分布式调相机对大规模新能源汇集的支撑作用探讨

王西田副教授上海交通大学 背景介绍 ·近几年我们团队参与承担了几项调相机和新能源汇集相关的研究：上海电气电站集团发电机厂委托课题《分布式调相机对新能源为主体的新型电力系统支撑作用的研究》和《双轴励磁调相机励磁系统控制策略研究》，国家电网有限公司总部科技项目《大型新能源基地交流汇集工程设计关键技术研究》。首先感谢上海发电机厂和国网等单位对我们高校研究团队的支持！ 中国电机工程学会电机专委会及其调相机学组组织的全国性、多行业、跨专业学术交流活动，引导和推动了我们团队的相关研究。特别感谢专委会提供了本次汇报交流机会！ 本次汇报交流的一些内容仅是个人观点，不当之处在所难免，敬请批评指正！ 报告提纲 大规模新能源并网系统网机关系的特点 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 双碳目标与新型电力系统 >2020年9月，习近平主席在75届联大讲话中宣布：中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。 >2020年12月，习近平主席在气候雄心峰会讲话中进步宣布：到2030年中国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。 >2021年3月，中央财经委员会第九次会议：要把碳达峰碳中和纳入生态文明整体建设布局，倡导简约适度、绿色低碳生活方式，构建以新能源为主体的新型电力系统。 总结：双碳目标与新型电力系统已上升为国家战略 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统中的网机关系 >新型电力系统的两个典型特征： ◆高比例可再生能源 →高比例电力电子装备 》“双高"电力系统具有低惯量低抗扰、弱支撑特性，故障影响不确定更强，对电网冲击更大，极易引发连锁反应与系统稳定破坏风险。 总结：新能源发电与大电网之间的相互作用加强，系统同步机制发生重大变化 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统网机关系问题的案例 >新能源场站故障特性将影响系统安全 √澳大利亚极端天气下的连续故障穿越 ●2016年9月28日，新能源发电占比高达50%的南澳大利亚，极端天气（台风暴雨）引起电压跌落导致大量风机脱网。6次电压跌落期间累计脱网约505MW，16:18:15第6次电网跌落时约445MW风机脱网。 联络线最大容量600MW，线路故障前潮流有525MW，风机脱网后潮流瞬间增大至900MW，联络线跳开，系统崩溃，南澳大利亚州大停电(50h)。 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统网机关系问题的案例 >高比例新能源发电会引起次超同步振荡 /华北沽源风电与串补输电参与的次同步振荡 2012年，沽源地区风电场装机容量增大，此后年内发生次同步振荡事件58次。 某次同步振荡事件中活源变电站220kV侧的有功功率录波如右下图。事件大致分为三个阶段：（1）出现次同步振荡且幅度迅速增加：（2)保护检测到振荡发生，数百台双馈风力发电机在30s内跳闸风力发电机组数量的减小增大次同步振荡频率正阻尼，振荡逐渐收敛，但振荡仍然存在；(3)其中一个串联电容器停止工作，振荡消失。 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统网机关系问题的案例 >高比例新能源发电会引起次超同步振荡 √新疆哈密风电与火电参与的次同步振荡 2015年7月1日，哈密的风电场群（以全功率变流型风机为主)与当地弱交流电网产生相互作用，全功率变流的控制特性影响了相互作用的机制。通过PMU录波数据进行事故后分析，看到次同步频率的振荡功率的路径存在于风电场群与火电厂之间。 功率振荡的频率与临近火电机组大轴的自然振荡频率(30.7Hz)匹配，引起轴系的扭转振荡，触发扭振保护动作，导致远在200km之外花园电厂3台660MW火电机组跳机。 