)自同步匹配控制建立變流器直流電容電壓與同步機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自同步和直流電壓控制。轉(zhuǎn)子遵度電容電壓441.2原理構(gòu)網(wǎng)1.2原理構(gòu)網(wǎng)■常用的構(gòu)網(wǎng)型控制結(jié)構(gòu)有下垂控制、虛擬同步控制(VSG)、匹配控制、虛擬振蕩器控制四種。虛擬同步控制是目前工程上最為常用的控制方式。虛擬振蕩器控制少見工程應(yīng)用。PPCPWM電壓+ULfw0L內(nèi)環(huán)ud*](VSG/下垂)(可以省略)Pset/Uae*&Qset+PWMabc/dqP0典型匹配控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器結(jié)構(gòu)典型下垂/VSG控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器結(jié)構(gòu)典型匹配控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器結(jié)構(gòu)5|現(xiàn)行構(gòu)網(wǎng)型標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中的功能要求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與美國(guó)NREC、澳洲AEMO德國(guó)VDE、澳洲AEMO美國(guó)NREC、歐洲ENTSO-E英國(guó)GC0137、澳洲AEMO德國(guó)VDE、美國(guó)UNIFI德國(guó)VDE、澳洲AEMO工況：電網(wǎng)相位跳變±10~±30°能夠穩(wěn)定運(yùn)行(故障構(gòu)網(wǎng))過(guò)載能力美國(guó)UNIFI、澳洲AEMO要求：具備一定過(guò)載能力，例如1.5倍/2s美國(guó)UNIFI、歐洲ENTSO-E英國(guó)GC0137、美國(guó)UNIFI孤網(wǎng)運(yùn)行與黑啟動(dòng)德國(guó)VDE、美國(guó)NREC工況：系統(tǒng)內(nèi)同步機(jī)脫網(wǎng)后穩(wěn)定運(yùn)行30s,帶0.2pu負(fù)荷黑啟動(dòng)美國(guó)UNIFI、澳洲AEMO不同的功能對(duì)機(jī)側(cè)電源、網(wǎng)側(cè)變流器存在硬件要求。■穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與小信號(hào)穩(wěn)定通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件無(wú)特殊要求；■頻率支撐功能要求機(jī)側(cè)電源具備能量?jī)?chǔ)備；■電壓支撐功能要求網(wǎng)側(cè)變流器最好具備一定的過(guò)流能力；孤網(wǎng)運(yùn)行與黑啟動(dòng)一般需要直流配儲(chǔ)能。無(wú)，一般通過(guò)控制手段即可實(shí)現(xiàn)慣量支撐需要轉(zhuǎn)子動(dòng)能或直流配儲(chǔ)能一次調(diào)頻支撐需要預(yù)留備用或直流配儲(chǔ)能無(wú)若需實(shí)現(xiàn)故障期間構(gòu)網(wǎng)且提供大于1.0pu的無(wú)功電流，應(yīng)擴(kuò)容網(wǎng)側(cè)變流器一般需要直流配儲(chǔ)能無(wú)71.3功能構(gòu)網(wǎng)1.3功能構(gòu)網(wǎng)|典型設(shè)備的功能構(gòu)網(wǎng)能力■不同類型設(shè)備對(duì)構(gòu)網(wǎng)功能需求的滿足能力有所差異。對(duì)所有設(shè)備，電壓支撐功能一般需要對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器適當(dāng)擴(kuò)容，其中直驅(qū)風(fēng)機(jī)的變流器擴(kuò)容成本低于雙饋；■含儲(chǔ)能設(shè)備可滿足全部需求；風(fēng)機(jī)、配超容的SVG可提供慣性支撐；光伏本身難以提供頻率支撐光伏SVG+超容√√√√(網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√(網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√(網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√(機(jī)/網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√(網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√(網(wǎng)側(cè)擴(kuò)容)√√√(慣量)√(慣量)×√(慣量)√√××××8本風(fēng)力機(jī)步電機(jī)N本風(fēng)力機(jī)步電機(jī)N儲(chǔ)能構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)儲(chǔ)一體機(jī)典型結(jié)構(gòu)構(gòu)網(wǎng)型SVG典型結(jié)構(gòu)1.4故障構(gòu)網(wǎng)1.4故障構(gòu)網(wǎng)故障構(gòu)網(wǎng)的控制與硬件要求■故障構(gòu)網(wǎng)的含義是，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障等大擾動(dòng)時(shí)，設(shè)備依然能以電壓源方式運(yùn)行。