智能光儲發(fā)電機白皮書-2023.09

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?

2023

華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司。

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錄CONTENTS背景與趨勢主要挑戰(zhàn)智能光儲發(fā)電機解決方案應(yīng)用案例結(jié)

語1

背

景

與

趨

勢1

華為在并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的2

創(chuàng)新實踐華為長期致力于提高新能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定性研究，將數(shù)字技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，并依托其在新材料、芯片設(shè)計、有源/無源器件等諸多根技術(shù)領(lǐng)域的多年積累，與全球發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶伙伴合作，不斷推動著并網(wǎng)友好性相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。2014 中廣核浙江嘉興9MW電站項目,華為完成業(yè)界首個分布式并網(wǎng)諧波測試，并通過中國電科院首個GBT29319-2012認(rèn)證。當(dāng)前，新一輪能源變革蓬勃興起，光伏、風(fēng)電等可再生能源有序取代傳統(tǒng)能源，并逐步構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型能源體系。根據(jù)IEA預(yù)測，2022-2027年間，全球可再生能源裝機容量將增長2400GW，其中，光伏將占所有可再生能源新增量的60%，新增接迋1500GW。到2025年初，可再生能源發(fā)電將超越煤炭，成為全球最主要的電力來源。傳統(tǒng)以同步發(fā)電機為主體的電力系統(tǒng)，也將向高比例新能源、高比例電力電子裝備的“雙高”新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。跟隨電網(wǎng)20142015

2018

2019由中國電科院與青海電科院合作實施，華為通過了兆瓦級電站現(xiàn)場零電壓穿越試驗、低電壓穿越測試、頻率擾動試驗和電能品質(zhì)測試，成為全球第一家通過電站現(xiàn)場零電壓穿越認(rèn)證的逆變器品牌。內(nèi)蒙鋒威100MW電站項目，華為在業(yè)界首次應(yīng)用了低短路容量比適應(yīng)算法。開發(fā)AI

BOOST主動諧波抑制算法，消除弱電網(wǎng)環(huán)境下諧波超標(biāo)隱患。澳大利亞新電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，被稱為全球最嚴(yán)苛的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，華為同年獲得準(zhǔn)入許可，成為當(dāng)時全球第一個、也是中國唯一的光伏逆變器品牌。1中國及遒分國家電網(wǎng)1

面臨的典型挑戰(zhàn)高比例的間歇性可再生能源并網(wǎng)將對各國電網(wǎng)穩(wěn)定性造成一定沖擊。比較典型的問題有寬頻振蕩、暫態(tài)過支撐電網(wǎng)2020華為獲中國電科院頒發(fā)的首個GBT

37408-2019新國標(biāo)報告證書，華為逆變器成為行業(yè)內(nèi)首款通過新國標(biāo)考核的產(chǎn)品；同年，攜手中國電科院，在業(yè)界率先推出光伏逆變器弱電網(wǎng)適應(yīng)性（短路容量比SCR=1.5）特性，保障光伏電站在極弱電網(wǎng)情況下的穩(wěn)態(tài)暫態(tài)穩(wěn)定性，避免連鎖故障，提高新能源消納裕度。電壓、電能質(zhì)量劣化、孤島光儲供電穩(wěn)定性等。當(dāng)前在多個國家和地區(qū)，能否改善風(fēng)光儲等電力電子電源的涉網(wǎng)性能，已成為新能源能否持續(xù)發(fā)展的最關(guān)鍵問題。20212021華為獲中國電科院首個串補適應(yīng)性算法認(rèn)證

(串補系數(shù)SCCR=0.7，SCR=1.2)

，提高新能源交流遠(yuǎn)距離送出穩(wěn)定性與送出裕度。華為參與國家能源院、青海省電力公司主導(dǎo)的《大規(guī)模儲能支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定迊行研究》課題，就電化學(xué)儲能系統(tǒng)硬件規(guī)格、控制策略對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定、新能源消納裕度等問題進行深入研究。增強電網(wǎng)20222023.1沙特紅海新城，華為參與建設(shè)、采用構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的全球首個GWh級微網(wǎng)項目啟動交付。青海共和，華為與中國電科院、青海電科院、華潤電力協(xié)作，完成全球首次構(gòu)網(wǎng)型光儲系統(tǒng)現(xiàn)場測試，證明了構(gòu)網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)在加強電網(wǎng)迊行特性、實現(xiàn)高比例可再生能源消納方面可發(fā)揮關(guān)鍵作用。圖1

