2024构网型技术研究与应用报告

秦红霞2024/04/28 01技术背景简介 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 01技术背景简介 随着新型电力系统的快速发展，高比例新能源变流器、新型储能、柔性直流输电等电力电子技术广泛推广应用，电力系统惯量降低、频率\电压的支撑调节能力变差，系统波动也容易易诱发电力电子设备脱网，更加剧了对电力系统的安全稳定运行的影响。 01技术背景简介 为应对新型电力系统面临的挑战，相关研究和工程应用中采用的主流解决方案有两类： 增加电机类调节设备提供支撑 应用构网技术的电力电子装置提供支撑 以构网技术为核心构建具有电压源特性的电力电子变流器，使电力电子装置向电网提供类似于同步机的电压、频率支撑能力。构网技术的载体包括储能变流器、SVG、柔直、新能源（风电、光伏）并网变流器等。 增设大型调相机、分布式调相机或抽水蓄能机组，电机转子具有真实励磁控制系统和转动惯量，能够提供无功支撑和短时有功支撑，具有维持电网电压和频率稳定的作用。 01技术背景简介 《关于组织上报2023年独立新型储建设方案的通知》 《能源碳达峰碳中和标准化提升行动计划》 《关于印发加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划的通知》 《2023年风电、光伏发电等新能源项目开发建设方案》 《内蒙古白治区电网侧独立新型储能电站示范项目实施细则》（拟） 提出推进风光储一体化装备发展，推动构网型新能源发电装备研究开发 提出加大储能配置力度、加装构网型储能装置 提出推动构网型柔性直流技术标准体系建设，开展构网型直流性能及检测等核心标准研制 提出新疆多地原则上构网型储能比例不低于年度新型储能的20% 支持构网型风电、构网型光伏、构网型储能等技术研发与工程示范 01技术背景简介 国内外构网标准规范与工程技术要求 英、德、美、澳等国先后制定了构网技术标准或规范，针对储能、柔直等构网型装置，提出了有功控制、无功控制、黑启动、故障穿越等性能要求，明确了构网型装置性能检测方法。 01技术背景简介 国内外构网标准规范与工程技术要求 中关村储能产业技术联盟团体标准《构网型储能变流器技术规范》2023年12月26日发布实施。 过载能力 电网频率调节 电网电压调节 有功调频系数宜在20~50范围内；?启动时间应不大于50mS；·响应时间应不大于500ms;，调节时间应不大于1s：·有功响应允许误差应在土2%*额定功率以内。 ·无功调压系数宜在12.5~33.3范围内·无功功率响应时间应不大于50ms：、无功功率控制充许偏差应在土2%*变流器额定功率以内。 相角突变耐受 01技术背景简介 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 02 构网型技术理论研究 构网的定义：四个维度 1）基于控制方式定义 ·采用下垂、虚拟同步机等控制方式的变流器●不推荐，仍存在新的策略 2）基于时域响应定义 从广义上看，电力电子技术装备能呈现出频率、电压主动调节特性，均具备“构网”潜力！ ，根据外部系统事件的时域响应，如有功和无功响应时间，体现构网型控制预期特性的变流器不推荐，取决于系统与控制参数 4）基于功能测试定义 3）基于频域响应定义 以电压源特性运行，能构建并维持输出电压和频率，主动向电网提供支撑，兼具黑启动、自同步、故障穿越等能力的变流器 ?