1. 李少林 構網型風機在新型電力系統中的應用與挑戰 - 北京-新國展1017.pdf

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1、中國電力科學研究院可再生能源并網全國重點實驗室2024年10月21日 北京構網風電在新型電力系統中的應用與挑戰匯報大綱Contents一、技術背景二、構網型風電技術三、技術標準與實踐四、總結與展望 我國能源活動碳排放占碳排放總量的88%，電力行業占能源活動碳排放的43%，能源電力綠色低碳轉型是我國實現“雙碳”戰略目標的關鍵。電力系統向著清潔低碳、安全充裕、經濟高效、供需協同、靈活智能的新型電力系統快速演進，電力生產結構發生顯著變化。3一、技術背景 電源構成從確定性、可調可控的常規電源占主導，逐步演化為間歇性、波動性的新能源發電占主導。新能源已成為系統裝機的主體電源。2024年上半年，新能源新增

2、裝機1.28億千瓦，占新增裝機84%；累計裝機11.8億千瓦（風電4.7億千瓦，太陽能發電7.1億千瓦），裝機規模首次超過煤電。4一、技術背景0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%70.0%80.0%90.0%100.0%2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年2023年202406火電水電風電、光伏其他水電14.0%煤電38.0%非煤火電7.8%核電1.9%風電15.3%太陽能發電23.1%2010年2024年6月我國電力系統電源結構我國電力系統電源結構（2024.06）新

3、能源裝機規?？焖僭鲩L，電源結構發生深刻變化 2024年上半年，國網經營區8?。▍^）新能源為第一大電源，7?。▍^）裝機滲透率超過50%，青海新能源裝機占比69.1%；2024年上半年，國網經營區新能源發電量占比21.8%，甘肅、蒙東、吉林、冀北等7?。▍^）新能源電量滲透率超過25%，冀北和青海分別為45.6%、45.8%。5一、技術背景 新能源逐步成為電力裝機和電量供應的主體國網經營區部分?。▍^）新能源滲透率70.0%75.0%80.0%85.0%90.0%95.0%100.0%05000100001500020000250003000035000400002013201420152016201

4、7201820192020202120222023 202406風電并網容量（萬千瓦）利用率（%）國網經營區風電并網容量及利用率0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%70.0%80.0%0.01000.02000.03000.04000.05000.06000.07000.08000.09000.0新疆甘肅冀北青海寧夏河北蒙東吉林新能源裝機（萬千瓦）新能源發電量（億千瓦時）裝機滲透率(%)電量滲透率（%）新疆、張北等地風電場在弱電網下發生次同步振蕩事故 英國等地新能源支撐能力不足，電網故障引發大面積脫網，繼而引發大停電6一、技術背景 新型電力系統中低抗擾、弱支撐新

5、能源穩定運行面臨挑戰2019年英國“89”大停電事故頻率曲線風電滲透率高達30%山北吐魯番哈密敦煌龍源盾安新能東方民生國電電力上湖國電三塘湖三道嶺麻黃溝東麻黃溝西天電大唐國投盛天華能新華豐源中廣核東方民生尚風寬洋沙洲天山換流站綠洲電廠鄭州尚風光國投淖毛湖南風匯天潤中廣核巴里坤馬蓮泉耀輝源和歐瑞三塘湖中廣核望洋臺東風匯大唐東豪弘毅中電投中電建中廣核融信國華望洋臺風匯國華龍源中節能龍源三峽大唐華電華能疆潤回莊子魯能嘉利二嘉利天潤二天潤石城子中電投國電益鑫中水顧問弗光華能中科恒源天潤東方民生漢能國電能源國華佳靈榮信錦城力諾三峽華電二宣力遠鑫鄂能新特潤天疆源疆能煙墩十三間房中電投國投疆源華能蒲類海天潤

6、中電投三峽大唐華電疆能三塘湖片區風電3494MW淖毛湖片區風電741MW煙墩片區風電3698MW中西部片區風電396MW扭振保護動作次/超同步振蕩電流國投南湖神華花園大唐紅星風匯大唐華電特變電工華能望洋臺西風匯淖毛湖振蕩導致3臺火電機組扭振保護跳機2015年哈密風電接入弱網穩定事故 新能源發電電網友好型主動支撐技術應運而生，主要分為基于鎖相同步的跟網型和基于功率同步的構網型控制技術風電機組并網形式轉變風電機組電壓源型并網風電機組電流源型并網等效PQ節點,P Q電流參考值電網PCCZgZout等效電流源等效PV節點U電壓參考值電網PCCZg等效電壓源電網構網型Grid forming跟隨型Gri