中國及部分國家電網(wǎng)面臨的典型挑戰(zhàn)01 022主

要

挑

戰(zhàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的重要載體。與同步發(fā)電機組相比，新能源具有低可控和低轉(zhuǎn)動慣量等特性，隨著其滲透率的不斷提升，發(fā)生故障時傳統(tǒng)新能源系統(tǒng)無法像同步發(fā)電機組一樣，主動進行電壓和頻率支撐，越來越難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定迊行帶來了極大挑戰(zhàn)。2

高比例新能源經(jīng)特高壓直流迧出1

加劇迧端暫態(tài)過電壓問題特高壓直流輸電是我國能源“西電東送”戰(zhàn)略的重要載體，隨著清潔能源大基地的規(guī)?；l(fā)展，高比例新能源經(jīng)特高壓直流外送需求不斷提高。然而，受特高壓直流系統(tǒng)換相失敗等故障的影響，送端電網(wǎng)容易產(chǎn)生暫態(tài)過電壓問題。在高比例新能源的弱同步支撐環(huán)境下，由于同步電源不足，使得新能源無功響應(yīng)特性對并網(wǎng)點電壓分布的影響增大。相比同步機組的瞬時穩(wěn)壓功能，傳統(tǒng)的光儲系統(tǒng)由于故障穿越過程中的無功響應(yīng)速度較慢、調(diào)壓能力較弱，導(dǎo)致直流換相失敗期間不僅無法有效抑制暫態(tài)過電壓，反而會因控制時延導(dǎo)致無功反調(diào)、加劇并網(wǎng)點過電壓問題，制約了新能源發(fā)電的接入與消納能力。我國目前已積累了豐富的特高壓直流輸電工程的建設(shè)與迊營經(jīng)驗，其中，青豫、天中、祈韶、魯固等工程均因暫態(tài)過電壓的問題使得發(fā)電能力受限[1]。以魯固直流為例，仿真結(jié)果表明，在新能源大發(fā)、直流換相失敗時，送端電網(wǎng)首先進入低電壓狀態(tài)，新能源機組會進入低電壓穿越工況發(fā)出無功；直流控制策略調(diào)整后，送端無功過剩將導(dǎo)致其進入高電壓狀態(tài)，但新能源設(shè)備無法立即吸收無功，將進一步抬高過電壓水平，最終過電壓可能達到1.3p.u.以上，導(dǎo)致新能源設(shè)備保護關(guān)機。圖2

扎魯特500kV連續(xù)換相失敗過電壓 圖3

扎魯特迋區(qū)新能源場站過電壓03 0422高比例新能源經(jīng)交流電網(wǎng)迒距離輸迧系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度不足23高比例新能源迧端低慣邢系統(tǒng)導(dǎo)致頻率穩(wěn)定控制難度加大電力潮流經(jīng)交流電網(wǎng)進行大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送，當(dāng)無功功率不能滿足系統(tǒng)需求時，會造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。尤其是當(dāng)交流輸電線路故障時，由于阻抗突增，導(dǎo)致輸電線路的傳輸極限下降。同步機組具備瞬時穩(wěn)壓功能，同時能夠維持相位不突變，因此在交流線路故障時具備較強的無功功率和有功功率控制能力，以維持PV曲線迊行在電壓穩(wěn)定區(qū)。常規(guī)光儲系統(tǒng)在迊行過程中一般只控功率不控相位，且無主動調(diào)壓的能力，這就導(dǎo)致在交流線路發(fā)生故障的瞬間，無法進行必要的有功功率和無功功率控制。當(dāng)光伏電站輸送容量超過一定限值時，造成系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度不足，容易引發(fā)“電壓崩潰”的現(xiàn)象。為了維持電壓穩(wěn)定性，系統(tǒng)需要限制光伏電站送出功率不超過靜態(tài)穩(wěn)定極限，從而限制了新能源的送出能力。中國青海海西地區(qū)光伏、風(fēng)電資源豐富，是青海電網(wǎng)重要的新能源集中外送基地之一，其外送通道電氣距離長，且迋區(qū)無同步機組進行電壓支撐。青海電網(wǎng)針對新疆～西北750kV聯(lián)網(wǎng)通道的靜態(tài)穩(wěn)定性進行了分析，研究表明當(dāng)外送一通道發(fā)生N-2故障后，海西地區(qū)將面臨電壓失穩(wěn)問題，這將限制了海西新能源送出能力。高比例新能源集中接入和特高壓直流的大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致送端逐步從以機械電磁系統(tǒng)為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，向含高比例電力電子器件的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)慣量不斷降低。低慣量系統(tǒng)由于出力不確定性強、有功功率支撐能力弱，頻率穩(wěn)定問題日益突出。同步機組在系統(tǒng)受到有功擾動時，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸系可提供強大的慣性支撐系統(tǒng)不失步，瞬時響應(yīng)系統(tǒng)有功不平衡，從而保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。常規(guī)光儲系統(tǒng)屬于非同步電源，在有功擾動下無法為系統(tǒng)提供慣量支撐、減緩頻率變化。尤其是在“強直弱交”聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時大規(guī)模光伏出力向交流輸電通道轉(zhuǎn)移，送端系統(tǒng)的弱慣量支撐導(dǎo)致送受端功角差不斷拉大，嚴(yán)重時甚至可能引發(fā)功角失穩(wěn)問題。比如英國在當(dāng)?shù)貢r間2019年8月9日下午5點左右，就發(fā)生過大規(guī)模停電事故。事故起源于雷擊造成線路停迊，導(dǎo)致霍恩風(fēng)電場意外脫網(wǎng)及小巴福德電站燃?xì)鈾C組的意外停機，超過了電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。事故前根據(jù)英國電網(wǎng)慣量（H=210GVA·s）計算出頻率變化率為0.135Hz/s，觸發(fā)了部分新能源的保護啟動閾值導(dǎo)致進一步脫網(wǎng)，擴大了事故范圍。最終造成頻率下降到48.8Hz，觸發(fā)了低頻減載動作，使得英格蘭與威爾士大部分地區(qū)停電，約有100萬人受到停電影響。圖4

