新能源并网控制技术的发展：从电网友好型到主动支撑型

国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 止转载 新能源并网控制技术的发展 从电网友好型到主动支撑型 作者授权中国电 王伟胜 中国电力科学研究院有限公司 2023年9月23日 经作者同意禁止转载 技术背景 C 主要 内容 作者授权中国电源 跟网型并网控制 构网型并网控制 四未来需求与技术挑战 五总结与展望 》一、技术背景 口2020年，我国提出2030“碳达峰”、2060“碳中和”目标。 上转载 口2021年，提出建设以新能源为主体的新型电力系统，明确了新能源在“双碳目标实施中的主体作用口《“十四五”可再生能源发展规划》提出沙戈荒地区基地化规模化开发、中东南部分布式就近开发 东部沿海海上风电集群开发的发展模式。 料学发展民车 海上风电集群开发沙戈荒地区基地与海上风电集群开发分布式光伏就近开发 》一、技术背景 近20年，我国新能源发电持续快速发展。目前，风电和光伏装机容量遥居世界第 新能源装备制造水平不断进步，自主化率逐步提高，在发电效率提升的同时，成本显著下降；口新能源并网控制技术不断突破，保障了新能源稳定运行。未经作者 太阳能发电量(TWh)风电发电量(TWh) 700新能源发电量占比（%）14% 11.8% 60012% 9.7% 500 %LL 8.1% 655.4 10% /Twh 4006.6%8% 466.5 300366.0405.76% (%) 平原集中式 发电30574% 200 3 1002% 00% 复杂山地集中式20172018201920202021 分款式 海上风电 年份 我国新能源装机容量分布近5年我国风电、太阳能发电量（TWh） 》一、技术背景 2011年，威斯康辛大学EricksonMJ等学者提出，新能源并网控制可分为跟网型和构网型 两类。跟网型并网控制跟随电网电压和频率调节并网电流，呈现电流源特性。构网型并网控制参 与构建电网电压和频率，无需外部电源构建电网，呈现电压源未特经性作者同 n7 efref PCC 汉中国电 Oref GFM U*LS 跟网型控制(Grid-followcontrol,GFL)构网型控制(Grid-formingcontrol,GFM) ERICKSONMJ,JAHNSTM,LASSETERRH,ComparisonofPVinvertercontrollerconfigurationsfor CERTSmicrogridapplications[C].2011IEEEEnergyConversionCongressandExposition,2011,659-666. 》 经作者同意禁止转载 技术背景 构网型并网控制C 跟网型并网控制 主要目 内容 作者授权中国电源 四未来需求与技术挑战 五总结与展望 二跟网型并网控制 中华人民共和国 可再生能源法 GBGB 中华人民共和国国家标准化指导性技术文件中华人民共和国国家标准化指导性技术文件 风电场接入电力系统技术规定光伏发电站接入电力系统技术规定 未经作者同意禁止转载 《可再生能源法》颁布GB/Z19963GB/Z19964 新能源发电规模小，对电网运行影响小，全部采用跟网型并网控制，主要解决的是电能质量问题 作者授权中国 2005201020162022 二、跟网型并网控制 随着局部地区集中 禁北站-#1变220-B相电压幅值 X坐标值2012/05/1413.41:30.000.Y坐标值250.907 者同意禁止转载 接入规模的增大，新第二批脱网 障穿越能力不足导致第一批脱网 能源的弱抗扰性、故376MW 13412001341:3030013:41:40.0013.41:50.00 （时：分移幸移） 脱网问题频发，影响 354MW义综站-3变220:B相电压幅值 本坐标值20120514134130.00坐标值262.844 系统安全运行，一定 程度上制约了新能源 发展。 