7、d following以同步發電機為主導的電網環境以新能源為主導的電網環境一、技術背景7 構網是新能源完成向“主體電源”轉變的關鍵技術匯報大綱Contents一、技術背景二、構網型風電技術三、技術標準與實踐四、總結與展望跟網型主動支撐技術：基于檢測電網頻率/電壓波動，通過功率外環附加控制（P-f、Q-V控制），調整功率控制指令，實現對電力系統的頻率/電壓動態支撐構網型控制：不同于跟網型的PQ控制模式，構網型功率環輸出電壓指令，且能夠相位自同步，根據各種負載的需求實時調整功率跟網型構網型3s2r1/s2.1 構網與跟網主動支撐對比9 跟網型具有電流源特性，功率調節能力強，缺乏主動支撐能力，弱電網

8、適應性差。構網型具有電壓源特性，可自主支撐/構建電網電壓，弱電網適應性強，但強電網下可能存在穩定問題。實時SCR=10(強電網，Zg小)實時SCR=2(弱電網，Zg大)電壓電流電壓電流時間時間構網型發電單元并網穩定性跟網型發電單元并網穩定性實時SCR=10(強電網，Zg小)實時SCR=2(弱電網，Zg大)PCC 電壓 400V/div電站總電流 10kpu/div(a)50ms/divResonance at 31.5Hz Pos電壓電流時間(b)PCC 電壓 400V/div電站總電流 10kpu/div20ms/div電壓電流時間ZRESPCC電網母線電網母線電網等效電網等效阻抗阻抗ZgV

9、RESPCC電網母線電網母線電網等效電網等效阻抗阻抗ZgZRESIRES102.1 構網與跟網主動支撐對比構網型技術是將變流器控制為自同步電壓源，使其內電勢相量在暫態和次暫態過程中保持或接近恒定，并具備電網電壓與頻率支撐、孤立組網能力的一類控制技術。功能與性能常規火電機組跟網型新能源構網型新能源內電勢穩定具備不具備具備有功瞬時分擔具備不具備具備無功瞬時響應具備不具備具備黑啟動具備不具備具備慣量響應能力具備具備具備響應時間無延時慢快一次調頻能力具備具備具備完全響應時間慢（30s）快（5s）很快（500s）無功調壓能力具備具備具備響應時間0.3%1%額定電壓/s快(30ms)很快(20ms)112

10、.1 構網與跟網主動支撐對比構網型控制主要采用下垂控制、虛擬同步發電機控制、匹配控制（直流電容慣性同步）等來實現，并在此基礎上產生了多種內外環的改進控制策略2.2 構網型控制策略122.2 構網型控制策略13虛擬同步控制匹配控制/虛擬振蕩器控制下垂控制1993下垂用于UPS實現無附加通信情況下各不間斷電源自動功率分配2002下垂用于微電網用于微網各分布式電源無通訊網絡下功率分配，電壓/頻率調節與環流抑制下垂控制改進引入虛擬阻抗改變逆變器輸出阻抗，實現功率解耦與穩定性增強2007虛擬同步機(VISMA)模擬同步電機軸系、繞組與勵磁系統控制輸出電流，具有電動機/發電機外特性2009同步逆變器(Sy

11、nchconverter)模擬同步發電機軸系與勵磁直接控制逆變器輸出電壓，無鎖相環/電壓環/電流環虛擬同步發電（VSG）模擬同步發電機調速器與軸系特性，提高逆變器慣量支撐性能20112016匹配控制/直流電容慣性同步建立直流電容與交流頻率的匹配關系，實現網側逆變器的交直流功率傳遞與主動支撐構網型新能源基于電壓源的構網型控制在新能源并網逆變器與風電機組等的適配應用及改進2013虛擬振蕩器(VOC)通過模擬非線性振蕩器實現無通訊情況下多逆變器自同步與功率分配20042018【構網控制發展歷程】電流控制環構網型控制（VSG控制）跟網型控制（PQ控制）【跟/構網型變流器控制結構的統一性】Pgudcug