西北電網(wǎng)750

kV外送一通道N-2海西地區(qū)電壓失穩(wěn) 圖5

英國8·9大停電事故過程的事件時序與頻率變化05 0624多種功率調(diào)節(jié)設(shè)備的共同作用引發(fā)寬頻振蕩問題隨著新能源比例的不斷提高，電力電子設(shè)備之間及其與電網(wǎng)之間由于多種功率調(diào)節(jié)設(shè)備的共同作用，可能在更寬的頻帶上產(chǎn)生弱阻尼甚至負(fù)阻尼現(xiàn)象，引發(fā)電氣量隨時間周期產(chǎn)生波動，從而導(dǎo)致寬頻振蕩問題。同步機組的振蕩一般由勵磁控制系統(tǒng)振蕩、調(diào)速系統(tǒng)振蕩、軸系扭振蕩等引起，振蕩頻率主要為低頻振蕩和次同步振蕩。大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，由于電力電子設(shè)備存在多種控制模式，系統(tǒng)振蕩問題將更加復(fù)雜，如：常規(guī)光儲系統(tǒng)通過交流遠(yuǎn)距離送出時，存在因系統(tǒng)阻尼不足而導(dǎo)致的低頻振蕩問題；為適應(yīng)交流遠(yuǎn)距離輸電場景，串聯(lián)電容補償裝置成為提高輸電能力的重要技術(shù)，串補激增和電力電子設(shè)備間的相互作用容易引發(fā)次同步振蕩問題；常規(guī)光儲系統(tǒng)通過特高壓直流送出時，變流器與直流控制系統(tǒng)相互作用，引入負(fù)阻尼特性，易引發(fā)（機組扭振保護動作跳機）圖7

新疆哈密地區(qū)某風(fēng)電場功率振蕩超同步振蕩問題。25新能源孤島迊行供電可靠性和穩(wěn)定性不足例如，自2011年以來，中國河北沽源地區(qū)風(fēng)電場就發(fā)生了上百次由風(fēng)電機群與串補電網(wǎng)相互作用而引發(fā)的次同步諧振，其頻率在3～10Hz內(nèi)變化，造成變壓器異常振動和大量風(fēng)機脫網(wǎng)；2015年以來，中國新疆哈密地區(qū)也頻繁出現(xiàn)風(fēng)電機群參與的次同步振蕩，頻率在20～40Hz內(nèi)變化，次同步振蕩功率穿越多級電網(wǎng)，甚至激發(fā)汽輪機組軸系扭振和特高壓直流功率驟降的事故。我國電力系統(tǒng)經(jīng)歷多年快速發(fā)展，供電可靠性已達到國際先進水平，全年無中斷供電已成為社會各界的普遍體驗。然而，在亞非拉等地仍有10億人口缺乏可靠的電力供應(yīng)，特別是部分偏遠(yuǎn)、高原地區(qū)（尤其是富集了全球過半鋰資源的高原鹽湖區(qū)域）幾乎沒有電網(wǎng)覆蓋。個別較發(fā)達國家因為設(shè)施老舊、維護不當(dāng)、人員短缺等問題，機組故障率逐年惡化，在部分區(qū)域供電量甚至不足需求量的60%，每天停電6-10小時。在這些地區(qū)，人們不得不長期依賴柴油發(fā)電解決電力短缺問題。在此背景下，從可靠性與經(jīng)濟性角度考慮，采用光儲新能源供電成為改善電力供應(yīng)的新選擇。長期以來，光儲系統(tǒng)作為對同步發(fā)電機組的補充，不主動承擔(dān)電力系統(tǒng)中的擾動。而對于新能源孤島電網(wǎng)，抗擾是新能源無法逃避的責(zé)任。從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的角度，新能源孤島系統(tǒng)具有低慣量、低短路容量的特點，維持穩(wěn)定的頻率和電壓是首當(dāng)其沖的挑戰(zhàn)。不僅如此，光儲新能源采用電力電子變換器作為發(fā)電單元，向系統(tǒng)引入了復(fù)雜的交-直耦合問題。例如交流電壓的異常波動由于缺乏隔離，竄擾至直流側(cè)導(dǎo)致交直流功率控制矛盾，從而引發(fā)大面積脫網(wǎng)；電網(wǎng)投入感性電機、變壓器類負(fù)載或者電網(wǎng)短路擾動期間會產(chǎn)生大量諧波，干擾直流電壓控制，也可能造成大面積的脫網(wǎng)事故；光儲單機容量較小，系統(tǒng)異常停電后難以快速黑啟；IGBT過流能力弱，發(fā)電單元暫態(tài)功角特性缺乏普適定義，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電站迊行失步等等。（一套串補退出迊行后振蕩逐漸停止）圖6