作者授权中国心 270 134130.0013:41:10.00013:41:20.000 13:41:30.000 13:41:40.000 13:41:50.00 2005201020162022 二，跟网型并网控制 试验机位 中国 CEPRI 30 美国 NR5EL 德国 DEWI 11 丹麦Riso 5 荷兰ECN 9 功率特性 电能质量 W V v V < V 平台建设-张北试验检测基地上转车 噪声特性机械载荷 V V VV V V V 低电压穿越 V V x X 高电压穿越 V x x x 电网适应性 v X x >24km²，30台1.5MW-7MW试验风电机组>1.5MW多类型光伏发电 >6.3MWh储能系统 电网故障发生装置，电网扰动发生装置 测风网络与电能质量高速采集系统电网故障发生装置电网扰动发生装置 二跟网型并网控制 电网公司、开发商、科研和规划机构、装备制造企业共同开展技术研发和标准制定，提升了 新能源发电的控制能力、运行适应性和故障穿越能力，脱网问题得到有效解决 有功、关无功控制运行适应性低电压穿越 GB/T19963-2011.GB/T19964-2012 源云讲坛 600054478 8 脱网台数(台) 5000 4000 3000 2000 新能源脱网台数逐年降低 7 6 5 4 脱网次数(次）3 大面积脱网事故再未发生 12442 1000745 o 274100 106 0 2011年2012年2013年2014年2015年2011年2012年2013年2014年2015年 二跟网型并网控制 在大基地开发、特高压直流送出的发展模式下，新能源基地送端系统呈现“高比例新能源 高比例电力电子装备”特征，新的稳定问题凸显， 1.5 1.4 经作者同意款 1.2 1.1 80ms nd'/n0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.20.40.60.8 /s 次/超同步振荡暂态过电压 作者授权中心 2005201020162022 二、跟网型并网控制 新能源发电精细化建模 新能源并网建模与仿真分析 实际控制器 W主电路 模型 现场型式试验控制硬件在环基于控制源代码动态链接库 策略优化与实验验证 跟网型并网控制 平台建设-数模混合新能源发电实时仿真平台 机组建模型式试验控制在环动态链接库 SVG多电平模型 新能源场站纯数字仿真模型 新能源发电单元控制在环仿真模型 （OP7020/5600） (OP5600) (OP5607) 光体号 光信号 通用光/电信号接口箱 SVG-DLL PV-DLL 通用数/模信号接口箱 光信号电编号 模加型开关量模报型可关量模拟型开关量 SVG控制器SVG控制器 DFIG-DLL PMSG-DLL DFIG控制器PMSG控制器PV控制器 硬件控制在环仿真基于动态链接库的数字仿真硬件控制在环仿真 汇集系统 分布参数解耦 送出方式 新能源发电基地汇集系统模型（RT-LAB） 新能源基地柔性直流/传统直流/串联补送出系统控制在环仿真 审补控制器VSC-HVDC控制器LCC-HVDC控制保护系统 新能源控制在环：291个 风电机组控制器179套 光伏发电单元控制器76套 串联补偿 通用数/模信号接口箱通用光/电信号接口箱OP5607接口箱SVG/SVC控制器36套 VSC-HVDC新能源源代码封装模型：291个 串补控制在环仿真模型柔直控制在环仿真模型高压直流控制在环仿真模型 常规/柔性直流/串补控保：各2套 LCC-HVDC(OP5600)（0P7020/5600）（OP5600 原件控制在环仿真（RT-LAB）硬件控制在环仿真（HYPERSIN） 跟网型并网控制 宽频带振荡抑制-弱电网系统负阻尼的主动重塑 针对宽频带振荡问题，通过对新能源发电控制策略的改进，实现了新能源自身阻抗特性的重 塑，提升了接入弱电网、直流系统等不同场景下的稳定运行能力。 