构网控制和柔直输电技术未来发展

丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 构网控制和柔直输电技术未来发展 主讲人：张利东 工作单位：南网科研院 时间：2023年10月24号 对具有构网能力的网接变流器的需求 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 电力系统安全运行依赖于同步电机的一些特性，比如 自同步 惯性和快速频率反应 系统强度支持 使用PSS来稳定低频振荡 发电构成变化同步发电机逐步退出，而新能源发电比例在增加 新能源发电比如风电和光伏都是通过变流器与系统连接 目前电网里大多数网接变流器还在采用跟网控制模式，不 具有电网支撑能力。 SynchronousAreaInertia(H(s))-CE 2.5 Source:ENTSO-E 100% CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 构网和跟网型控制 跟网型控制器构网型控制器 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 EZ0 CCC EZe VCC RPCB 构网变流器基本概念： ■和同步机类似的特性 通过产生交流电压”构建一个电网” ■不用通过锁相环与电力网实现同步 现存有很多不同的构网控制器 APC■不同的优缺点 没有最优的控制设计 跟网型控制器典型结构构网型控制器典型结构■应用场景决定了控制器的选择 PCCLPCC Controlsystem 跟网型控制简化结构构网型控制简化结构 APC=有功功率控制器RPC=无功功率控制器 CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 这方面的研究还在进行中！ 中国南方电网 构网控制器的发展历史SEPRI南方电网科学研究院 Load-FrequencyDroop-controlledDroop-controlledDroop-controlledResistive/"oppositedroop"Droop-controlled controlwithparallelconvertesinparallelinverters parallelBESSunits[4]&virtualresistance PVinverterunits BESS[1]standaloneACnetwork[2]forUPS[3]forUPSunitsin1-phLVgrid[5]SMAsunnyisland[6] ++ 198619931997200020012005 PowerVirtualsynchronousVirtualsynchronousDroopcontrol&Droopcontrol&SynchronizationAdaptivedroopgenerator[10]machine[9]adaptiveimpedancevirtualimpedance Control[12]control[11]VSYNCVISMA [8][7] + 201020082008200720062005 EquivalencyofSynchronverter&Hybridsynchronization SynchronverterdroopcontrolandVSGAdaptiveInertiaVirtualoscillatorvirtualimpedanceMatchingcontrolcontrol [13][14]control[15]control[16][17][18,19][20] 2011201320162016201620182021 Source:M.Schweizer,CorporateResearch,ABBSwitzerlandLtd CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 传统矢量电流控制 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 传统的矢量电流控制最初应用在交流可调速电机控VSC 制，其中电机的力矩和速度可以完全解耦控制。 早期的网接变流器都沿用了这一解耦控制思想来对 变流器的有功和无功实现解耦控制。 这种控制思想本质上是让网接变流器变成一个跟随 电网的电流源负荷。如果连接电网很弱时，这种控 制的难度急剧增加。 RPC/AVCInner- APC PLL current controller 1O Innercurrentcontroller: n(s)dH+!'T'O!+(!-J)'T'O=A CCSG2023.AllRightsReserved 南网中央研究院原创技术策源地 功率同步控制(构网控制） 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 功率同步控制的核心是模拟发电机摇摆公U.. 式，传统的锁相环被功率同步环所取代。(0AU 功率同步控制实现了对系统电压的直接支 RPCAVC 撑。SO 构网控制可以更自然的模拟同步机的虚拟阻 抗，惯性，阻尼等特性。 在新能源占比增加的新型电力系统，具有构网能力的网接变流器可以替代同步发电机的功能。 ?E3Ln L P,O Current-referencecontrol Current controller PSL0mfl dtdt SMXSM CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 丰中国南方电网 功率同步控制故障穿越SEPRI南方电网科学研究院 功率同步控制基本结构 同步环节实现矢量控制dg轴锁相和功 率控制，以及惯性阻尼模拟 电压环节实现VSC电压直接控制 VSCvoltagevector: V=(V,+AV)-H(s)r (nd)'n 0.20.40.60.8 限流环节实现故障限流穿越-PSIPLL 备用锁相环 变流器没有解锁前 Curentreferencecontrol:0 故障限流期间aL [C+A)Hp(s)i-Hup(s)u-jo,LJ+i0.20.40.68'0 1.5 Currentcontroller: Controllerve (μn'd) V=a,L(i-i)+joLi+H(s)u5,0.5Limitedvef 0.20.40.60.8 time(sec) AVC U,(p.u.) Y 0.40.6 0.20.40.60.8 (p.u. P 00.20.40.60.80.20.40.60.8 1.5 PSL- PSL 20.5 PLL 0.20.40.60.800.20.40.60.8 time(sec)time(sec) CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 弱交流系统定义 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 交流系统的等效阻抗相对于直流连接点的直流功率较交流系统的机械惯量相对直流注入功率较低 高.