2024构网型技术研究与应用报告

构网型技术研究与应用 秦红霞 2024/04/28 创新铸就四方 梦想点亮末来 北京四方继保自动化股份有限公司 BEIJINGSIFANGAUTOMATIONCO.LTD. 四方 目录/01技术背景简介 CONTENTS 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 北京四方继保自动化股份有限公司 BEIJINGSIFANGAUTOMATIONCO,LTD. 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 01技术背景简介四方 随着新型电力系统的快速发展，高比例新能源变流器、新型储能、柔性直流输电等电力电子技术广泛推广应用，电力系统惯量降低、频率\电压的支撑调节能力变差，系统波动也容易易诱发电力电子设备脱网，更加剧了对电力系统的安全稳定运行的影响。 1%3%2%3%2% 8% 11% 2%3%3% 16% 发电机主导电力系统换流器主导电力系统 22%13%27% 21%14%47% 21%众 核电17% ■光伏16% 风电 ■水电 74% 15% 火电水电传统发储能系统 火电66% 31% 电机组 57% 52%高惯量低惯量 34% 10% 9% 201020152020 2022 2030 2060 我国各类电源装机结构变化核电新能源光伏发电风力发电 注：2030年、2060年数据摘自全球能源互联网发展合作组织 《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开3 01技术背景简介四方 两类： 为应对新型电力系统面临的挑战，相关研究和工程应用中采用的主流解决方案有 增加电机类调节设备提供支撑应用构网技术的电力电子装置提供支撑 增设大型调相机、分布式调相机或以构网技术为核心构建具有电压源特抽水蓄能机组，电机转子具有真实励磁控性的电力电子变流器，使电力电子装置向制系统和转动惯量，能够提供无功支撑和电网提供类似于同步机的电压、频率支撑短时有功支撑，具有维持电网电压和频率能力。构网技术的载体包括储能变流器、 稳定的作用。SVG、柔直、新能源（风电、光伏）并网变 流器等。 4 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 01技术背景简介四方 国内构网技术的行业发展情况 2022.08.29 2022.10.09 2023.05.18 2023.07.10 2023.08 2023.10.18 工信部等五部门 国家能源局 西藏发改委 新疆发改委 内蒙能源局 国家能源局 《关于印发加快电力 《能源碳达峰碳 《2023年风电、光 《关于组织上报 《内蒙古白治区 《关于组织开展 装备绿色低碳创新发 中和标准化提升 伏发电等新能源项 2023年独立新型 电网侧独立新型 可再生能源发展 展行动计划的通知》 行动计划》 目开发建设方案》 储建设方案的通 储能电站示范项 试点示范的通 知》 目实施细则》（拟） 知》 提出推进风光储 提出推动构网型 提出加大储能 提出新疆多地原 新型储能电站示 支持构网型风电、 一体化装备发展， 柔性直流技术标 配置力度、加 则上构网型储能 范项目优先考虑 构网型光伏、构 推动构网型新能 准体系建设，开 装构网型储能 比例不低于年度 提供物理转动惯 网型储能等技术 源发电装备研究展构网型直流性装置新型储能的20%量的技术路线研发与工程示范 开发能及检测等核心 标准研制 01技术背景简介四方 国内外构网标准规范与工程技术要求 英、德、美、澳等国先后制定了构网技术标准或规范，针对储能、柔直等构网型装置，提出了有功控制、无功控制、黑启动、故障穿越等性能要求，明确了构网型装置性能检测方法。 VoluntaryAEMO WhitePaper:GridForming FunctionalSpecifications Inverters forBPS-ConnectedBattery EnergyStorageSystems FNNGuldeline:GrldformingSeptember2023 DC-connectedPPMs VDEFNN 英国：GC0137德国：FNNGuideline美国：NERCWhitePaper澳洲:VoluntarySpecification6 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 01技术背景简介四方 国内外构网标准规范与工程技术要求 中关村储能产业技术联盟团体标准《构网型储能变流器技术规范》2023年12月26日 发布实施。 电网频率调节电网电压调节过载能力惯量响应阻尼控制 有功调频系数宜在·无功调压系数宜在110%额定电流时，持续 20~50范围内；12.5~33.3范围内运行时间应≥10min； 多机并联 ?启动时间应不大于50mS；·无功功率响应时间应120%额定电流时，持续并/离网 ·响应时间应不大于不大于50ms：运行时间应≥1min；切换 、无功功率控制充许偏150%额定电流时，持续 500ms; ，调节时间应不大于1s：差应在土2%*变流器额运行时间宜≥10s： ·有功响应允许误差应在定功率以内。200%额定电流下，持续功率控制黑启动 土2%*额定功率以内。运行时间宜≥2s。 相角突变耐受故障穿越电网强度适应性报警和保护 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 四方 目录/01技术背景简介 CONTENTS 02构网型技术理论研究 03构网型技术典型应用 04小结与展望 北京四方继保自动化股份有限公司 BEIJINGSIFANGAUTOMATIONCO,LTD. 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 构网的定义：四个维度 1）基于控制方式定义 ·采用下垂、虚拟同步机等控制方式的变流器 ●不推荐，仍存在新的策略 WhitePaper:GridFormin CNESA 2）基于时域响应定义从广义上看，电力电子技术装备能呈现出频率、 ，根据外部系统事件的时域响应，如有功和无功响应电压主动调节特性，均具备“构网”潜力！ 