■控制方面，一般需要虛擬阻抗等限流方式，故障期間的能量平衡與直流電壓控制、不對(duì)稱故障下的負(fù)序控制是目前亟待突破的難題。■硬件方面，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器過(guò)流能力有所要求，且與外部電網(wǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。電流限幅控制Iisrf電流限幅控制Iisrf虛擬阻抗控制始終維持?jǐn)U容支撐EudoLfoLfUU擴(kuò)容支撐f0"擴(kuò)容支撐f0"電流內(nèi)環(huán)控制故障低電壓電流內(nèi)環(huán)控制故障低電壓故障過(guò)電壓一種實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型變流器故障期間構(gòu)網(wǎng)的方式：一種常見的虛擬導(dǎo)納控制方式10虛擬阻抗/導(dǎo)納+變流器擴(kuò)容確定過(guò)流能力—考察系統(tǒng)短路電流水平35kV線路220kV線路500kV線路漏阻/(p.u.)漏感/(p.u.)35kV變壓器220kV變壓器500kV變壓器國(guó)家電網(wǎng)公司國(guó)家電網(wǎng)公司1.4故障構(gòu)網(wǎng)■在不同位置施加三相短路接地故障，計(jì)算簡(jiǎn)化系統(tǒng)的短路電流。在220kV及以上母線發(fā)生的短路，短路電流一般不會(huì)超過(guò)3.125p.u.。進(jìn)一步，若35kV線路長(zhǎng)度超過(guò)1.1公里，則短路電流將小于3倍。故障位置：500kV故障位置：500kV變壓器出口處線路長(zhǎng)度：假設(shè)35kV線路和220kV線路長(zhǎng)度均為0線路長(zhǎng)度：假設(shè)35kV線路和220kV線路長(zhǎng)度均為0短路阻抗：0.1+0.08+0.14=0.32p.u.構(gòu)網(wǎng)型電源無(wú)窮大電網(wǎng)0.08p.u.0-0.07p.u.構(gòu)網(wǎng)型電源構(gòu)網(wǎng)型電源構(gòu)網(wǎng)型電源故障位置：其他場(chǎng)站的220構(gòu)網(wǎng)型電源故障位置：其他場(chǎng)站的220kV送出線上線路長(zhǎng)度：假設(shè)35kV線路和220kV線路長(zhǎng)度均為0連接電抗連接電抗35kV變壓器35kV線路220kV變壓器三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及短路位置示意圖500kV變壓器500kV線路無(wú)窮大電網(wǎng)220kV線路11.4故障構(gòu)網(wǎng)■構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的連接電抗Xeq是內(nèi)電勢(shì)與機(jī)端母線間的等效阻抗，受電壓開閉環(huán)控制方式、下垂控■已有機(jī)組采用受電流調(diào)節(jié)的可變虛擬阻抗，確保極端情況下(如機(jī)端短路)器件不過(guò)流。機(jī)端母線電壓開環(huán)控制QrerlQsJ機(jī)端母線ErefQ-U下垂Uc,ErefQ-U下垂Uc,ref(含/不含積分)Xdroop內(nèi)電勢(shì)下垂控制等效電抗XvirXj虛擬電抗濾波電抗不是常數(shù)，恒大于0Xeq=Xeq=Xdroop+Xvir+X電壓閉環(huán)控制機(jī)端母線機(jī)端母線g1)電壓?jiǎn)伍]環(huán)g1)電壓?jiǎn)伍]環(huán)13)虛擬導(dǎo)納控制Q-U下垂(含/不含積分)Xdrop下垂控制等效電抗不是常數(shù)，恒大于0ErefXgXvirXg無(wú)濾波電抗機(jī)端到系統(tǒng)等值電抗無(wú)濾波電抗機(jī)端到系統(tǒng)等值電抗內(nèi)電勢(shì)Xeq=XdroopXeq=Xdroop+Xvir連接電抗1.5三視角總結(jié)對(duì)比1.5三視角總結(jié)對(duì)比■原理構(gòu)網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件無(wú)額外要求，通過(guò)控制改造即可實(shí)現(xiàn)；■功能構(gòu)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器容量、機(jī)側(cè)能量/慣量來(lái)源等硬件方面提出了額外的要求；■故障構(gòu)網(wǎng)的要求則更進(jìn)一步，需采用虛擬阻抗/導(dǎo)納、電流限幅等方式，在短路故障期間維持變流器的電壓源外特性。層級(jí)類別原理構(gòu)網(wǎng)P-o同步環(huán)功能構(gòu)網(wǎng)電壓支撐電壓開環(huán)/閉環(huán)Q-U下垂(含/不含積分網(wǎng))側(cè)變流器擴(kuò)容振蕩抑制能量/慣量來(lái)源故障構(gòu)網(wǎng)短路故障虛擬阻抗/導(dǎo)納電流限幅網(wǎng)側(cè)變流器擴(kuò)容目目錄2.1頻率支撐2.1頻率支撐傳統(tǒng)同步機(jī)系統(tǒng)的有功三階段響應(yīng)特性■傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組成的系統(tǒng)中，有功功率擾動(dòng)后，功率在各機(jī)組間的分配可按時(shí)間段劃分為初始分配、慣量分配、調(diào)差分配三個(gè)階段。