小信号阻抗扫描具有特定宽频阻抗特性不推荐，只定义了小信号特征 【我国团标和美国规范推荐定义】 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究 02构网型技术理论研究 02构网型技术理论研究 构网控制典型架构 构网典型控制架构包括外环控制环节、虚拟阻抗环节与内环控制环节，外环控制的有功有功功率环和无功功率环分别模拟同步发电机的一次调频、摇摆方程和励磁环节，控制输出内电势相位和幅值参考值，再经过虚拟阻抗计算及电流控制环生成调制波。 02 构网型技术理论研究 02构网型技术理论研究 02构网型技术理论研究 1）限流与高频振荡抑制 ，在学术、政策和标准的共同引导下，提升变流器短时过流能力逐渐成为业界共识。这便要求变流器对于高倍率过载工况下的大申流仍具有较强的控制能力：，从控制架构看，外环控制作用在于模拟同步机的输出特性，使变流器具备提供频率、 电压支撑的构网能力：内环控制作用在干通过电流反馈精准控制，增强变流器的电流限制能力。 02构网型技术理论研究 1）限流与高频振荡抑制 ■高频振荡原因分析：在反馈控制中，引入的电压、电流采样与计算等链路延时带来了高频振荡风险，使变流器在中高频段出现负阻尼特性，当交流系统在该频段正阻尼不足时，将产生交互振荡。 02构网型技术理论研究 1）限流与高频振荡抑制 阻抗重塑高频振荡抑制方法：采用电压前馈非线性滤波技术，改造变流器阻抗特性，减小负阻尼区间，有效降低高频振荡风险：一二次融合设计与优化控制方法：在成本可控的条件下，通过增强变流器桥臂一次元 器件限流能力、提高电压调制能力等设计手段，结合单环控制、附加控制等优化控制方法，消除负阻尼区间与高频振荡风险。 02 构网型技术理论研究 1）限流与高频振荡抑制 研究表明：采用一二次融合设计与优化控制方法的构网型设备具有全频段的正阻尼特性，同时还具有稳态/暂态对外阻抗特性保持一致、系统电压突变能够瞬时响应等特点，在成本可控的前提下，是可以考虑采用的全新解决方案。 02构网型技术理论研究 2）故障穿越与继电保护协同控制 ，电网故障时，同步发电机电源等效为电压源特性，而新能源和逆变设备电源输出为受控电流源特性，保护原理依据的理论存在不适用问题； 、电力电子设备控制目标多样化，负序电流、幅值、相位、谐波等因素对保护原理带来了影响。 02构网型技术理论研究 2）故障穿越与继电保护协同控制 02构网型技术理论研究 20故障穿越与继电保护协同控制 等效电压源型故障穿越控制策略 跟网型控制：暂态故障期间，根据电压跌落深度计算无功电流指令，配合电流环限制过电流、抑制负序电流，保持输出电流对称 通过虚拟阻抗环节限制过电流，虚拟阻抗幅值随故障严重程度和逆变电源设备电流耐受能力而自适应调整，三相虚拟阻抗对称，不对称故障时，输出电流非对称。 等效为内阻抗较大的发电机，电压、电流相位关系确定。 输出电流无故障信息，电压、电流相位关系改变。 02 构网型技术理论研究 2）故障穿越与继电保护协同控制 等效电压源型故障穿越控制策略 采用虚拟阻抗限流的储能变流器可等效为小容量的同步发申机，模拟了同步发电机的故障电流序分量相角特性，对传统交流保护有良好的适应性。 02构网型技术理论研究 3）电网强度识别与适配控制 新能源场站电网强度适应性问题： 现有新能源场站中，发电单元基本基于锁相方式的跟网控制，电网强度较弱时易引发宽频振荡问题。通过配置一定容量的构网型装备可以改善系统阻尼特性。 构网型装备容量需求与电网强度存在相关性： 7电网强度较弱时，重点考虑宽频振荡稳定性和主动支撑电网的能力，需要构网型装备容量占比较高：7电网强度较强时，重点考虑设备对新能源场站调度控制指令快速高精度响应能力，不需要大量设备自主对电网变化进行响应，构网型装备占比可以较低或不需要构网控制。 新能源场站在运行过程中，电网强度可能随时发生变化，吸待研究适应电网强度宽范围变化的解决方案。 