分布式調(diào)相機(jī)對大規(guī)模新能源匯集的支撐作用探討王西田副教授上海交通大學(xué)2背景介紹背景介紹●近幾年我們團(tuán)隊(duì)參與承擔(dān)了幾項(xiàng)調(diào)相機(jī)和新能源匯集相關(guān)的研究：上海電氣電站集團(tuán)發(fā)電機(jī)廠委托課題《分布式調(diào)相機(jī)對新能源為主體的新型電力系統(tǒng)支撐作用的研究》和《雙軸勵磁調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)控制策略研究》,國家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目《大型新能源基地交流匯集工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究》。首先感謝上海發(fā)電機(jī)廠和國網(wǎng)等單位對我們高校研究團(tuán)隊(duì)的支持!●中國電機(jī)工程學(xué)會電機(jī)專委會及其調(diào)相機(jī)學(xué)組組織的全國性、多行業(yè)、跨專業(yè)學(xué)術(shù)交流活動，引導(dǎo)和推動了我們團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究。特別感謝專委會提供了本次匯報(bào)交流機(jī)會!●本次匯報(bào)交流的一些內(nèi)容僅是個人觀點(diǎn)，不當(dāng)之處在所難免，敬請批評指正!TunL目錄一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用4一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)2020年9月，習(xí)近平主席在75屆聯(lián)大講話中宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會講話中進(jìn)一步宣布：到2030年中國非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)025年030年我國整體電源發(fā)展展望(數(shù)據(jù)來源：國網(wǎng)能源院&中電聯(lián))到12億千瓦以上。碳中和納入生態(tài)文明整體建設(shè)布局，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳生活方式，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。年份總裝機(jī)(億千瓦)36~4178~82煤電裝機(jī)占比(%)49.131~364常規(guī)機(jī)組裝機(jī)占比(%)約59約23非化石能源裝機(jī)占比(%)44.852~5988~89非化石能源電量占比(%)33.939~4586~875一一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)I大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中的網(wǎng)機(jī)關(guān)系新型電力系統(tǒng)的兩個典型特征：◆高比例可再生能源◆高比例電力電子裝備低抗擾、弱支撐特性，故障影響不確定更強(qiáng)，對電網(wǎng)沖擊更大，極易引發(fā)連鎖反應(yīng)與系統(tǒng)新型電力系統(tǒng)的兩個典型特征：◆高比例可再生能源◆高比例電力電子裝備低抗擾、弱支撐特性，故障影響不確定更強(qiáng)，對電網(wǎng)沖擊更大，極易引發(fā)連鎖反應(yīng)與系統(tǒng)穩(wěn)定破壞風(fēng)險(xiǎn)。FACTS分布式發(fā)電總結(jié)：新能源發(fā)電與大電網(wǎng)之間的相互作用加強(qiáng)，系統(tǒng)同步機(jī)制發(fā)生重大變化。TU6一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)的南澳大利亞，極端天氣(臺風(fēng)暴雨)引起電間累計(jì)脫網(wǎng)約505MW,16:18:15第6次電網(wǎng)1暴風(fēng)雨造成66kVNorthfield至2275kVBrinkworth至TemlersWest兩相接地，1條275kV線路退出3275kVDavenport至Bel456JTU一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)7大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系問題的案例高比例新能源發(fā)電會引起次超同步振蕩√華北沽源風(fēng)電與串補(bǔ)輸電參與的次同步振蕩●2012年，沽源地區(qū)風(fēng)電場裝機(jī)容量增大，此后一年內(nèi)發(fā)生次同步振蕩事件58次?！衲炒瓮秸袷幨录泄猎醋冸娬?20kV側(cè)的有功功率錄波如右下圖。事件大致分為三個階段：(1)出現(xiàn)次同步振蕩且幅度迅速增加；(2)保護(hù)檢測到振蕩發(fā)生，數(shù)百臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在30s內(nèi)跳閘，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量的減小增大次同步振蕩頻率正阻尼，振蕩逐漸收斂，但振蕩仍然存在；(3)其中一個串聯(lián)電容器停止工作，振蕩消失。