12、egL1igL2ucQg脈寬調制sgabcdqabc變換器電網PLLVSGigdigqigdrefigqref控制器控制器igdref1igdref2igqref1igqref2ugabc*+_+_dqabcPLLVSGvgabcigabcvgdqigdqPIPIPPrefQQref+_+_igdref1igqref1+_+_gridD1s1Js01142.2 構網型控制策略風電機組電壓源控制分類PMSGRSC ControllerGSC ControllerUdcirLgurrefugrefCdcWT Controller rPsrefigLTGridGearboxDFIGRSC Contr

13、ollerGSC ControllerUdcirXgurugCdcCfWT ControllerrPsrefigXTRLXLXCENetworkDFIG主流風電機組類型2.3 構網型風電機組控制 風電機組電壓源型控制主要由發電機側和電網側變流器協同實現，需主控系統協調配合15DIFG電網電壓源型控制直流電壓控制直接電壓控制間接電壓控制網側鎖相控制整機電壓源控制基于VSG控制的雙饋風電機組構網控制PrefPQrefQ功率控制環1/srefrrVrefVmPIVr轉子電壓PrefPQrefQ功率控制環1/srefrVrefirefref定子電壓環轉子電流環定子電壓轉子電壓Vr直接/間接電壓式控制

14、根據網側變流器控制方法的不同，雙饋風電機組分為網側鎖相電壓源和整機電壓源控制SVPWM2r/3s3s/2s2s/2r0功率計算QrefPIv3s/2s2s/2rDFIG直流母線電網PIiPIvPIiPrefD1sdtr162.3 構網型風電機組控制egLfRgMSCPMSGudcWindBattery iesUesLesg1g2+_ESCPgPmigLgupGSCQgsBgPWMUt+Ut0PI+_QgrefQgudcudcrefudcControl Loop of GSCsgabct,rsmabcZgZWTControl Loop of MSCMPPT Control and Vector

15、Control+_iesrefiesPIPWMse1se2Kd+_udc+1+uSOCControl+udcsKinControl Loop of ESCTs+11Pes風儲協同構網控制全功率變流器機組主要構網控制方式172.3 構網型風電機組控制 直驅機組分為機側直流電壓+網側虛擬同步控制 和 機側功率+網側匹配控制建立了跟/構網型風電機組小擾動分析模型，基于特征模態與參與因子分析，對比研究寬頻動態特性，明確了跟/構網型風電機組多物理/控制環節特性耦合及變化規律。2.4 含構網型風電系統特性分析18sssssxAxBuyC xDu=+=+&xs=dsqsdrqrGFM GFMigdigqUd

16、cxpllpllsttrx1x2x3x4x5x6x7x9x10；模態-狀態變量耦合關系分析0510152000.10.20.3參與因子參與因子軸系 虛擬同步控制 電壓控制、RSC 直流電容、GSC環節耦合特性0510152000.20.40.6參與因子參與因子軸系、轉速控制 鎖相環、RSC外環虛擬慣量控制、一次調頻阻尼變化規律構網型單元低頻段薄弱阻尼薄弱頻段跟網型單元次同步段薄弱-8-6-4-202實軸(p.u.)-202虛軸(Hz)0.030.51不穩定區域-14-12-10-8-6-4-202-500500.1虛軸(Hz)實軸(p.u.)Kpi由0.1增加至10.51不穩定區域狀態空間模型

17、051015202530354000.20.40.6參與因子構網型機組跟網型機組傳動鏈軸系傳動鏈軸系建立了風電跟/構網型多機和構網型多機和交互動態模型，研究了構網型多機和跟/構網型多機特性耦合規律與失穩機理。特征值大小頻率阻尼比頻帶范圍主要參與環節17,18-0.92+2.21*22.220.06低頻GFM1&2 虛擬同步，電壓下垂，虛擬電感控制19,20-1.31+1.75*21.750.12GFM1&2 虛擬同步，電壓下垂控制9,10-24.43+68.59*268.590.06次/超同步GFM1&2 虛擬電感，RSC電流內環控制11,12-13.7+87.59*287.590.02GFM

18、1&2 虛擬電感，RSC電流內環控制構網型多機交互影響分析192.4 含構網型風電系統特性分析特征值大小頻率阻尼比頻帶范圍主要參與環節15,16-85.2 1.04i*21.040.99低頻GFM虛擬同步控制、RSC外環、電機磁鏈21,22-1.78 2.63i*22.630.1GFL傳動鏈軸系19,20-1.62 2.75i*22.750.1GFM虛擬同步控制、RSC外環、電機磁鏈13,14-141.35 46.11i*246.110.44次/超同步GFM電機磁鏈、RSC內環GFL電機磁鏈、RSC內環11,12-18.69 55.41i*255.410.05GFM&GFL電機磁鏈特征模態與參

