新能源并网控制技术的发展：从电网友好型到主动支撑型

技术背景 跟网型并网控制 构网型并网控制 四 未来需求与技术挑战 五 》一、技术背景 口2020年，我国提出2030“碳达峰”、2060“碳中和”目标。 口2021年，提出建设以新能源为主体的新型电力系统，明确了新能源在“双碳目标实施中的主体作用 口《“十四五”可再生能源发展规划》提出沙戈荒地区基地化规模化开发、中东南部分布式就近开发东部沿海海上风电集群开发的发展模式。 》一、技术背景 近20年，我国新能源发电持续快速发展。目前，风电和光伏装机容量遥居世界第 新能源装备制造水平不断进步，自主化率逐步提高，在发电效率提升的同时，成本显著下降；未经作者 口新能源并网控制技术不断突破，保障了新能源稳定运行。 》一、技术背景 2011年，威斯康辛大学EricksonMJ等学者提出，新能源并网控制可分为跟网型和构网型两类。跟网型并网控制跟随电网电压和频率调节并网电流，呈现电流源特性。构网型并网控制参与构建电网电压和频率，无需外部电源构建电网，呈现电压源特性未经作者同 技术背景 跟网型并网控制 构网型并网控制 四 未来需求与技术挑战 五 总结与展望 二跟网型并网控制 新能源发电规模小，对电网运行影响小，全部采用跟网型并网控制，主要解决的是电能质量问题作者授权中国 二、跟网型并网控制 随着局部地区集中接入规模的增大，新能源的弱抗扰性、故障穿越能力不足导致脱网问题频发，影响系统安全运行，一定程度上制约了新能源发展。 平台建设-张北试验检测基地 >24km²，30台1.5MW-7MW试验风电机组>1.5MW多类型光伏发电>6.3MWh储能系统电网故障发生装置，电网扰动发生装置测风网络与电能质量高速采集系统 跟网型并网控制二 电网公司、开发商、科研和规划机构、装备制造企业共同开展技术研发和标准制定，提升了新能源发电的控制能力、运行适应性和故障穿越能力，脱网问题得到有效解决 跟网型并网控制二 在大基地开发、特高压直流送出的发展模式下，新能源基地送端系统呈现“高比例新能源高比例电力电子装备”特征，新的稳定问题凸显，经作者同意款 新能源发电精细化建模 新能源并网建模与仿真分析 跟网型并网控制 平台建设-数模混合新能源发电实时仿真平台 新能源控制在环：291个 光伏发电单元控制器76套 SVG/SVC控制器36套 新能源源代码封装模型：291个 常规/柔性直流/串补控保：各2套 宽频带振荡抑制-弱电网系统负阻尼的主动重塑 针对宽频带振荡问题，通过对新能源发电控制策略的改进，实现了新能源自身阻抗特性的重塑，提升了接入弱电网、直流系统等不同场景下的稳定运行能力。 暂态过电压抑制-故障恢复瞬间的主动暂态支撑 针对暂态过电压问题，通过在新能源控制中引入虚拟同步发电机瞬时磁链响应的环节，提升了新能源发电的暂态支撑能力，解决了暂态过电压导致的脱网风险 哈密风电基地次/超同步振荡 宽频带阻抗重塑技术在哈密风电基地应用，消除了风电机组次/超同步负阻尼特性，2016年11月大面积控制策略改造后，振荡未再发生。 张北新能源经柔性直流送出系统超同步负序振荡 基于阻抗网络方法分析了振荡原因，通过新能源及柔直控制优化，实现了新能源接入柔直的次/超同步振荡抑制， 中卫光伏电站经交流送出系统次/超同步振荡 通过光伏发电单元阻抗重塑控制改进，实现了光伏电站经交流送出系统次/超同步振荡抑制通过光伏发电现场阻抗测量，验证了阻抗重塑控制改进有效性 祁韶直流送端暂态过电压 制定了新能源高电压穿越标准及技术指标，引导甘肃酒泉风电集群技术升级，解决暂态过电压导致的送出能力约束问题 锡泰直流送端暂态过电压 评估发现基地的振荡风险和暂态过电压风险场站，开展了新能源特性提升与参数固化，保障了700万千瓦新能源集群安全并网。 技术背景 跟网型并网控制 四 未来需求与技术挑战 五 总结与展望 》三、构网型并网控制 20世纪80年代起为满足负荷持续供电需求，不间断电源UPS 技术开始发展早期采用主从式控制主机控制交流电压，从机控制输出功率。 》三、构网型并网控制 针对主从式UPS主机、从机不对等，不具备余能力问题，1991年，威斯康辛大学Chandorkar MC等学者提出了下垂控制方法，实现了UPS多逆变单元按下垂系数均分负荷功率建立维持交流电压的并联对等控制，未经作者同 》三、构网型并网控制 UPS技术主要以IEC62040为依据，部分中压UPS电压等级可达10kV，容量达十数MW下垂控制应用于UPS，有效解决了矿山、通讯、国防、医院、数据中心等领域可靠供电问题。 》三、构网型并网控制 20世纪90年代起为满足分布式电源组网需求，多国先后开启了微电网技术研究。2002年，美国威斯康辛大学LasseterRH等学者完整提出微电网概念。 LASSETER R.Integration of distributed energyresourcesTheCERTSMicrogridConceptJ.http://certs.Ibl.gov/CERTSPDER.html.R12002. 