等效惯量常数 短路比（SCR）Hdc=H*所有旋转电机的额定功率／直流的额定 ■交流系统的短路容量／直流线路的额定功率功率 ■弱系统SCR<3对常规直流Hdc至少要求在2.0到3.0。 ZIsland Largeac Impedance sytemHVDClinkHVDClink CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 柔直连接高阻抗弱系统 系统建模Power-synchronization 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 ■雅克比转移矩阵建模法可以清晰地给出被控对 象的特性。 针对弱系统的控制架构 在弱系统，交流雅克比矩阵的非对角元素会增加，当系统没有明确的惯性需求，构网控制可 controlinnerloop 以采用多变量反馈控制架构以提高响应速度。AVAU 控制器设计基本限制 交流雅克比矩阵的零点和直流雅克比矩阵的极 点都对控制器的设计有着根本的限制。 电压控制模式 AC-Jacobian transferAPvsoDC-JacobianAPvsC2matrix transfer J(s)APmatrix 在弱系统连接中，电压控制模式要优于无功控Gde(s) 制模式。 AudelAude (uef)2 K.(S) CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 柔直连接高阻抗弱系统的基本限制 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 交流雅克比矩阵的根本限制是右边的零点，直流雅克比矩阵的根本限制是右边的极点 反馈控制器的响应速度会受到零点的限制。向右侧移动 当柔直传输功率增加，零点向原点移动当柔直线路长度增加且传输功率增加，极点会 Z反馈控制器的响应速度必须足够快来稳定系统 ImpedanceVSCVSC2 LargeacdPde sytemHVDClink人人 + 300 P,ok Cacl Ild-2Ca? 200 Z4-75 300300 (as/peu)o 200 290 1009g0-90go~45100 20 200 - 200 300P2a, -200020040060080010001200 -40-90 40geo o(rad/sec) Fig,4.27Root Fig.6.17LociofthetransmissionzerosoftheJacobiantransfermatrixforthesynchronousgen- eratorwithincreasedloadangles CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 构网柔直应用1：使用功率同步控制连接两个极弱交流系统 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 使用功率同步控制的柔直能向系统直接提供InfiniteInfinite 电压支撑，所以对连接系统的短路比没有要 PCCPCC Source Line Source 求，非常适合对极弱系统的互连。 传统矢量电流控制在系统短路比低于1.5时，控制系统就失去稳定。ABB在南部非洲的连接纳米比亚和赞比亚的CapriviLink使用了 功率同步控制，控制器在送端短路比1.2， 受端1.0的工况下实现稳定运行。Power- synchronization innerloop△Pi PdcPdc DC-Jacobian transfer matrix Gae(s) YY △PvsC2 Power- synchronization innerloop Urf Pref Fdei(s)kFadz2(s) Kr(s)Krz(s) +(urer) (uref)2 CCSG2023.AllRightsReserved A(uret) 南网中央研究院原创技术策源地 构网型柔直连接远海风场 丰中国南方电网 SEPRI南方电网科学研究院 OffshoreWindFarm HVDClinks OffshoreOnshore OWF Nordic32 频率控制可以是风机的有功出力对岸上的频率扰动做出反应 直流连接的远海风场与Nordic32系统连 接 CCSG2023.AllRightsReserved南网中央研究院原创技术策源地 丰中国南方电网 风机和柔直的动态交互：跟网型风机SEPRI南方电网科学研究院 标准跟网型柔直系统构网型柔直系统 Frequency/VdccomparisonGrid(ax.1)/WTG(ax.2)injectionFrequency/VdccomparisonGrid(ax.1)/WTG(ax.2)injection 12000061200300 1.21.2 [p.u.][p.u.] 10002501.151000250 1.15 1.1800200 1.1800200 1.05 600 1.05 150 600150 400100 400100 0.95 20050 0.95 20050 0.9 0.9 51015[s]20 51015[s]20 1015[s]2010 Conv_Onshore:ActivePower/TerminalACinIMW Conv_Ofshore:ElecticalFrequencyTemi