风电机组及风电直流并网系统的构网控制与实证

风电机组及风电直流并网系统的构网控制与实证 单位：上海交通大学 报告人:蔡旭xucai@sjtu.edu.cn时间：2023.05.26 主要内容 背景 自同步电压源构网控制策略与首例单机运行 自同步电压源构网控制风电机组运行测试 风电直流并网系统的构网控制 总结 1.1背景与意义—风光发电的发展趋势 “双碳”目标下风光发电迎来持续高速发展；2021年，我国风电和光伏发电装机占比已达26.7%1，预计2030年占比将达49.1%2，将与水电核电共同成为主体电源。 2021装机占比 2030预计装机占比 风电 13.8% 光伏 12.9% 同步电源 45.5% 同步电源 71.6% 光伏 24.8% 其它 1.7% 风电 24.3% 其它 5.4% 同步电源其它风电 光伏 同步电源其它风电光伏 当前风光电源不能担负起主体电源责任！ 数据来源：1国家能源局；2《中国“十四五”电力发展规划研究》 自主建立电压、频率响应、提供短路电流！ 传统同步机电源 提供短路电流 稳态电流 建立电压、释放惯量维持实时功率平衡提供短路电流，支撑电网电压 依赖电网电压、无频率响 应、不能提供短路电流！ 风光电源外特性取决于并网电力电子装备！ 不提供短路电流 稳态电流 风光电源 依赖电网建立电压、不响应负荷变化 不能支撑电网故障电压 问题1：风光电源支撑电网暂态频率和电压的灵活性不足 典型案例：英国、澳大利亚等地，电网故障下风光电源高渗透系统惯量不足导致频率快速下跌，并引发电压连锁反应，造成大停电。 灵活性不足故障案例 问题2：电力电子装备高渗透强耦合风光发电系统，并网稳定问题突出 典型案例：德国北海、新疆哈密、吉林通榆等地风场并网出现“多模式振荡”现象，导致临近火电机组跳闸、工程停运等事故。 风光并网稳定事故案例 低频模式振荡 问题3：暂态电流支撑能力不足（待挖掘），大幅降低新能源直流外送容量 典型案例：甘肃祁韶、青海青豫、陕北等800万千瓦新能源直流外送通道被迫降功率运行。青豫仅运行300万、祁韶600万，弃风弃光已超10%。 典型风光并网事故案例 随着风光占比的提高，问题将更加严峻！亟需变革当前风光电源特性！ 主要内容 背景 自同步电压源构网控制策略与首例单机运行 自同步电压源构网控制风电机组运行测试 风电直流并网系统的构网控制 总结 电力电子接口变换器是重塑风光电源外特性的关键 随着新能源占比的不断提高，风光电源的特性将历经三个阶段：1）故障穿越快速恢复；2）电网电压频率支撑；3）具备构建电网的能力 伴随风光电源特性需求的变迁，接口变换器的控制策略、保护策略和电热耐受能力将发生重大变革 但是电力系统的新能源化演变是一个渐变过程。旧机组的改造、新机组的变革！ 在一系列项目的持续支持下形成一种风电构网控制技术 1、2015年预研，2016年中达科教基金重大项目“具有弱电网稳定控制及电网调节功能的全功率风电变流器控制”立项，2019年11月结题；（稳态控制理论） 2、2020年1月~22年12月周孝信院士国网总部项目“高比例电力电子装备电力系统稳定问题探索研究—新能源并网变换器的电压源型控制”；（对电网稳定性贡献） 3、2020年9月~22年12月国网总部项目“高比例新能源电力系统的自同步电压源型新能源发电关键技术研究”；（全功率变换机组单机示范与测试） 4、2021年1月~22年12月国网华东分部“华东大规模沿海风电群交直流并网适应性和主动支撑能力研究”；（沿海风场应用效果分析） 6、2022年6月~2023年12月中国绿发项目“风力机先进电控系统（主力电源型变流器研发）；（产业化装备研发、构网型双馈和全功率变换机组、主力电源型风场示范） 一种全功率变换风电机组的自同步电压源构网控制 15年提出网侧变换器的惯性同步电压源控制策略，实现自主建立电压、自主感知电网频率波动功能； 维持机侧变换器控制转矩变速运行的基本策略不变，附加惯性传递控制，实现对电网的惯量响应。