10 -10 -20 LHpus)30 200 10010l102 OWM负阻尼 H(s)H(S)O100 H,(s)H(s) H100 K H.(S) 负阻尼 H,(s)1/va20010010110103 频率(Hz) 新能源机组宽频带阻抗重塑策略新能源机组宽频带阻抗重塑效果 跟网型并网控制 暂态过电压抑制-故障恢复瞬间的主动暂态支撑 针对暂态过电压问题，通过在新能源控制中引入虚拟同步发电机瞬时磁链响应的环节，提升 了新能源发电的暂态支撑能力，解决了暂态过电压导致的脱网风险 Sal.S. WM OPLI 口Rr abc/dal OPLL PLL 电网 abeidg 机端电压(pu) 0.5 0 LrPD Mgo wLrVre P00 PT(3prer2 IVa 原始控制策略 uc0稳态运行 1故障穿越 自适应无功 附加虚拟磁链无功 控制T司初始电流响应分量 ed电流 1.5(k-0.9)/a电流控制 H031.5(k-1.1)/0 无功功率(pu) 器 HS12(s;foa.to0)0204060 时间ms) 基于虚拟磁链的暂态过电压抑制策略暂态过电压抑制效果对比 二跟网型并网控制 哈密风电基地次/超同步振荡 宽频带阻抗重塑技术在哈密风电基地应用，消除了风电机组次/超同步负阻尼特性，2016年 11月大面积控制策略改造后，振荡未再发生。 风电机组阻抗重塑振荡监控系统动作次数统计 20 10 优化前 一优化后 2015.92016.12016.32016.42016.11 -10 Magnitude(dB) 稳控动作37次0次13次13次 30Hz50Hz100Hz200Hz f/Hz 与扭振 100频率耦合33次0次3次10次 0 Phase(Degree) -100 -200 10Hz30Hz50Hz100Hz200Hz f/Hz 扭振保护启动 8次0次1次6次 - 振荡未再发生 二跟网型并网控制 张北新能源经柔性直流送出系统超同步负序振荡 基于阻抗网络方法分析了振荡原因，通过新能源及柔直控制优化，实现了新能源接入柔直的 次/超同步振荡抑制， 张北新能源接入柔直系统结构振荡复现与抑制现场实验波形（2021.07 康保站丰宁站 风电场 900MW 光伏电站 500MW 风电场 1500MW 张北站 3000MW 1500MW 学会电 振荡 系统开始振荡抑 制投入 消振失荡 500MW新能源出力180ms 95MW 延庆站 3000MW 二、跟网型并网控制 中卫光伏电站经交流送出系统次/超同步振荡 通过光伏发电单元阻抗重塑控制改进，实现了光伏电站经交流送出系统次/超同步振荡抑制通过光伏发电现场阻抗测量，验证了阻抗重塑控制改进有效性 振荡电流波形及FFT结果阻抗重塑前后光伏发电单元现场实测阻抗曲线 拼坛发 0.5 0 (p.u.) 电流 0.5 0.2 00.20.40.60.8 0C 时间(s) 改造普新能源阳价 0.15X:67 Y:0.1826 0.1 电流 X:33 Y:0,05714 0.05 20406080100 频率(Hz) 二跟网型并网控制 祁韶直流送端暂态过电压 制定了新能源高电压穿越标准及技术指标，引导甘肃酒泉风电集群技术升级，解决暂态过电 压导致的送出能力约束问题 补韶直流送端新能源基地系统结构暂态过电压抑制效果 空场 安桥湾 玉门 .pu 0.6 高穿改造后高穿改造前 U-690V 广红柳 千西干北干肉布隆吉 瓜州敦煌莫高酒泉 Q/.pu -1 0.450.50.550.60.650.70.750.8 安四 祁连 桥西桥六 桥东 换流站 安M马var 0.450.50.550.60.650.70.750.8 2 二场 桥酒桥西祁韶直流 0.45 0.5 0.55 0.6 0.650.70.75 0.8 二跟网型并网控制 锡泰直流送端暂态过电压 评估发现基地的振荡风险和暂态过电压风险场站，开展了新能源特性提升与参数固化，保障 了700万千瓦新能源集群安全并网。 新能源特性提升与参数固化哲态过电压抑制效果 全电磁暂次/超同步控制参数固化 态建模振