內(nèi)蒙HengTa沽源變電站40%45%汗海二太平振蕩發(fā)生木卡北京風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)串補(bǔ)退出運(yùn)行014:14:00.014:14:30.0Time(hh:mm:14:14:00.014:14:30.0一一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)8I大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系問題的案例●2015年7月1日，哈密的風(fēng)電場群(以全功率變流型的振蕩功率的路徑存在于風(fēng)電場群與火電廠之間。臺660MW火電機(jī)組跳機(jī)。一一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)9大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系問題的案例一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系問題的案例風(fēng)電并網(wǎng)特性不足導(dǎo)致的電網(wǎng)大停電事故√英國海上風(fēng)電場脫網(wǎng)事故●2019年8月9號，由于雷擊引起的霍恩海上風(fēng)電以及一座天然氣發(fā)電廠脫網(wǎng)，最終造成包括倫敦在內(nèi)的大半個英國地區(qū)陷入癱瘓，超過100萬人無電可用的嚴(yán)重DG掉線系統(tǒng)功率缺額1878MW系統(tǒng)慣量保守150GVA·S,200MW48.8●由于遭受雷擊以及雷擊引起主網(wǎng)線路停運(yùn)，海上風(fēng)電場接入的電網(wǎng)變薄弱，故障過程中觀察到了短時的10Hz左右的次同步頻段振蕩，風(fēng)電場35KV系統(tǒng)與主網(wǎng)之間產(chǎn)生大量無功功率交換，風(fēng)電機(jī)群由于機(jī)組過流保護(hù)動作而脫網(wǎng)，另外大量分布式光伏在此次事故中脫網(wǎng)。該現(xiàn)象說明，霍恩風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)或動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，在調(diào)節(jié)、抗擾動能力等涉網(wǎng)技術(shù)特性方面存在不足。一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)目目錄二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析接入新能源場站調(diào)相機(jī)升壓變壓器主勵磁變壓器調(diào)相機(jī)Eγ?I.滯相運(yùn)行□調(diào)相機(jī)等值電路圖UE/?f0f0E??=U+jXia至SFC系統(tǒng)分布式調(diào)相機(jī)接線簡圖進(jìn)相運(yùn)行□E1jxIE1U.=Eyo+L?XSJTUl二二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析調(diào)相機(jī)d軸等值電路調(diào)相機(jī)q軸等值電路q*調(diào)相機(jī)等值繞組Xu=X?+X經(jīng)典參數(shù)和等值阻抗的轉(zhuǎn)換二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行磁路圖轉(zhuǎn)子主磁通Φ感應(yīng)產(chǎn)生空載電產(chǎn)生經(jīng)過的磁路電抗Xa上的故障后突增的短路電流產(chǎn)生去磁作用，由楞次定律，勵磁繞組會增大電流，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁通迫使電樞反應(yīng)磁通Φ'改變路徑，對應(yīng)磁路電抗Xad'故障后突增的短路電流產(chǎn)生去迫使電樞反應(yīng)磁通ΦR"改變路徑，對應(yīng)磁路電抗Xd"二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析(1)小擾動無功電流分析ro--ro- 愛+十Aa(2)強(qiáng)勵期間無功電流分析Kup:強(qiáng)勵倍數(shù)△E,=E/max-E=KU,-E,結(jié)論：減小x”和X可以增大無功電流，改善調(diào)相機(jī)的動態(tài)無功特性。S.TLn短路比：系統(tǒng)短路容量與新能源額定容量的比值。短路比是衡量電源接入點(diǎn)并網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，低短路比并網(wǎng)的新能源電站發(fā)生振蕩、電壓失穩(wěn)等問題的風(fēng)險(xiǎn)較高。接入調(diào)相機(jī)前的短路電流：接入調(diào)相機(jī)后的短路電流：調(diào)相機(jī)接入系統(tǒng)示意圖二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析■I調(diào)相機(jī)接入對短路比的影響舉例說明：U=1,X=1,X=0.12,E=1.0,X=0.2,S=200MVA,Q=50MVar。