惯性传递控制 惯性同步控制 机侧变流器控制网侧变流器控制 1、张琛,蔡旭,李征.具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法[J].中国电机工程学报,2017,37(2):476-485. 2、桑顺,张琛,蔡旭,等.全功率变换风电机组的电压源控制(一)：控制架构与弱电网运行稳定性分析[J].中国电机工程学报,2021,41(16):5604-5616. 3、发明专利：ZL2022103202300，自同步电压源全功率变换风电机组控制系统 网侧变换器惯性同步控制的基本工作原理 直流母线电压方程 2HC  u dc0 dudcdt   Pm Pg 其中， CU2 C Hdcn 2Sn 为惯性时间常数  udcUtEg d  变换器输出功率方程 Pg sin xg dtBgGSCg 其中， ωBg 为电网角频率的基准值，g 为电网角频率的标幺值，GSC 为变换器输出电压角频率 建立网侧变换器输出电压角频率与直流侧电压间的联系： GSC udc 控制特性分析——直流电压对电网频率和电压幅值的响应 电网频率 电网电压幅值 直流母线电压 直流电压 并网功率 并网功率 直流电压同时受到电网频率和电网电压幅值波动的影响！如何办？ 惯量传递控制 惯性同步控制稳定与干扰抑制器 机侧变流器控制网侧变流器控制 张琛,蔡旭,李征.具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法[J].中国电机工程学报,2017,37(2):476-485. 桑顺,张琛,蔡旭,等.全功率变换风电机组的电压源控制(一)：控制架构与弱电网运行稳定性分析[J].中国电机工程学报,2021,41(16):5604-5616. 电网频率 电网频率 未加抑制器 直流电压 直流电压 加入抑制器后 并网功率 并网功率 8s时电网频率分别增大和减小0.01p.u.，对比新环节加入前后的结果：加入抑制器后直 加入干扰抑制器后直流电压对电网频率的跟随特性 电网电压幅值 未加抑制器 直流电压 加入抑制器 并网功率 电网电压幅值 直流电压 并网功率 未加稳定与干扰抑制器 加入稳定与干扰抑制器 8s时电网电压幅值变化，对比新环节加入前后的仿真结果：有效抑制了电网电压波动对 直流电压对电网频率跟随特性的理论论证 直流电压动态方程： 2Hdudc P P 功角方程： Bg u  Cdtmg sdcg 网侧变流器输出功率线性化： Pudc0Ut0Eg0 cosudc0Eg0sinU Ut0Eg0sinu 直流电压与电网频率的关系： g u xxtxdc udc0Ut0Eg0Bgcos 2xHC dcKuEsinUEsin uUE cosg s2 PSSdc0g0 t0g0 sdc0 t0g0Bg 2xHC 增大稳定控制系数KPSS能够增加该二阶系统的阻尼比 2xHC s1 g s ulimsu dc s0 dc s1 电网频率阶跃上升时根据终值定理求得稳态值 当电网频率单位阶跃上升时，直流电压上升且与电网频率的稳态值相同 直流电压能够跟踪电网频率的变化；加入稳定与干扰抑制环节，可提高直流电压对电网频率变化的响应速度，抑制对电网电压波动的响应。 