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统网机关系问题的案例 >高比例新能源发电会引起次超同步振荡 新疆哈密风电与火电参与的次同步振荡 2015年7月1日，哈密的风电场群（以全功率变流型风机为主)与当地弱交流电网产生相互作用，全功率变流的控制特性影响了相互作用的机制。通过PMU录波数据进行事故后分析，看到次同步频率的振荡功率的路径存在于风电场群与火电厂之间， 功率振荡的频率与临近火电机组大轴的自然振荡频率(30.7H)匹配，引起轴系的扭转振荡，触发扭振保护动作，导致远在200km之外花园电厂3台660MW火电机组跳机。 一、大规模新能源并网系统网机关系的特点 大规模新能源并网系统网机关系问题的案例 >风电并网特性不足导致的电网大停电事故 √英国海上风电场脱网事故 ●2019年8月9号，由于雷击引起的霍恩海上风电以及一座天然气发电厂脱网，最终造成包括伦敦在内的大半个英国地区陷入瘫痪，超过100万人无电可用的严重电力事故。 ·由于遭受雷击以及雷击引起主网线路停运，海上风电场接入的电网变薄弱，故障过程中观察到了短时的10Hz左右的次同步频段振荡，风电场35kV系统与主网之间产生大量无功功率交换，风电机群由于机组过流保护动作而脱网，另外大量分布式光伏在此次事故中脱网。该现象说明霍恩风电场内风机或动态无功补偿设备，在调节、抗扰动能力等涉网技术特性方面存在不足，SJTU 报告提纲 分布式调相机的涉网特性分析 二、分布式调相机的涉网特性分析 I调相机工作原理 二、分布式调相机的涉网特性分析 调相机绕组等值电路 二、分布式调相机的涉网特性分析 调相机暂态过程磁路分析 故障后突增的短路电流产生去磁作用，由楞次定律，励磁绕组会增大电流，其产生的感应磁通追使电枢反应磁通“改变路径，对应磁路电抗X" 故障后突增的短路电流产生去磁作用，由楞次定律，励磁绕组会增大电流，其产生的感应磁通追使电枢反应磁通Φ改变路径，对应磁路电抗X. 转子主磁通Φ。感应产生空载电势，定子电枢反应磁通Φ。感应产生经过的磁路电抗X上的压降，定子漏磁通Φ感应产生经过磁路电抗Xs上的压降 二、分布式调相机的涉网特性分析 I调相机动态无功特性 （2）强励期间无功电流分析 （1）小扰动无功电流分析 X, + XE, =At* + Bs+C+ F(s)x,3(), 9 + 8), =x($) 9 + 8AUUAs° + Bs + C+ F(s)x, x, +X,+x 结论：减小x，和x可以增大无功电流，改善调相机的动态无功特性 二、分布式调相机的涉网特性分析 调相机接入对短路比的影响 短路比：系统短路容量与新能源额定容量的比值。短路比是衡量电源接入点并网强度的重要指标，低短路比并网的新能源电站发生振荡、电压失稳等问题的风险较高。 接入调相机前的短路电流：X 接入调相机后的短路电流：X,X, +X,X, 调相机接入系统示意图 二、分布式调相机的涉网特性分析 调相机接入对短路比的影响 举例说明：U,=1，X,=1，X,=0.12，E，=1.0，X=0.2，S%=200MVA,Q,=50MVar其中，Y为折算判调相机侧前的网络转移阻抗等效电抗，S为系统额定容量，O为调相机额定容量。接入调相机前的短路比：K scR1 =1X,l= 1接入调相机后的总阻抗（调相机侧看）：X×(X,+X,)_0.25×0.32X, +(X+X,)= 0.140.25+0.32接入调相机后的总阻抗（系统侧看）：接入调相机后的短路比：KscR21=1.78Z.r 结论：调相机接入后会增大新能源并网系统短路比，改善新能源并网系统运行条件 二、分布式调相机的涉网特性分析 电机参数对短路比的影响 短路比增大倍数：投入调相机后的短路比增量与投入前的短路比的比值。 结论：参数E、X和X在影响短路比增大倍数上起主导作用增大E，，减小X，、X，都可以提高短路比增大倍数 二、分布式调相机的涉网特性分析 分布式调相机涉网特性参数指标 根据《DL/T2658-2023快速动态响应同步调相机技术规范》，分布式调相机应该具有很强的短时过载能力和快速动态无功调节能力，具体指标如下： （1）d轴暂态开路时间常数Tdo'宜不大于8.0s：（2）d轴暂态短路时间常数Td应不大于0.95s：（3）直轴瞬态电抗Xd'（饱和值）应不大于0.22p.u.