2024年新型電力系統(tǒng)下的構網技術應用報告-四方繼保（劉樹）

新型電力系統(tǒng)下的構網技術應用北京四方繼保自動化股份有限公司劉樹2024年10月密級：□核心商密□普通商密□對內公開■對外公開04振蕩抑制技術研究1.1新型電力系統(tǒng)的變化及特征□據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2023年我國容量約占我國電源總容量的36%□據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2023年我國容量約占我國電源總容量的36%。□預計2024年底煤電占總裝機比重降至37%,2030年我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模超過煤電，成為第一大電源；2060年前新能源發(fā)電量占比有望超過50%,4.4億千瓦6.1億千瓦傳統(tǒng)發(fā)儲能系統(tǒng)核電新能源1.2新型電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)應對方案：儲能能夠起到平滑新能源波動、提高消納的作用，是建設高比例新能源供給消納體系、提高電網柔性的關鍵技術。源網荷儲一體化技術通過整合源、網、荷、儲四個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)41.2新型電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)高比例電力電子：高比例新能源變流器、新型儲能、柔性直流輸電等電力電子技術廣泛推增加電機類調節(jié)設備提供支撐應用構網型電力電子裝置提供支撐增加電機類調節(jié)設備提供支撐51.2新型電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)電保護動作性能受到影響，寬頻振蕩問題頻繁出現(xiàn)，安全運行面臨挑戰(zhàn)。6目錄/目錄/0101新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)2.1構網型技術1)基于控制方式定義1)基于控制方式定義2)基于時域響應定義2)基于時域響應定義3)基于頻域響應定義3)基于頻域響應定義>小信號阻抗掃描具有特定寬頻阻抗特性4)基于功能測試定義同步同步單元無功外環(huán)下垂控制虛擬同步發(fā)電機(Virtual同步變流器直流電容電壓控制混合同步控制構網控制技術發(fā)展史電壓相角(功角)控制電壓相角(功角)控制虛擬同步機功率同步控制虛擬振蕩器控制匹配控制VE濾波p*PQQDD十十十K,s+K,QKo直流電容動態(tài)自同步y(tǒng)nf2.1構網型技術EG39A0KDD11WDoAPBVgbVgcK硬件方面：配置超容或電池作為能量存儲載體，硬件方面：配置超容或電池作為能量存儲載體，使設備具備慣量支撐和電壓支撐能力；功率器控制方面：采用有功功率環(huán)和無功功率環(huán)分別模擬同步發(fā)電機的一次調頻、勵磁環(huán)節(jié)和轉子運動方程，控制輸出內電勢相位和幅值參考值，綜上，構網型變流器可以獲得與同步發(fā)電機類綜上，構網型變流器可以獲得與同步發(fā)電機類2.2構網型技術將構網型技術與電力電子裝備技術相結合，充分釋放構網型技術的優(yōu)勢，是新型電力系統(tǒng)背景下的發(fā)提升處于電網末端的新能源場站的并網點短路容量，增加新能源場站出力能力，輔助新能為高比例新能源地區(qū)提供快速頻率和電壓支撐、以及離網長期穩(wěn)定運行等能力，保障綠色解決弱系統(tǒng)互聯(lián)穩(wěn)定性問題，兼容并網、孤島運行需求，系統(tǒng)故2.2構網型技術構網型裝備能力對比靜止調相機(藍色)常規(guī)特性常規(guī)特性常規(guī)特性常規(guī)特性構網型特性構網型特性常規(guī)特性常規(guī)特性短路容量短路容量儲能系統(tǒng)儲能系統(tǒng)同步發(fā)電機構網型儲能/構網型柔直2.2構網型技術構網型裝備應用效果口構網型變流器使用功率同步替代了電網電壓鎖相同步，具備弱網穩(wěn)定運行能力口構網型變流器模擬發(fā)電機內電勢特性，在電壓變化時通過自然響應輸出無功功率實現(xiàn)快速的暫態(tài)電壓支撐口構網型控制模擬發(fā)電機轉子運動方程，在頻率變化時通過自然響應輸出有功功率實現(xiàn)快速的頻率支撐低穿時自然發(fā)送無低穿時自然發(fā)送無功功率時間/s功率運釋放慣