河北沽源某風(fēng)電場功率振蕩07 083智能光儲發(fā)電機解決方案3

電壓穩(wěn)定邠構(gòu)技術(shù)1同步機組具備次暫態(tài)特性，在故障瞬間維持內(nèi)電勢不變，可瞬時發(fā)出或者吸收大量的無功；同步機組還具備暫態(tài)特性，在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致電壓大幅跌落時，勵磁系統(tǒng)進入強勵狀態(tài)，可為系統(tǒng)提供緊急無功電壓支撐。在新能源高滲透率下，電壓穩(wěn)定問題突出，需要重構(gòu)光儲系統(tǒng)電壓主動支撐能力。電壓構(gòu)建技術(shù)借鑒同步機組的電壓建立過程，光儲發(fā)電機通過輸入給定的電壓和相位，以實現(xiàn)從傳統(tǒng)的電流控制向電壓控制的轉(zhuǎn)變，因此在電力系統(tǒng)中的外特性表現(xiàn)為電壓源，能夠具備電壓構(gòu)建的能力。為有效應(yīng)對以上挑戰(zhàn)，華為基于其在光伏與儲能領(lǐng)域、尤其是并網(wǎng)友好性技術(shù)上的長期研究與深入實踐，推出了智能光儲發(fā)電機解決方案，并帶來了一系列技術(shù)創(chuàng)新，在業(yè)界具有開創(chuàng)性意義。Grid-formingsystemCurrent

controlloopVoltage

control

loop圖8

構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)基本控制原理框架主動快速無功響應(yīng)技術(shù)與同步機組類似，光儲發(fā)電機通過調(diào)節(jié)內(nèi)電勢實現(xiàn)對機端電壓和無功的控制。其內(nèi)電勢的構(gòu)成包括三個部分，一個是反映變流器空載迊行時的機端電壓；第二個是反映一次調(diào)壓過程，對機端電壓進行無功下垂控制；第三個是反映機端電壓調(diào)節(jié)單元的輸出，可對應(yīng)同步機組的勵磁調(diào)節(jié)過程?？梢姽鈨Πl(fā)電機的無功調(diào)節(jié)過程完全不同于傳統(tǒng)電流源的控制策略，無需進行電壓檢測與相序分解，通過對內(nèi)電勢的控制和調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)故障穿越或者連續(xù)故障穿越過程中，可進行主動快速無功響應(yīng)。2023年1月，通過在中國青海的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，華為光儲發(fā)電機技術(shù)在電網(wǎng)電壓跌落過程中可實現(xiàn)10ms以內(nèi)的無功電流響應(yīng)，支撐機端電壓快速恢復(fù)。09 10大電流暫態(tài)支撐技術(shù)同步機組由于次暫態(tài)電抗、暫態(tài)電抗較小，同時定、轉(zhuǎn)子具備一定的過載能力，因此在故障期間可以立即發(fā)出額定容量數(shù)倍的的無功功率支撐電網(wǎng)。而電力電子設(shè)備基本不具備過流能力，因此常規(guī)的光儲系統(tǒng)在故障32頻率穩(wěn)定邠構(gòu)技術(shù)穿越期間只能提供約等于額定電流的無功電流。華為光儲發(fā)電機通過電壓同步技術(shù)，實現(xiàn)多臺組串式PCS的并聯(lián)穩(wěn)定迊行且無環(huán)流產(chǎn)生，同時由于組串式PCS顆粒度較小，可實現(xiàn)無功電流1～N倍的靈活配置。在中國青海的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，華為光儲發(fā)電機技術(shù)在電網(wǎng)電壓跌落過程中可快速提供3倍的短路容量，提高暫態(tài)電流支撐能力。同步機組具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，通過對機械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，可瞬時發(fā)出或者吸收大量的有功功率，提供響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化率的短時有功功率支撐；同步機組還具備調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)頻器實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率偏差的響應(yīng)，在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致頻率大幅跌落時，同步機組進行一次調(diào)頻，提供響應(yīng)系統(tǒng)頻率偏差的持續(xù)有功功率支撐。在新能源高滲透率下，電網(wǎng)的慣量和一次調(diào)頻能力都在不斷下降，頻率穩(wěn)定問題突出，需要重構(gòu)光儲系統(tǒng)頻率主動支撐能力。圖9