19、與因子分析51015202500.20.40.60.8參與因子參與因子狀態變量序號GFM1功率同步環GFM2功率同步環-40-2002040-200-1000100200SCR 增大SCR=1.2 保持穩定SCR=10 不穩定實軸虛軸-40-2002040-150-100-50050100150虛擬電感增大無虛擬電感時不穩定SCR=3虛軸實軸多機系統根軌跡分析跟構網多機構網型多機構網型多機除自身外，也可由其他機組導致振蕩，振蕩形態多樣、成因復雜，低頻振蕩受短路比、線路阻抗、機組臺數等影響典型振蕩形態線路阻抗影響機組間功率交互振蕩機機、機網功率交互振蕩機組2機組3線路阻抗較大機組2線路阻抗較大2

20、02.4 含構網型風電系統特性分析單機穩定多機振蕩機組1穩定機組2并入系統，產生低頻振蕩 基于某構網型風電場項目，針對構網型風電與儲能不同配置方案對系統動態特性和短路容量（電網強度增強）的影響進行時域仿真對比分析 IEEE 3機9節點matlab小系統仿真 和 ADPSS-PSASP接入大電網混合仿真序號跟網型風電(%)構網型風電(%)構網型儲能(%)分布式調相機(%)方案1100000方案21000010方案31000100方案49010100方案58020100212.5 含構網設備風電場仿真構網型風電場不同配置方案ADPSS風電場電磁暫態仿真模型 跟網型風電機組（GFL）、采用功率附加控

21、制的跟網型主動支撐風電機組（GFL+droop）和基于VSG控制的構網型風電機組（GFM）的主動支撐特性對比 構網型新能源設備電壓/頻率響應速度與幅值均顯著優于跟網型不同控制模式電壓主動支撐對比不同控制模式頻率主動支撐對比222.5 含構網設備風電場仿真90%Un電壓下擾（220kV母線）232.4 含構網設備風電場仿真-小系統仿真頻率下擾主動支撐能力對比（220kV母線）不同配置方案并網點三相電流、電壓、有功和無功【方案一】【方案二】【方案五】242.4 含構網設備風電場仿真-混合仿真匯報大綱Contents一、背景與意義二、構網型風電技術三、技術標準與實踐四、總結與展望26三、技術標準與實

22、踐跟網型主動支撐技術形成了完整的標準體系，并取得了規?；瘧贸尚嬀W型技術尚未給出明確的定義與性能規范，多處于試驗示范階段27國家機構/組織標準名稱特點中國中關村儲能產業技術聯盟構網型儲能變流器技術規范構網型儲能專用的技術規范英國NationalGrid ESO(1)Compliance Guidance NotesforNOA StabilityCompensation Service Phase 3,May 2022(2)Great Britain Grid FormingBest Practice Guide,April2023全球領先的構網控制技術規范通用的技術規范以及測試指南，但是主

23、要針對儲能以及同步發電機澳大利亞AEMO-Australian Energy MarketOperatorVoluntary Specification forGrid formingInverters,May 2023主要適用于構網型儲能系統技術指南不是嚴格意義上的技術規范美國NERC-North AmericanElectric ReliabilityCorporationGrid FormingFunctionalSpecificationsforBPS-ConnectedBattery Energy StorageSystems,June 2023構網型儲能專用的技術指南不是嚴格意義上

24、的技術規范德國VDE-Association of GermanElectrical EngineersFNNGuideline:Grid formingbehaviorof HVDC systems andDC-connectedPPMs專用于高壓直流系統【構網型通用技術規范】3.1 構網型技術標準28構網型核心功能跟/構網型通用功能 慣量響應 一次調頻 相位跳變 無功調壓 孤網運行（非計劃性孤島無縫切換）有功/無功控制 電網強度增強（弱電網運行適應性）低電壓故障穿越 黑啟動 高電壓故障穿越 過流能力（短路電流提供）電網適應性 功率振蕩阻尼【構網型功能指標思考】3.1 構網型技術標準29核心