接入調(diào)相機(jī)前的短路比：接入調(diào)相機(jī)后的總阻抗(調(diào)相機(jī)側(cè)看):接入調(diào)相機(jī)后的總阻抗(系統(tǒng)側(cè)看):接入調(diào)相機(jī)后的短路比：結(jié)論：調(diào)相機(jī)接入后會增大新能源并網(wǎng)系統(tǒng)短路比，改善新能源并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行條件。二二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析-數(shù)為勢的比值。-數(shù)為勢二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析根據(jù)《DL/T2658-2023快速動態(tài)響應(yīng)同步調(diào)相機(jī)技術(shù)規(guī)范》,分布式調(diào)相機(jī)應(yīng)該具有很強(qiáng)的短時過載能力和快速動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，具體指標(biāo)如下：(1)d軸暫態(tài)開路時間常數(shù)Tdo'宜不大于8.0s;(2)d軸暫態(tài)短路時間常數(shù)Td'應(yīng)不大于0.95s;(3)直軸瞬態(tài)電抗Xd'(飽和值)應(yīng)不大于0.22p.u.;(4)直軸超瞬態(tài)電抗Xd"(飽和值)應(yīng)不大于0.14p.u.;(5)調(diào)相機(jī)定子繞組應(yīng)能承受3.5倍額定電流持續(xù)時間不小于15s;(6)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)能承受2.5倍額定勵磁電流持續(xù)時間不小于15s;(7)調(diào)相機(jī)應(yīng)具有1.3倍額定電壓下進(jìn)相持續(xù)時間不小于1s的能力；(8)機(jī)端電壓為額定值的80%時，應(yīng)能保證3.5倍額定勵磁電壓；(9)2.5倍強(qiáng)勵電流持續(xù)時間不小于15s;(10)電壓響應(yīng)時間應(yīng)滿足：上升時間不大于0.02s;下降時間不大于0.025s。SJTunL二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析另外還與變壓器等值阻抗X有密切關(guān)系?！馲a”和X越小，動態(tài)無功特性越好，短路比增大倍數(shù)越高，其優(yōu)化參數(shù)基本等于當(dāng)前設(shè)計(jì)制造所能達(dá)到的最小值。一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機(jī)關(guān)系的特點(diǎn)CCONTENT目二、分布式調(diào)相機(jī)的涉網(wǎng)特性分析錄三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用林吉丹巴林吉丹巴三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用●根據(jù)國家“雙碳”戰(zhàn)略整體部署，我國先后發(fā)布了以沙戈荒地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)光基地布局規(guī)劃及三批次的大型新能源基地項(xiàng)目清單。●多個開發(fā)主體的大型新能源基地進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，匯集送出工程的建設(shè)是影響新能源基地并網(wǎng)和消納的重要環(huán)節(jié)。流動沙漠半流動沙漠戈壁三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用●調(diào)研發(fā)現(xiàn)新能源基地交流匯集工程存在電壓穩(wěn)定裕度偏低、多場站短路比偏低、靜態(tài)電壓穩(wěn)定儲備不足、暫態(tài)過電壓水平偏高、寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)等問題?！裥履茉磮稣竞蛥R集站動態(tài)無功配置的建設(shè)主體不同，設(shè)備布置方案和設(shè)備參數(shù)不統(tǒng)一，沒有形成分工協(xié)調(diào)和優(yōu)化布局。流動沙漠平流動沙漠三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用I分布式調(diào)相機(jī)對大規(guī)模新能源匯集的支撐作用●分布式調(diào)相機(jī)對大規(guī)模新能源匯集的支撐作用，主要體現(xiàn)在動態(tài)和慣量支撐三個方面。●分布式調(diào)相機(jī)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐能力，增大系統(tǒng)的短路比，提升系統(tǒng)的電網(wǎng)強(qiáng)度；高慣量的調(diào)相機(jī)可以對系統(tǒng)提供慣量支撐，降低故障時系統(tǒng)的頻率變化率。