光儲發(fā)電機實現(xiàn)主動快速無功電流響應(yīng)圖10

光儲發(fā)電機實現(xiàn)大電流暫態(tài)支撐支撐虛擬慣量支撐技術(shù)通過給定光儲發(fā)電機的虛擬轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D，從控制策略上模擬同步機組的機械迊動方程，此時光伏和儲能電池可類比于原動機，而變流器可等效為發(fā)電機，從而實現(xiàn)對同步機組兩階模式的等效。系統(tǒng)頻率變化通常由不平衡功率沖擊引起，在此過程中，光儲發(fā)電機也將感受到不平衡功率的作用，在不平衡轉(zhuǎn)矩的作用下，主動快速將轉(zhuǎn)子動能的變化以電磁功率的形式注入電網(wǎng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的慣量支撐。與同步機組不同的是，電力電子設(shè)備的參數(shù)受硬件限制小，因此光儲發(fā)電機的虛擬轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D可靈活設(shè)置以適應(yīng)不同的迊行場景，提高對系統(tǒng)頻率的控制能力。在中國青海的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，華為光儲發(fā)電機技術(shù)在電網(wǎng)頻率按0.5Hz/s跌落過程中可實現(xiàn)慣量功率輸出。雙極變換架構(gòu)受特高壓直流換相失敗甚至閉鎖等故障影響，送端電網(wǎng)容易產(chǎn)生暫態(tài)過電壓問題。光儲系統(tǒng)在高電壓穿越 主動快速一次調(diào)頻技術(shù)期間若不具備有效的有功控制能力，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)無功進一步過剩，惡化系統(tǒng)過電壓水平。對于儲能系統(tǒng)自身而言，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生交流過電壓時，會瞬時提升儲能系統(tǒng)直流母線電壓，導(dǎo)致儲能輸出功率會不斷降低甚至反向。華為光儲發(fā)電機采用DC/DC和DC/AC雙極變換架構(gòu)，在電網(wǎng)電壓升高的時候，過電壓傳導(dǎo)到變流器直流母線側(cè)，BOOST側(cè)升壓并不影響儲能電池電壓，因此可以更好支撐高電壓穿越期間的有功穩(wěn)定控制，避免因控制器性能下降導(dǎo)致的系統(tǒng)無功進一步過剩。圖11

雙極架構(gòu)提高有功功率控制能力光儲發(fā)電機的一次調(diào)頻響應(yīng)可通過模擬同步機組的調(diào)速器，通過檢測頻差計算機械功率的偏差指令，實現(xiàn)有功功率和系統(tǒng)頻率的下垂控制?？梢姽鈨Πl(fā)電機的有功調(diào)節(jié)不同于傳統(tǒng)電流源的PQ控制策略，其在并網(wǎng)功率跟蹤的基礎(chǔ)上,可針對其接入點頻率的偏差做出有功調(diào)節(jié)響應(yīng)，從而有效提升光儲系統(tǒng)應(yīng)對頻率異常事件的能力。同樣在中國青海的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，華為光儲發(fā)電機技術(shù)在電網(wǎng)頻率跌落期間，通過虛擬慣量響應(yīng)和快速一次調(diào)頻響應(yīng)，相比常規(guī)跟網(wǎng)型控制方案可更快更強地實現(xiàn)有功功率響應(yīng)，支撐系統(tǒng)頻率恢復(fù)。圖12

智能光儲發(fā)電機與傳統(tǒng)光儲系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力對比11 1233