考虑电网电压幅值波动，网侧变流器输出功率线性化： Pudc0Ut0Eg0 cosudc0Eg0sinU udc0Ut0sinE Ut0Eg0sinu gxx txgxdc 直流电压与电网电压幅值的关系：udc  s2 udc0Ut0sins2xHC KPSSudc0Eg0sinUt0Eg0sin s 2xHC udc0Ut0Eg0Bgcos2xHC Eg 可见：直流电压与电网电压幅值变化趋势相反，增大KPSS能够增加该二阶系统的阻尼比 Es1 g s ulimsu dc s0 dc s0 电网电压幅值阶跃上升时根据终值定理求得稳态值 可见：当电网电压幅值单位阶跃上升时，直流电压下降且稳态时直流电压变化量为零 加入稳定与干扰抑制环节，能够增大直流电压对电网电压幅值扰动响应的阻尼，减小直流电压的波动 惯性传递控制 惯性同步控制稳定与干扰抑制器 机侧变流器控制网侧变流器控制 1、张琛,蔡旭,李征.具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法[J].中国电机工程学报,2017,37(2):476-485. 2、桑顺,张琛,蔡旭,等.全功率变换风电机组的电压源控制(一)：控制架构与弱电网运行稳定性分析[J].中国电机工程学报,2021,41(16):5604-5616. 3、发明专利：ZL2022103202300，自同步电压源全功率变换风电机组控制系统 自同步电压源构网控制机侧附加致稳控制环节的效果分析 电网频率下降 直流电压 并网功率 风轮转速 电网频率上升 直流电压 并网功率 风轮转速 电网频率分别增大和减小0.01p.u；加入机侧致稳控制后，可见风电机组具备更大的惯量响应能力 自同步电压源构网控制附加电网故障暂态控制环节 惯性同步控制 稳定与干扰抑制器 惯量传递控制 机侧变流器控制网侧变流器控制 1、桑顺,张琛,蔡旭,等.全功率变换风电机组的电压源控制(一)：控制架构与弱电网运行稳定性分析[J].中国电机工程学报,2021,41(16):5604-5616. 2、秦垚，王晗，蔡旭等.全功率变换风电机组的电压源控制(二)：故障暂态控制[J].中国电机工程学报,,2023,43(02):530-543. 交流电压 交流电流 直流电压 功率 满功率对称低穿20%满功率对称低穿60%满功率对称低穿90% 低压侧交流电压 低压侧交流电流 高压侧交流电压 高压侧交流电流 直流电压 大功率不对称低穿20% 满功率发电时20%不对称低电压故障 低压侧交流电压 低压侧交流电流 高压侧交流电压 高压侧交流电流 直流电压 小功率发电时20%不对称低电压故障 风电机组自同步电压源构网控制附加暂态控制后可穿越电网故障！ 2021年对北京金风科技园区的一台2.3MW永磁直驱风电机组进行自同步电压源控制改造，11月9日正式投入运行，并进行长期运行考验，至今状态良好！ 金风科技2.3MW风电机组 型号：GW131-2.3MW 塔尖高度：125m 提出的自同步电压源构网控制方法仅需对风电机组的变流器控制软件升级即可实现风电机组的电压源控制改造，无需改动硬件 现场电网电压THD=3.65%的情况下，并网电流THD=1.65%，直流电压纹波2%；风功率波动情况下，机组运行稳定。直流电压可准确跟踪电网频率的波动！ 主要内容 背景 自同步电压源构网控制策略与首例单机运行 自同步电压源构网控制风电机组运行测试 风电直流并网系统的构网控制 总结 2022年4月6日对甘肃安北第二风电场的第71号和第75号永磁直驱风电机组（2MW）进行自同步电压源构网控制改造，开展电网适应性、惯量响应等测试，并进行长期运行测试考验。 甘肃安陆风电场运行测试 金风科技2MW风电机组 7175 型号：GW121-2.0 塔尖高度：85m 并网有功(橙色)/无功(绿色)并网点两相电流(全局) 并网点两相电压并网点两相电流(局部) 分别下发限功率运行指令，600kW和200kW，风机能够按照下发指令正确输出有功功率。 并网有功(蓝色)/无功(橙色) 分别下发无功功率指令，100kVAR和-100kVAR，风机能够按照下发指令正确动作输出无功功率，100kW阶跃响应时间约为47ms，-100kW阶跃响应时间约为48