25、功能技術指標英國中國美國慣量響應響應時間 5 ms 500 ms接近于立即響應有功功率調節量 功率調節理論值慣量時間常數2-16 s相位跳變最大耐受相變 60 30孤網運行非計劃性孤島構網型設備需能持續支撐本地負載能夠在與同步發電機斷連的情況下穩定運行弱電網適應性(電網強度增強)電網短路比在110范圍內時可穩定運行降低次暫態時間尺度電流變化帶來的電壓變化敏感度黑啟動能力當與電網斷開連接時，并聯儲能變流器能夠支撐頻率和電壓不必須要提供黑啟動服務，黑啟動能力要求需單獨規定功率振蕩阻尼阻尼振蕩頻率范圍0.32.0Hz0.22.5Hz有功功率支撐量 10%Pn10%-30%Pn短路電流電壓故障期間擁有

26、過電流能力200%額定電流下持續運行時間不少于2s【構網型核心功能對比】3.1 構網型技術標準 牽頭編制中國電器工業協會團標構網型風電機組并網技術要求與測試規程(報批稿)申請制定國家標準構網型風電并網技術規范，已完成標準初稿構網型風電機組并網技術要求與測試規程30構網型風電并網技術規范 構網型風電機組并網技術要求與測試規程本文件規定了構網型風電機組的并網技術要求、測試設備與測量要求、測試方法及測試報告。本文件適用于構網型風電機組。主要技術內容：慣量響應；一次調頻 電壓相角變化；暫態電壓支撐；電壓和頻率適應性；低短路比運行適應性；主動阻尼控制；模式切換；獨立帶載運行。3.1 構網型技術標準硬件在

27、環仿真實驗主控PLC變流控制器風電機組控制器硬件在環仿真平臺風況、氣動及機械部分仿真模塊主控制器主控制器變流控制器變流控制器通訊通訊模型同步接口模型同步接口控制器同步接口控制器同步接口1控制器同步接口控制器同步接口2主控制器實時仿真模塊電氣實時仿真模塊 極弱電網運行適應性3.2 構網型風電仿真與試驗31190240290340390440490540590640Time(s)10.511.011.512.012.513.013.514.014.5Wind Speed(m/s)190240290340390440490540590640Time(s)8090100110Torque Ref./F

28、d.(%)190240290340390440490540590640Time(s)0.51,01.52.02.53.0Power(MW/MVar)0-10-30-40 40 30 10 0200250300350400450500550600650700750Time(s)10.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.5Wind Speed(m/s)200250300350400450500550600650700750Time(s)0.51.01.52.02.53.03.5Power(MW/MVar)2002503003504004505005506

29、00650700750Time(s)9095100105110Torque Ref./Fd.(%)短路比1.0 3.0范圍突變運行 電網相角-40 40范圍跳變運行0-10-30-40 40 301001.0 3.0 1.53.0 1.33.0 1.05 3.0 1.0現場試驗TEST equipment BDFIGGSCMSCAGridCCJ-1CJ-2CJ-3101351013510135GirdWTGCJ-4可控電抗器基波繞組諧波繞組模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊模塊

30、10kV35kV35kV電網模擬器323.2 構網型風電仿真與試驗P_puQ_puFlagVSG0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50p.u.-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.20p.u.-0.20.00.20.40.60.81.01.2flag100105110115120125130135140sP_puQ_puFlag0.60.70.80.91.01.11.2P/Pn0.00.10.20.30.40.50.6Q/Pn-0.20-0.070.060.190.320.450.580.710.840.9

31、71.10flag1.601.651.701.751.801.851.901.952.00103 sUa_puUb_puUc_puIq_puflag0.000.110.220.330.440.550.660.770.880.991.10U/Un-0.40-0.21-0.020.170.360.550.740.931.121.311.50I/In-0.20.00.20.40.60.81.01.2flag39404142434445464748s匯報大綱Contents一、背景與意義二、技術要求與現狀三、主動支撐技術與實踐四、總結與展望四、總結與展望 構網型技術賦予新能源成為主體電源的潛質，具有較好的暫態電壓/頻率支撐能力和弱電網適應性，有助于提升新能源高占比系統電壓和頻率穩定水平。跟/構網型新能源設備適用電網場景不同，構網型新能源與電網應用場景的匹配性對其是否發揮作用至關重要，需根據電網條件選擇相應的跟/構網設備。構網型風電機組尚處于試驗示范階段，核心功能與參數尚需嚴格試驗驗證，構網型設備多機之間存在新的穩定問題，需要進一步深入研究。加快推進首個構網型示范風電場建設，并開展設備級、場站級與電網級的現場試驗，促進構網型新能源國家標準制定，規范與引導構網型新能源場站建設。34匯報完畢，謝謝!李少林，教授級高工