對(duì)應(yīng)的主要影響因素分別是發(fā)電機(jī)與擾動(dòng)點(diǎn)間的電氣距離、發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)、發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)。功率的分配原則(以增發(fā)為例)階段一(初始分配)按發(fā)電機(jī)與擾動(dòng)點(diǎn)間的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)Ksik分配增切機(jī)/投負(fù)荷等擾動(dòng)后，網(wǎng)絡(luò)中電路的暫態(tài)響應(yīng)迅速結(jié)束，改變發(fā)電機(jī)與故障點(diǎn)間的電壓、電氣距離、相角差。系統(tǒng)向同步機(jī)“強(qiáng)制抽取”初始電磁功率。電壓源自然響應(yīng)按發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)Hi來(lái)分配增加的有功，與發(fā)生于發(fā)電機(jī)調(diào)速器動(dòng)作導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率較大幅度變化之前(包括階段三的頻率變化過(guò)程)。此階段，發(fā)電機(jī)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能來(lái)提供初始分配的電磁功率，轉(zhuǎn)子減速，頻率下降。轉(zhuǎn)子慣量(調(diào)差分配)按發(fā)電機(jī)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)分配到各發(fā)電機(jī)，與發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)速器響應(yīng)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸出功率，頻率止跌后回升原動(dòng)機(jī)調(diào)門調(diào)節(jié)，利用鍋爐蓄熱||變流器+同步機(jī)雙機(jī)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性■將3種構(gòu)網(wǎng)型變流器、2種跟網(wǎng)型變流器分別與同步機(jī)組成雙機(jī)系統(tǒng)，并以雙同步機(jī)系統(tǒng)作為參照，電源1的下垂控制控制控制跟網(wǎng)跟網(wǎng)對(duì)以上共6組雙機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真。一次調(diào)頻系無(wú)網(wǎng)側(cè)變流器網(wǎng)側(cè)變流器電流源附加網(wǎng)側(cè)變流器含內(nèi)阻電壓源含內(nèi)阻電壓源含內(nèi)阻電流源Xr=0.14puXr-0.08puXr=0.1pu電源12MW變流器450臺(tái)倍乘本擾動(dòng)工況設(shè)初始負(fù)荷為1.5×900MW,電源一、二各承擔(dān)一半。階段一變流器+同步機(jī)雙機(jī)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性階段一■擾動(dòng)后電源1、電源2之間的有功功率分配可借助同步機(jī)主導(dǎo)系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)三階段過(guò)程進(jìn)行分析。■階段一發(fā)生在擾動(dòng)后幾ms內(nèi)，有功功率在電壓源間分配，與負(fù)荷擾動(dòng)點(diǎn)與電源的電氣距離成反比。■如圖，三種構(gòu)網(wǎng)型變流器在擾動(dòng)初始時(shí)刻(t=70s)后短期內(nèi)都分擔(dān)了0.08pu左右的有功增量，而兩種跟網(wǎng)型變流器有功發(fā)生波動(dòng)，但并未增發(fā)。各雙機(jī)系統(tǒng)擾動(dòng)后0.05s響應(yīng)波形(電源1有功)階階段一—GFMDroopGFLP—GFMDroopGFLP電源2(同步機(jī))的有功功率電源1的機(jī)端頻率階段階段三72.1頻率支撐2.1頻率支撐階段一階段階段三階段一階段階段三一一電源2(同步機(jī))的有功功率電源2(同步機(jī))的有功功率.—SG2.1頻率支撐2.1頻率支撐階段一階段一電源1的有功功率電源2(同步機(jī))的有功功率電源1的機(jī)端頻率階段三7階段一■在此階段，同步機(jī)發(fā)出有功逐漸上升，頻率亦開始回升，變流器增發(fā)的有功開始減少■最終，電源1按照各自的一次調(diào)頻系數(shù)(下垂系數(shù))與同步機(jī)共同承擔(dān)有功增發(fā)。定 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)趨于一致|不同電源的三階段響應(yīng)特性對(duì)比■構(gòu)網(wǎng)型變流器的一次調(diào)頻可參與同步機(jī)功率分配的階段二。源側(cè)功率足夠的條件下，構(gòu)網(wǎng)型變流器、同步機(jī)構(gòu)成的大系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于純同步機(jī)系統(tǒng)。