解決次同步振蕩問題提高新能源機(jī)組高/低電壓穿越能力：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功優(yōu)化配置有效抑制新能源并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩問題減小故障期間系統(tǒng)頻率變化率和變化幅值主要涉網(wǎng)特性參數(shù)三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用●分布式調(diào)相機(jī)定子具有3.5倍×15s的過載能力，瞬時無功支撐能力強(qiáng)(1個周波以內(nèi)的時間尺度),另外可以能夠提供短路比和慣量支撐，從根本上解決寬頻振蕩等穩(wěn)定問題，但是一次投資較高?！馭VG控制響應(yīng)快(1個周波以上的時間尺度),對系統(tǒng)電壓恢復(fù)支撐能力強(qiáng)，但是SVG電流過載能力相對弱一些(不超過1.3倍),另外不提供短路電流和慣量?！穸喾N動態(tài)無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)互補(bǔ)，有利于提高綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。x-WE,U,三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用I多種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置特性比較及其協(xié)調(diào)運(yùn)行策略●最近有新聞報(bào)導(dǎo)構(gòu)網(wǎng)型儲能、構(gòu)網(wǎng)型SVG示范應(yīng)用，構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG呈現(xiàn)電壓源外特性，被認(rèn)為具有與同步發(fā)電機(jī)/調(diào)相機(jī)類似的特性?！駱?gòu)網(wǎng)型儲能/SVG具備3.0倍×10s的過載能力，接近新型調(diào)相機(jī)的技術(shù)要求。儲能XVaceeDCAC0dqPWMdq構(gòu)網(wǎng)型控制器UZVadqgbugeiaeYaheiahe功率控制U專PCCZZugSJTunL(賞金全網(wǎng)最高50%)(賞金全網(wǎng)最高50%)Al大模型應(yīng)用|企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型|新能源產(chǎn)業(yè)鏈|碳中和5G+物聯(lián)網(wǎng)|元宇宙|區(qū)塊鏈技術(shù)|短視頻運(yùn)營指南|微短劇行業(yè)洞察|營銷增長方法論…②②行業(yè)方案&商業(yè)計(jì)劃書行業(yè)知識共享社區(qū)極光智庫極光智庫極光智庫(日更50+)微信掃碼加入星球C三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG能完全替代新型調(diào)相機(jī)嗎?●分布式調(diào)相機(jī)是真實(shí)的電壓源，遵循電磁感應(yīng)物理定律；構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG是等效模擬的(受控)電壓源，是通過電力電子調(diào)制實(shí)現(xiàn)的?！裎覀冋J(rèn)為，分布式調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)響應(yīng)能力和抗沖擊能力是構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG難以實(shí)現(xiàn)的!●分布式調(diào)相機(jī)也需要通過技術(shù)革新提高競爭力。調(diào)相機(jī)等值圖構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG等值圖三三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用I雙軸勵磁調(diào)相機(jī)●雙軸勵磁調(diào)相機(jī)的定子繞組與傳統(tǒng)同步調(diào)相機(jī)相同，都是由對稱●雙軸勵磁調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)子有相互垂直的兩套勵磁繞組，勵磁磁勢和勵磁電動勢的大小和方向靈活可調(diào)，增加了勵磁調(diào)節(jié)的自由度，三三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用I雙軸勵磁調(diào)相機(jī)●雙軸勵磁調(diào)相機(jī)移動范圍可擴(kuò)展至Efm左側(cè)的三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用I雙軸勵磁調(diào)相機(jī)●雙軸勵磁調(diào)相機(jī)大大提升了深度進(jìn)相運(yùn)行能力，可省去欠勵限制，進(jìn)相能力只主要取決于熱穩(wěn)定限制。穩(wěn)定約束(欠勵限制):0三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機(jī)對新能源匯集的支撐作用●雙軸勵磁調(diào)相機(jī)可以在不做大的設(shè)計(jì)改動