时间，体现构网型控制预期特性的变流器 不推荐，取决于系统与控制参数 4）基于功能测试定义 3）基于频域响应定义以电压源特性运行，能构建并维持输出电压和频 率，主动向电网提供支撑，兼具黑启动、自同步、 ?小信号阻抗扫描具有特定宽频阻抗特性故障穿越等能力的变流器 不推荐，只定义了小信号特征【我国团标和美国规范推荐定义】 9 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 构网型技术理论发展 198619932008201120172020 负载频率控制下垂控制虚拟同步发电机(Virtual同步变流器直流电容电混合同步控制 (Load-Frequency (Droopcontrol)synchronousgeneratorof (Synchronverter)压控制(Hybridsynchro- ControlofBESS)VSYNC)nizationcontrol) 构网控制技术发展史 19902007201020162018 电压相角(功角)控制虚拟同步机(Virtual功率同步控制(Power虚拟振荡器控制匹配控制 (Voltage(power)anglesynchronousmachine,synchronizationcontrol,(Virtualoscillator(Matchingcontrol) controlofHVDC)VISMA)PSC)control,VOC) 同 下垂控制模拟转子运动方程直流电容电压控制 Kf 步单元 P Vel 滤波D 有功-频率下垂 EUref D.虚拟同步 K,s+K, Uahe PLL/FLL [o(rad/s) 直流电容动态自同步 UmKio 无功外环 Orer IU 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 跟网型技术Grid-Following(GFL)VS构网型技术Grid-Forming(GFM) PLLiPCCBusiPCC Zg HBus Wpce 等效模型Vm,om!Z.Z p'tto 电流源特性Eo电压源特性 电压锁相同步同步方式功角关系同步，更适应弱系统 具备惯量支撑能力， 不具备惯量支撑能力惯量支撑能力利用惯性响应提升频率稳定性 通过反馈控制输出无功功率支 暂态电压支撑 模拟电机内电势特性， 撑电压，存在一定的控制延时具备快速暂态电压支撑能力 故障期间输出阻抗特性不定输出阻抗 故障期间输出阻抗可控 可模拟同步机内阻抗 强网稳定，弱网易失步强弱电网适应性需调整控制参数适配不同电网强度 直接、快速控制电流，功率指令 电流控制能力 电压源外特性下，变流器的输出电流呈 响应速度快，限流能力强现自然响应特征，故障限流能力较弱 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 构网控制典型架构 构网典型控制架构包括外环控制环节、虚拟阻抗环节与内环控制环节，外环控制的有功有功功率环和无功功率环分别模拟同步发电机的一次调频、摇摆方程和励磁环节，控制输出内电势相位和幅值参考值，再经过虚拟阻抗计算及电流控制环生成调制波。 虚拟调频控制 虚拟惯量与阻尼控制Ua EZO 虚拟 阻抗 Uao dq U. 虚拟励磁控制U. 密级：口核心商密口普通商密口对内公开V对外公开 02构网型技术理论研究四方 构网控制效果 弱系统运行稳定性暂态电压支撑能力 构网型PCS一眼网型PCS 1.1 2.42.62. 0.8 2.9633.043.083.123.163.23.243.283.323.363.4 跟网型控制，SCR=1.6，锁相失稳功率振荡构网型PCS一跟网型PCS 0.6 0.4 2.22.4262.0 0.4 0.2 0.4 2.22.4 20 2.G 无功功率(pu) 33.043.083.123.163.23.243.283.323.363.4 T(s) 构网型控制，SCR=1.0， T(a) 弱系统可稳定运行构网型控制和跟网型控制暂态电压支撑效果对比 密级：口核心商密口普通商密口对内公开V对外公开13 02构网型技术理论研究四方 关键问题研究 限流与高频故障穿越与继电电网强度识别 振荡抑制保护协同控制与适配控制 技术问题1技术问题2技术问题3 14 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 1）限流与高频振荡抑制 ，在学术、政策和标准的共同引导下，提升变流器短时过流能力逐渐成为业界共识。这 便要求变流器对于高倍率过载工况下的大申流仍具有较强的控制能力： ，从控制架构看，外环控制作用在于模拟同步机的输出特性，使变流器具备提供频率、电压支撑的构网能力：内环控制作用在干通过电流反馈精准控制，增强变流器的电流 限制能力。 外环控制：实现构网特性内环控制：增强限流能力 U 虚拟 阻抗 Um 15 密级：核心商密一普通商密一对丙公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 1）限流与高频振荡抑制 ■高频振荡原因分析：在反馈控制中，引入的电压、电流采样与计算等链路延时带来了高频振荡风险，使变流器在中高频段出现负阻尼特性，当交流系统在该频段正阻尼不足时，将产生交互振荡。 延时 Ga SL+GpIGdi 1-Gd_u06 Gaijx 延时 真实反馈信号 %延时反馈 信号 真实反馈信号/4~%周期延时信号%延时反馈负电阻+电感电阻+电感 给定信号给定信号 4延时反馈 信号 180° 0 R 负电阻+电容电阻+电容 16 密级：口核心商密口普通商密口对内公开√对外公开 02构网型技术理论研究四方 1）限流与高频振荡抑制 阻抗重塑高频振荡抑制方法：采用电压前馈非线性滤波技术，改造变流器阻抗特性， 减小负阻尼区间，有效降低高频振荡风险： 一二次融合设计与优化控制方法：在成本可控的条件下，通过增强变流器桥臂一次元器件限流能力、提高电压调制能力等设计手段，结合单环控制、附加控制等优化控制方法，消除负阻尼区间与高频振荡风险。 电负 阻120°95°.0