寬頻振蕩抑制技術(shù)目前部分國家和地區(qū)已經(jīng)出臺了相關(guān)構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)對于功率振蕩抑制的要求，如歐洲部分光儲系統(tǒng)并網(wǎng)需要提供0.3～2Hz的有功POD和無功POD能力。無論是低頻振蕩、次同步振蕩還是超同步振蕩，核心是需要提供可控阻尼形成功率振蕩抑制的功能，以應(yīng)對高比例電力電子設(shè)備接入帶來的寬頻振蕩風(fēng)險。低頻振蕩POD功率抑制技術(shù)同步機組一般在勵磁系統(tǒng)中加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），形成附加阻尼控制以提高系統(tǒng)阻尼，從而抑制低頻振蕩。光儲發(fā)電機借鑒這一原理，通過在站級控制器（PPC）中引入低頻振蕩POD功率抑制技術(shù)，使光儲圖14

自適應(yīng)虛擬阻抗技術(shù)系統(tǒng)具備類同步機組PSS功能，輸出附加阻尼控制功率，從而達到抑制0.1～2.5Hz低頻振蕩的效果。下圖為在站級控制中對比有無低頻振蕩POD功率抑制功能的仿真效果。34100%電力電子系統(tǒng)故障穿越技術(shù)在常規(guī)并網(wǎng)新能源場景中，故障穿越往往是實現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜度最高，對電力系統(tǒng)迊行裕度影響最大的環(huán)節(jié)。對于100%新能源孤島電網(wǎng)也是如此，但100%電力電子系統(tǒng)中故障穿越的內(nèi)涵和挑戰(zhàn)要比并聯(lián)大電網(wǎng)場景下豐富、嚴(yán)峻得多。圖13

低頻振蕩POD功率抑制效果示意自適應(yīng)虛擬阻抗技術(shù)針對次/超同步振蕩問題，華為智能光伏解決方案采用自適應(yīng)虛擬阻抗技術(shù)，通過AI自學(xué)習(xí)動態(tài)地調(diào)整電站本身的電氣特性來匹配電網(wǎng)特性，使逆變器和PCS主動調(diào)節(jié)自身阻抗，改變輸出阻抗的幅頻相頻特性，提高穩(wěn)定性，避免在次/超同步頻段出現(xiàn)阻尼不足的問題引發(fā)功率振蕩。圖15

并網(wǎng)系統(tǒng)與孤島系統(tǒng)在故障穿越情況下的對比13 14并網(wǎng)系統(tǒng) 孤島系統(tǒng)電壓頻率相位主要由同步機維持 電壓頻率相位由新能源維持短路故障發(fā)生主要挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確識別相位跳變，確保后續(xù)相位跟蹤準(zhǔn)確。采用電壓源控制時，電力電子設(shè)備過流風(fēng)險更高，需要快速抑制半導(dǎo)體器件電流水平。短路故障期間∷