量有功吸收慣量有功付②自然無功響應，暫態(tài)電壓支撐①①弱網穩(wěn)定運行③自然有功響應，主動頻率支撐2.3四方構網型產品和應用案例35kV/20MT和同低壓儲能高壓鏈式儲能構網型SVG靜止同步調相機構網柔直控保2.4構網型技術VS新問題的適配性西王電網湖北側換流屋華中電網Upee系統(tǒng)側新能源側西王電網湖北側換流屋華中電網Upee系統(tǒng)側新能源側目錄/目錄/0101新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)0303保護適應性研究故障特征分析采集測量采集測量更精準電氣模型更精確控制策略更友好逆變器通用等值模型解決思路保護原理更先保護原理更先進保護原理保護原理適應難指標標準化指標標準化的控制策略3.2適應性分析差動保護差動是優(yōu)良的主保護原理，但新能源電源故障電流幅值受限、相角受控，區(qū)內故障時兩側故障相電流的相位差較大，此時差動電流減小，制動電流增大，可能造成差動保護因靈敏度下降而拒動。Ia個IN動作區(qū)3.2適應性分析新能源電源故障電流相角受控制，故障點過渡電阻上的短路附加阻抗可能不是純阻性，會造成距離保護拒動、誤動。保護M處測量電壓：保護M處測量阻抗：短路附加阻抗：3.2適應性分析MNM*系統(tǒng)側系統(tǒng)側EF)△EM3.3保護適應性解決方案外部系統(tǒng)外部系統(tǒng)主變匯集主變匯集全功率型逆變電源新能源側短路電流幅值受限、相位突變關鍵關鍵3.4保護適應性驗證RTDS仿真驗證結果表明：(基于南澳柔直構網型改造前期研究工作)構網型變流器故障電流電壓的暫態(tài)波形和相位特征與同步發(fā)電機基本一致，對傳統(tǒng)交流保護有較好的適應性。NNY構網型柔直仿真系統(tǒng)圖sK2K3四MNBO-同步發(fā)電機仿真系統(tǒng)圖TV2GSMREK3點ABCN故障220kV側電壓構網型變流器與同步發(fā)電機的電壓波0K3點ABCN故障220kV側電流故障期間，構網型變流器與同步發(fā)電機的K3點ABN故障序分量對比故障期間，構網型變流器與同步發(fā)電機的RTDS仿真驗證結果表明：(基于南澳柔直構網型改造前期研究工作)10.00-10.00-作區(qū)外、Ⅱ段動作區(qū)內，出非故障相阻抗均未進入故障相差動電流0附近0附近r故障相差動電流幅值超過動負序方向元件均判斷目錄/目錄/0101新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)4.1振蕩抑制技術背景及需求●新能源多采用電力電子設備接入，電力電子設備在寬頻帶阻抗特性與控制方式及參數(shù)相關，特性復雜●新能源場站末端接入，短路比低，與交流系統(tǒng)相互耦合影響，寬頻振蕩事件頻發(fā)●多地已開展寬頻振蕩防控系統(tǒng)試點應用2023.1~2024.7,內蒙某電網發(fā)2024.8,西北電網發(fā)生25Hz2023.1~2024.7,內蒙某電網發(fā)2024.8,西北電網發(fā)生當前2023.6,寧夏某330kV匯集站發(fā)生當前2023.6,寧夏某330kV匯集站發(fā)生2023.8,西藏某電網發(fā)生寬2023.2,浙江某風電發(fā)生諧2023.8,西藏某電網發(fā)生寬累計吊裝容量/萬千瓦累計吊裝容量/萬千瓦ff未來門4.1振蕩抑制技術差異項傳統(tǒng)系統(tǒng)振蕩抑制新型電力系統(tǒng)振蕩抑制振蕩辨識頻率范圍5~45Hz0.1~2500Hz,頻帶寬模式特性窄帶，中心頻率左右振蕩抑制振蕩輸入軸系轉速差，穩(wěn)定電壓/電流，波動性大抑制容量依據(jù)軸系扭振風險確定依據(jù)控制目標阻抗特性確定阻尼分配根據(jù)振蕩風險設定增益根據(jù)實際振蕩情況，動態(tài)調整增益控制參數(shù)單模式最優(yōu)阻尼整定需考慮寬頻帶適應性，魯棒性要求高4.1振蕩抑制技術雙峰譜線插值雙峰譜線插值主究摩主究摩000實現(xiàn)0.1~2500Hz、20個振蕩模式、全特征量(振蕩電流/電壓/阻抗/功率)、高精度(測量級)、快速辨識寬頻段阻抗重塑：利用構網型控制在寬頻段正阻尼特性，確保變流器本身不會成為新的振蕩源；附加阻尼控制在振蕩發(fā)生時基于母線電壓、集電線電流進行針對化的阻抗重塑，將新能源場站在各振蕩頻點的阻抗特性重塑為正新能源場站阻抗重塑原理新能源場站阻抗重塑原理0004.1振蕩抑制技術采用靈活配置電容(或者配置超容)、鏈節(jié)數(shù)的方案，適應不同應用場景、更寬范圍的寬頻振蕩抑制需求?？诔潆娙?或配超容):增強次、超同步電流輸出的能力主控集裝箱