》三、构网型并网控制 针对微电网分布式线路引起的功率耦合、无功不均等问题，通过在下垂控制中引入虚拟阻抗二次控制等环节，提升了下垂控制稳定控制能力，解决了微电网分布式多类型电源协调运行问题。 》三、构网型并网控制 微电网主要以IECTS62898为依据，电压等级可达35kV，容量可达数十MW。下垂控制应用于微电网，有效解决了边远、海岛无电地区供电问题。 》三、构网型并网控制 随着新能源占比不断提高，大电网同步转动惯量降低，频率稳定风险增加。2007年，德国劳克斯塔尔工业大学BeckHP等学者、欧洲VSYNC工作组分别提出虚拟同步发电机概念。 Virtual SynchronousMachine BECKHP,HESSER.Virtualsynchronousmachine[Cl:20079thInternational Conferenceon Electrical PowerQuality and Utilisation2007:1-6. 》三、构网型并网控制 针对电网转动惯量降低和频率稳定风险，2008年，加拿大多伦多大学Ga0F等学者在下垂控制有功环中加入了阻尼绕组和转动惯量模拟环节，通过一次调频、惯量响应，实现了VSG对电网频率主动支撑。50 VSG控制结构 电网频率变化VSG有功响应 GAOFANG,IRAVANI M R.A Control Strategy for a Distributed Generation Unit in Grid-Connected andAutonomousModesofOperation[Jl.IEEETransactionsonPowerDelivery,200823(2):850-859. 》三、构网型并网控制 VSG在国外已取得一定示范应用，工程规模可达数十至百MW，处于场站级试验与示范阶段主要验证黑启动、一次调频、惯量模拟、电网相角跳变响应等功能。 口23台直驱机组，69MW风电系统，33kV口频率跌落、相角跳变、软件给定大扰动口惯量/阻尼/孤岛 口30MW/8MWh储能，33kV口频率跌落、计划内和计划外孤岛口快速频率响应/孤岛运行 》三、构网型并网控制 ComparisonofPVInverterControllerConfigurationsforCERTSMicrogridApplications 2011年，威斯康辛大学EricksonMJ等学者提出了构网型控制概念。从下垂控制到VSG构网型控制正逐步实现由UPS、微电网向大电网的推广应用。 Micah J. EricksonT. M. JahnsRobert H. Lassetermjericksonwise.odajahn@engr.wie.odolaiseten@engr.wisc edu Madinon, W1 53706 USA aretwomajortp 三、构网型并网控制》 英国、德国、美国等制定了构网型控制技术标准，针对新能源、储能、柔直等构网型装置提出了有功控制、无功控制、孤岛运行等指标要求，明确了构网型装置性能检测方法 》三、构网型并网控制 随着沙戈荒新能源基地建设推进，新能源发电主动支撑电网和构建电网的技术需求日益突出为破解少/无同步电源地区新能源稳定运行关键技术，我国在湖北随州广水、内蒙古额济纳旗开展了构网型风电、光伏发电、储能研究， 口30台，25MW/25MWh电网支撑型储能口黑启动/100%新能源运行/并离网切换/频率支撑/短路容量 口构网型光伏32MW，构网型风电62MW口惯量/调频/并离网切换 技术背景 跟网型并网控制 构网型并网控制 四 未来需求与技术挑战 五 总结与展望 四、》未来需求1 随着新能源大量替代常规同步电源，系统电压、频率、功角等传统稳定问题长期存在，驱需新能源并网控制具备电网主动支撑能力，通过调压、调频、惯量模拟、动态无功响应等方式，有效支撑电网电压、频率及功角稳定未经作者同 》四、未来需求2 新能源发电电力电子装置与系统交互作用复杂，出现宽频振荡、暂态过电压等新型稳定问题函需充分发挥其控制灵活性和特性可塑性优势，实现主动支撑功能由基频向宽频，由稳态向动态和暂态，由长时间尺度向多时间尺度转变，提升系统多时间尺度稳定性。 》四、未来需求3 新型电力系统新能源基地建设逐步向沙戈荒、深远海地区推进，部分地区面临少同步电源甚至无同步电源并网场景。函需新能源通过构网型并网控制参与电网构建，维持交流电网电压和频率，保障沙戈荒、深远海地区大规模新能源安全稳定送出未经作者同 》四、技术挑战1 高比例新能源、高比例电力电子、交直流混联电力系统稳定分析既需要考虑宽时间尺度，又需要兼顾宽空间范围，还需要判断稳定裕度，定位稳定性主导因素。系统复杂多变条件下，理论方法如何计及稳定问题时空特征，准确揭示稳定机理面临挑战 四、技术挑战2 新型电力系统不同发展阶段的不同电网特性，明确新能源并网控制需求，提出优化控制方法，制定并网控制技术标准面临挑战饿岁 》四、技术挑战3 新能源发电采用的电力电子装备，耐压、耐流能力不足，如何克服电力电子装备耐压、耐流约束，提升电网构建和主动支撑能力，保障新型电力系统安全稳定运行，实现新能源向新型电力系统主体电源转变面临挑战