■跟網(wǎng)型變流器不參與階段一，且階段二響應(yīng)速度慢于構(gòu)網(wǎng)型，不推薦用于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支撐功能。構(gòu)網(wǎng)型階段一(初始分配)按發(fā)電機(jī)與擾動(dòng)點(diǎn)間的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)Ksik分配增加的有功。與導(dǎo)納成電壓源自然響應(yīng)電壓源自然響應(yīng)電流源不響應(yīng)(慣量分配)轉(zhuǎn)子慣量虛擬慣量虛擬慣量(附加)不響應(yīng)(調(diào)差分配)按發(fā)電機(jī)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)分配到轉(zhuǎn)子慣量虛擬慣量虛擬慣量(附加)原動(dòng)機(jī)一次調(diào)頻一次調(diào)頻一次調(diào)頻(附加)不響應(yīng)2.2電壓支撐2.2電壓支撐構(gòu)網(wǎng)型變流器單機(jī)電壓響應(yīng)特性■傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)型變流器通過(guò)無(wú)功-電壓下垂特性自行構(gòu)建虛擬電壓幅值，具備電壓支撐能力■外部電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，無(wú)功-電壓外環(huán)維持內(nèi)電勢(shì)幅值恒定，構(gòu)網(wǎng)型變流器輸出無(wú)功功率支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓；電壓調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、越大，電壓支撐效果越好。無(wú)功-電壓外環(huán)控制框圖電網(wǎng)電壓階梯跌落/0K-1421構(gòu)網(wǎng)型變流器并網(wǎng)系統(tǒng)電路拓?fù)?s)變流器電壓有效值、輸出無(wú)功功率22■參考某特高壓交流新能源送出系統(tǒng)的線路、變壓器參數(shù)，搭建了某片區(qū)6個(gè)場(chǎng)站的電磁暫態(tài)仿真模型。其中場(chǎng)站1-3內(nèi)為跟網(wǎng)型機(jī)組，場(chǎng)站4-6內(nèi)為構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組。每個(gè)場(chǎng)站內(nèi)機(jī)組經(jīng)倍乘后容量■場(chǎng)站1-6的220kV送出線長(zhǎng)度分別設(shè)置為20km、100km、200km、20km、100km、200km。構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組場(chǎng)站跟網(wǎng)型機(jī)組場(chǎng)站構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組場(chǎng)站跟網(wǎng)型機(jī)組場(chǎng)站35kV線路0.1080.42220kV變壓器含6個(gè)場(chǎng)站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖含6個(gè)場(chǎng)站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2電壓支撐2.2電壓支撐|含多變流器系統(tǒng)的電壓響應(yīng)特性典型系統(tǒng)仿真■測(cè)試工況：在t=5s,電網(wǎng)電壓下降0.2p.u.,t=6.8s時(shí)恢復(fù)。測(cè)試結(jié)果：電壓跌落期間，各場(chǎng)站無(wú)功均增發(fā)，構(gòu)網(wǎng)型場(chǎng)站電壓支撐效果優(yōu)于跟網(wǎng)型。跟網(wǎng)型在電壓恢復(fù)后短期內(nèi)由于電流環(huán)響應(yīng)滯后，出現(xiàn)了明顯的額外無(wú)功增發(fā)，存在助增暫態(tài)過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)網(wǎng)型無(wú)該問(wèn)題。■電氣距離對(duì)電壓支撐效果也有影響，具體體現(xiàn)為電氣距離越近，電壓降越嚴(yán)重，機(jī)組提供的無(wú)功支撐越多。172.3振蕩抑制2.3振蕩抑制構(gòu)網(wǎng)型對(duì)次/超同步振蕩的抑制作用■根據(jù)某特高壓送端新能源多場(chǎng)站短路比典型值，構(gòu)建跟/構(gòu)網(wǎng)型電源聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型與仿真模型，基于聚合阻抗頻率特性曲線，分析構(gòu)網(wǎng)型電源占比對(duì)振蕩特性的影響。■構(gòu)網(wǎng)型電源大部分頻段內(nèi)呈現(xiàn)“正電阻+電感”的特性可削弱跟網(wǎng)型變流器的“負(fù)電阻+電容”特性，在算例系統(tǒng)參數(shù)條件下，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組占比達(dá)到20%后，系統(tǒng)次/超同步振蕩阻尼大于零，可有效避免振蕩現(xiàn)象發(fā)