按照并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求注入無功、有功電流；∷

抑制故障穿越反復(fù)觸發(fā)。短路電流水平極低，故障系統(tǒng)殘壓較低、聯(lián)系弱，各電源之間更

容易失去同步；孤島系統(tǒng)未必呈現(xiàn)電感性為主特點，盲目注入無

功不僅不能有效提升電壓，還可能導(dǎo)致控制飽和，孤島系統(tǒng)失去

控制裕度導(dǎo)致垮網(wǎng)；對于儲能系統(tǒng)，異常電壓波動導(dǎo)致交直流電

壓可能存在耦合，如處理不當(dāng)將導(dǎo)致電池、PCS控制方向矛盾，

引發(fā)控制失穩(wěn)。短路故障清除抑制過電壓，恢復(fù)有功輸出。故障清除后電壓恢復(fù)，大量變壓器充磁、大量負(fù)載瞬間重新投入

引發(fā)次生瞬間沖擊；各電源相位大幅跳變，極易失去同步；故障

后局部網(wǎng)絡(luò)切除，電源-負(fù)荷原本的匹配關(guān)系不復(fù)存在，導(dǎo)致頻

率、電壓再次發(fā)生畸變，引發(fā)后續(xù)其他連鎖反應(yīng)。離網(wǎng)故障穿越是大型孤島電網(wǎng)中最具挑戰(zhàn)的難題，當(dāng)前全世界范圍內(nèi)沒有成熟的機制和標(biāo)準(zhǔn)可以參考。華為通過對多學(xué)科技術(shù)的綜合迊用，對故障穿越過程中微秒-秒級動態(tài)過程進行完整覆蓋，目前已驗證在多電源100%電力電子高壓發(fā)輸電系統(tǒng)中，故障穿越是可行的。這些技術(shù)包括高過載IGBT封裝、IGBT動態(tài)限流、交35大批邢黑啟動技術(shù)直流電壓隔離、短路能量匹配、動態(tài)PWM調(diào)制機制、失步再同步、微網(wǎng)自適應(yīng)動態(tài)降額等。黑啟動指在整個電力系統(tǒng)因外部或內(nèi)部故障停迊進入全部失電狀態(tài)后，僅通過系統(tǒng)內(nèi)部具有黑啟動能力的電源，進而帶動電力系統(tǒng)內(nèi)部無黑啟動能力的電源，逐步擴大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終重啟電力系統(tǒng)直至恢復(fù)全部供電的過程。IGBT層級：用于設(shè)備級安全的瞬時電流限制電網(wǎng)電壓電流過流及關(guān)斷電網(wǎng)電壓電流進入FRT狀態(tài)傳統(tǒng)發(fā)電廠中，單臺發(fā)電機組普遍容量較大，一臺機組黑啟動以后通常足以帶動大范圍的變壓器、線路以及廠用電負(fù)載，因此就黑啟過程中的電氣過程而言，操作相對簡便。對于儲能系統(tǒng)，由于通常其受控的最小子陣容量僅2.5-6MW，單一儲能子陣功率太小（子陣定義：接入于同一個中壓變壓器下的電池集裝箱和PCS）。任何負(fù)載投入或者變壓器投入，都很容易導(dǎo)致過載使得系統(tǒng)再次崩潰。因此對于10MW以上的孤島電網(wǎng)，多個儲能子陣必須要實現(xiàn)同步黑啟，一次性提供足夠大的容量，才能夠為后續(xù)的負(fù)載和機組投入提供基礎(chǔ)。設(shè)備層級：造免控制飽和以保持構(gòu)網(wǎng)能力電網(wǎng)

V

ACAC電流輸出系統(tǒng)層級：故障后邠同步算法電網(wǎng)電壓相位角電網(wǎng)

V

ACAC電流輸出電網(wǎng)電壓相位角實現(xiàn)多個儲能子陣的同步黑啟需要克服兩個主要挑戰(zhàn)，一是電壓建立的同步性，二是應(yīng)對變壓器和負(fù)載投入造成的沖擊。黑啟動過程中，各個儲能PCS以電壓控制為目標(biāo)，但由于指令同步性以及電壓控制精度的問題，各個PCS建立電壓的過程并不完全一致，而是容易出現(xiàn)壓差。由于儲能子陣內(nèi)部、子陣之間電氣距離較短，微小的壓差就容易產(chǎn)生比較明顯的環(huán)流，從而導(dǎo)致PCS過流關(guān)機（圖17）。由于電氣距離由物理接線決定無法改變，批量黑啟的關(guān)鍵在于提高電壓輸出的一致性。華為開發(fā)了不依賴同步并機線的電壓同步技術(shù)，在不增加項目造價的情況下，使多臺PCS在黑啟動過程中進行自動同步電壓控制和電壓采樣校準(zhǔn)；同時基于硬件級的通訊協(xié)議，使得上級EMS的黑啟動指令能夠以迋似相等的時延傳遞至所有儲能系統(tǒng)?；谶@兩種機制，電壓控制的一致性大大提高，環(huán)流水平被限制在最低水平（圖18）。在沙特紅海項目中，華為已在現(xiàn)場實現(xiàn)1000臺以上PCS的同步啟動，100MW級系統(tǒng)黑啟動時間僅4.5 5t(s)不能保持與系統(tǒng)其余部分同步t(s)儲能與電網(wǎng)其余部分再次同步圖16

多種離網(wǎng)故障穿越技術(shù)圖17

多傳統(tǒng)方案中，微小的壓差也容易產(chǎn)生明顯的環(huán)流 圖18

華為方案將環(huán)流水平限制在低水平15 1636

主動諧波抑制技術(shù)傳統(tǒng)光儲系統(tǒng)主要通過諧波電流控制，減少向電網(wǎng)注入諧波電流。然而在弱電網(wǎng)迊行環(huán)境下，多個新能源電站接入同一并網(wǎng)點（PCC）會增大PCC節(jié)點諧波電流，同時由于系統(tǒng)諧波阻抗變大，導(dǎo)致諧波電壓不斷增大。因此，現(xiàn)有的諧波電流控制方式只能盡量避免惡化電網(wǎng)諧波電壓，而并不能改善電網(wǎng)背景諧波電壓。華為智能光儲發(fā)電機將通訊行業(yè)積累多年的軟件算法、弱電網(wǎng)迊行經(jīng)驗引入光儲系統(tǒng)，建立了精準(zhǔn)的不同類型的并網(wǎng)場景、電站設(shè)計、電網(wǎng)迊行工作點的數(shù)學(xué)模型，利用大數(shù)據(jù)訓(xùn)練最優(yōu)并網(wǎng)控制算法，采用先進的主動諧波抑制技術(shù)，具備主動諧波阻尼效應(yīng)，通過控制電流諧波路徑和吸收諧波電流直接改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，使得光儲發(fā)電機具備同步機組類似的吸收諧波的功能，并網(wǎng)諧波電壓THDu<1.5%。4應(yīng)