02构网型技术理论研究 3）电网强度识别与适配控制 基于跟网/构网可切换设备的解决方案 区域强度识别系统 区域强度识别系统，在火/水/同步调相机、新能源场站、开关站等站点配置区域强度识别系统主站/子站/执行站； 构网与跟网协调控制系统，依据区域强度识别系统信号，以短路容量范围为算法边界，计算出构网型与跟网型运行比例。既保障合理的短路容量，亦提高跟网型的功率精准控制；跟网/构网可切换设备，一套设备两套算法并具备动态切换算法能力。 构网与跟网协调控制 跟网/构网可切换设备（储能系统/SVG） 02构网型技术理论研究 3）电网强度识别与适配控制 案例：电网强度变弱，导致新能源场站出现功率振荡时，通过将部分跟网/构网可切换设备切换为构网模式，可以提高系统阻尼，实现振荡抑制效果，使系统恢复稳定运行。 02构网型技术理论研究 3）电网强度识别与适配控制 案例：当电网强度变强时，跟网/构网可切换设备可根据系统需求与指令，切换为跟网型控制方式，快速高精度的响应新能源场站调度控制指令，可以提升系统总体可控容量与响应速度，加强功率平滑、削峰填谷、紧急功率控制等能力，增强新能源场站出力的稳定性与可控性。 01技术背景简介 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 03构网型技术典型应用 构网型储能/构网型SVG 构网型储能 在平抑波动性的基础上，实现频率调节和电压支撑功能，拓展高比例新能源系统的稳定边界。 构网型SVG 提供一定短路容量和惯量支撑、电压支撑，提高新能源场站的送出极限与运行稳定性，为增强电网强度提供新型解决方案。 03构网型技术典型应用 构网型储能： 暂态容量响应能力 过载能力 允许11倍额定功率长期过载，支持1.2倍额定功率过载10分钟，支持3倍额定功率过载10秒 当电网电压出现角度或幅值跳变时变流器可以提供有功和无功支撑，功率响应时间小于5ms。 电网适应能力 黑启动能力 接收到黑启动信号后，多机并联零电压同步启动构网，并联变流器之间无振荡且环流小于5% 电网电压频率波动范围在4852Hz、电压幅值0~130%范围内根据有关标准要求正常运行。 主动电压调节能力 惯性响应能力 与储能协调控制器配合或自动完成系统电压变化时的无功功率响应实现电压的主动调节。 可以在并网、离网运行模式下体现为电源特性，具备惯性响应能力。 一次调频能力 阻尼控制能力 在并网运行时，变流器可以与储能协调控制器配合或自动完成系统频率变69 当电网频率出现0.2~2.5Hz低频振荡时，可以通过阻尼控制调节有功功率、抑制低频振荡。盗级 03构网型技术典型应用 构网型SVG： 模块化级联多电平拓扑，各功率模块直流侧接入超级电容作为能量载体；√采用大功率开关器件，暂态过程可提供3pu短路电流；电压、频率变化瞬时响应，可提供秒级有功支撑；各功率模块配置高速旁路开关，可在线隔离模块故障，提高运行稳定性与可靠性；■功率密度高，整体损耗低，循环寿命长。 01技术背景简介 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 04小结与展望 04小结与展望 ■新能源的快速发展为电力电子技术的应用带来巨大机遇，也使电力系统面临调频资源不足、系统惯量降低、稳定性受到影响等新问题； 、构网型技术在弱系统适应性、宽频阻抗特性、继电保护兼容性等方面具有优势，随着新能源进一步开发并取代常规能源，构网型技术将在电网中发挥更关键的作用； 跟网型变流器在功率控制响应速度、强系统实用性等方面仍具有优势，未来的电力系统将是构网型+跟网型的混合电力电子化系统； 构网技术在理论分析、工程实用化、规模化应用等方面，仍存在待研究和解决的问题与挑战。 THANKS敬请各位专家指导，谢谢！