；（4）直轴超瞬态电抗Xd"（饱和值）应不大于0.14p.u.：（5）调相机定子绕组应能承受3.5倍额定电流持续时间不小于15s：（6）调相机转子绕组应能承受2.5倍额定励磁电流持续时间不小于15s：（7）调相机应具有1.3倍额定电压下进相持续时间不小于1s的能力：（8）机端电压为额定值的80%时，应能保证3.5倍额定励磁电压：（9）2.5倍强励电流持续时间不小于15s：（10)电压响应时间应满足：上升时间不大于0.02s下降时间不大于0.025s。 二、分布式调相机的涉网特性分析 小结 分布式调相机的涉网特性参数主要为调相机次暂态电抗X，和初始内电势E。另外还与变压器等值阻抗X有密切关系， X，和X，越小，动态无功特性越好，短路比增大倍数越高，其优化参数基本等于当前设计制造所能达到的最小值， 报告提纲 分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 三、分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 大规模新能源汇集的支撑需求 根据国家“双碳“战略整体部署，我国先后发布了以沙戈荒地区为重点的大型风光基地布局规划及三批次的大型新能源基地项目清单。 多个开发主体的大型新能源基地进入大规模建设阶段，汇集送出工程的建设是影响新能源基地并网和消纳的重要环节。 乌兰布和基地：十四五2100万，十五五3900万车布齐基地：十四五3900万，十五五4200万巴丹吉林基地：十四五2300万，十五五4300万腾格里基地：十四五4500万，十五五3200万采煤沉陷区（陕、晋、蒙、宁）：十四五3700万其他基地：十四五3490万，十五五9900万 三、分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 大规模新能源汇集的支撑需求 调研发现新能源基地交流汇集工程存在电压稳定裕度偏低、多场站短路比偏低、静态电压稳定储备不足、暂态过电压水平偏高、宽频振荡风险等问题。 新能源场站和汇集站动态无功配置的建设主体不同，设备布置方案和设备参数不统一，没有形成分工协调和优化布局。 乌兰布和基地：十四五2100万，十五五3900万车布齐基地：十四五3900万，十五五4200万巴丹吉林基地：十四五2300万，十五五4300万腾格里基地：十四五4500万，十五五3200万采煤沉陷区（陕、晋、蒙、宁）：十四五3700万其他基地：十四五3490万，十五五9900万 三、分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 分布式调相机对大规模新能源汇集的支撑作用 分布式调相机对大规模新能源汇集的支撑作用，主要体现在动态无功/暂态电压支撑、短路比支撑和惯量支撑三个方面。 分布式调相机可以增强系统的动态无功支撑能力，增大系统的短路比，提升系统的电网强度；高惯量的调相机可以对系统提供惯量支撑，降低故障时系统的频率变化率。 三、分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 多种动态无功补偿装置特性比较及其协调运行策略 分布式调相机定子具有3.5倍×15s的过载能力，瞬时无功支撑能力强（1个周波以内的时间尺度）另外可以能够提供短路比和惯量支撑，从根本上解决宽频振荡等稳定问题，但是一次投资较高。 SVG控制响应快(1个周波以上的时间尺度），对系统电压恢复支撑能力强，但是SVG电流过载能力相对弱一些（不超过1.3倍），另外不提供短路电流和惯量。 多种动态无功补偿协调互补，有利于提高综合技术经济性 三、分布式调相机对新能源汇集的支撑作用 多种动态无功补偿装置特性比较及其协调运行策略 最近有新闻报导构网型储能、构网型SVG示范应用，构网型储能/SVG呈现电压源外特性，被认为具有与同步发电机/调相机类似的特性 构网型储能/SVG具备3.0倍*10s的过载能力，接近新型调相机的技术要求。