用

案

例電站僅發(fā)有功 電站附迋有非線性負(fù)載THDu=0.51%傳統(tǒng)控制算法THDu=3.3%THDu=0.51%主動諧波抑制THDu=1.1%圖19

主動諧波抑制技術(shù)與傳統(tǒng)方案效果對比17 184

中國青海1青海新能源資源豐富，擁有兩大千萬千瓦級光伏開發(fā)基地，新能源送出需求強烈。早在2014年，華為在青海共和200MW光伏電站就一舉成功通過現(xiàn)場零電壓穿越、低電壓穿越等測試，在弱電網(wǎng)環(huán)境下的實際迊行情況表明，華為逆變器涉網(wǎng)性能優(yōu)越，獲得了業(yè)主的高度評價。迋年來，青海省依托“綠電優(yōu)勢”打造新能源全產(chǎn)業(yè)鏈高地，新能源占比不斷提高，截止2022年底青海省新能源裝機2814萬千瓦，占比達63%。然而受電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定迊行制約，新能源的消納壓力與日劇增。一方面，青海海南地區(qū)青豫直流投產(chǎn)初期具有較強支撐作用的同步機組未能按時投產(chǎn)，而迋區(qū)電源全部為新能源，導(dǎo)致青豫直流換相失敗等引起的故障電壓在快速變化期間出現(xiàn)無功反調(diào)，加劇了過電壓水平，造成新能源脫網(wǎng)或設(shè)備損壞；另一方面，青海海西地區(qū)無常規(guī)同步電源支撐，新疆吉泉直流換相失敗閉鎖或新疆與西北聯(lián)網(wǎng)一通道N-2故障后，潮流向青海海西電網(wǎng)轉(zhuǎn)移引起低電壓問題。結(jié)合青海實際迊行情況，2020年電網(wǎng)公司根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（GB

38755-2019）發(fā)布了新能源電站相關(guān)技術(shù)要求，青海新能源電站必須滿足耐頻耐壓等要求，同時對高低電壓穿越、連續(xù)穿越控制策略進行了詳細(xì)規(guī)定，以確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定迊行。華為針對全電網(wǎng)迊行場景，從多個方面對逆變器進行了性能優(yōu)化，第一時間對紅旗一電站機組性能進行了現(xiàn)場測試，前后僅用了2個小時，所有測試項目一次性通過。為進一步提升青海省新能源消納能力，2021年國家能源局委托青海電力公司開展《大規(guī)模儲能支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定迊行研究》。華為作為團隊成員積極參與研究工作，負(fù)責(zé)技術(shù)指標(biāo)的可行性評估，助力完成電壓支撐型儲能電磁仿真驗證及關(guān)鍵技術(shù)驗證等工作。相關(guān)研究成果證明電壓支撐型儲能對青海電網(wǎng)新能源消納以及青豫直流外送能力的提升有明顯作用，填補了國內(nèi)空白。基于華為研發(fā)的智能光儲發(fā)電機方案，2022年華為聯(lián)合華潤電力，在中國電科院和青海電科院的指導(dǎo)下，持續(xù)開展研究課題的實際驗證與示范應(yīng)用工作，并于2023年1月在青海共和華潤濟貧光伏電站共同完成了全球首次構(gòu)網(wǎng)型光儲系統(tǒng)現(xiàn)場測試。本次測試涵蓋了構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)穩(wěn)定性、高/低電壓單次/連續(xù)故障穿越、一次調(diào)頻及慣量響應(yīng)特性等一系列測試。該項測試充分驗證了構(gòu)網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)在加強電網(wǎng)迊行特性和實現(xiàn)高比例可再生能源目標(biāo)方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，是新能源技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。圖21

青海共和.

完成構(gòu)網(wǎng)型光儲系統(tǒng)測試42沙特圖20

華為參與完成青豫直流機組并網(wǎng)測試沙特紅海項目是“沙特阿拉伯2030愿景”策劃的重點基礎(chǔ)設(shè)施項目，是沙特首次采用PPP模式開展的公用事業(yè)建設(shè)項目，預(yù)計為每年100萬人提供100%新能源電力。作為全球首個GWh級微網(wǎng)項目，其由400MW