新型電力系統(tǒng)定頻構(gòu)網(wǎng)及有功控制技術(shù)清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系新型電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵問(wèn)題高比例電力電子設(shè)備接入對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定真的是“洪水猛獸”么?◆如何設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備的控制策略，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?◆常規(guī)思路：增加穩(wěn)定控制，“做加法”,導(dǎo)致系統(tǒng)日益復(fù)雜◆可否降低系統(tǒng)復(fù)雜性以提升系統(tǒng)安全可靠性?◆基本方法：解耦，降階海量的變流器接口電源(CIG,包括風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等),為什么不通過(guò)合理的控制降低設(shè)備和系統(tǒng)的耦合度，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性?構(gòu)網(wǎng)型控制同步機(jī)動(dòng)態(tài)是最理想的么?不是海量VSG復(fù)雜交互下，能否保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?非常困難●教訓(xùn)：跟網(wǎng)型的復(fù)雜寬頻振蕩問(wèn)題三inverter三inverter電簞容量大，數(shù)量較少，特性一致2容量小，數(shù)量巨大，特性龐雜2一種全新的思路態(tài)就沒(méi)有穩(wěn)定問(wèn)題◆全新思路：不應(yīng)該去追求各種復(fù)雜的控制策略，而是盡量減少系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)交互，將系統(tǒng)降階甚至變?yōu)殪o態(tài)控制機(jī)網(wǎng)機(jī)網(wǎng)接口方程網(wǎng)絡(luò)方程轉(zhuǎn)子回路方程網(wǎng)絡(luò)方程其他動(dòng)態(tài)設(shè)備3理想的構(gòu)網(wǎng)控制策略——理想電壓源◆CIG控制為恒壓恒頻的理想電壓源，將電力系統(tǒng)變?yōu)殡娐贰舸蠓?jiǎn)化同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)帶來(lái)的復(fù)雜機(jī)電暫態(tài)過(guò)程以及伴隨的頻率、功角穩(wěn)定問(wèn)題與特性跟網(wǎng)型構(gòu)網(wǎng)型電流源電壓源理想電壓源優(yōu)勢(shì)●功率擾動(dòng)后沒(méi)有頻率動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)頻率固定在額定值●只存在潮流方程決定的靜態(tài)安全問(wèn)題，不存在動(dòng)態(tài)相關(guān)的穩(wěn)定問(wèn)題定頻定壓(VF)控制并不新，工程實(shí)現(xiàn)也無(wú)問(wèn)題，在單構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能支撐的獨(dú)立電網(wǎng)中大量應(yīng)用，但在多個(gè)構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備的系統(tǒng)中被認(rèn)為是不可行的普遍認(rèn)為多個(gè)理想電壓源的系統(tǒng)中，頻率固定在額定值就無(wú)法實(shí)現(xiàn)合理的功率分配有功頻率控制是交流電力系統(tǒng)誕生至今的“金科玉律”,是所有教材里面的經(jīng)典內(nèi)容●基于頻率控制功率(調(diào)頻),頻率偏差的正負(fù)決定系統(tǒng)功率調(diào)整的方向，頻率偏差/頻率變化率衡量系統(tǒng)的功率不平衡果真如此?電力系統(tǒng)功率擾動(dòng)后動(dòng)態(tài)過(guò)程有功控制和頻率控制的耦合是必然的么?不是電力系統(tǒng)功率擾動(dòng)后動(dòng)態(tài)過(guò)程(瞬間)導(dǎo)致機(jī)端頻率f變化后回到全網(wǎng)同步運(yùn)行的新穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速變化引發(fā)調(diào)速器動(dòng)作改變Pmi(一次調(diào)頻),穩(wěn)態(tài)時(shí)Pm=PG,動(dòng)能和轉(zhuǎn)速不再變化，全網(wǎng)頻率一致率和穩(wěn)態(tài)頻率決定(一次調(diào)頻，有差)二次調(diào)頻繼續(xù)改變機(jī)組出力，恢復(fù)頻率至額定值多個(gè)CIG控制為理想電壓源時(shí)，系統(tǒng)在擾動(dòng)瞬間即按潮流方程(物理規(guī)律)完成功率分配，無(wú)需控制且與頻率無(wú)關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程被限制在設(shè)備內(nèi)部，而不傳導(dǎo)到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和系統(tǒng)解耦●理想電壓源控制下，CIG內(nèi)部的功率平衡完全在內(nèi)部解決(電容電壓變化、機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)),但對(duì)電網(wǎng)而言保持理想電壓源，不影響電網(wǎng)系統(tǒng)不存在動(dòng)態(tài)相關(guān)的穩(wěn)定問(wèn)題●定頻控制框架下，只有設(shè)備安全問(wèn)題，沒(méi)有系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題VSC的通用拓?fù)銿SC內(nèi)部功率分布jx二的單相準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型考慮實(shí)際設(shè)備約束的定頻構(gòu)網(wǎng)控制理想電壓源的功率由外部電路決定，對(duì)設(shè)備能力要求很高，實(shí)際設(shè)備調(diào)節(jié)能力有限，此時(shí)在能力范圍內(nèi)盡量維持理想電壓源支撐系統(tǒng)，能力范圍外再進(jìn)行調(diào)節(jié)保證設(shè)備安全E一網(wǎng)源協(xié)調(diào)原則：十∑+su設(shè)備在能力范圍內(nèi)盡量維持理想電壓源支撐系統(tǒng)，能力范圍外再進(jìn)行調(diào)節(jié)保證設(shè)備安全[Pmin,Pmax]為設(shè)備定頻區(qū)為理想電壓源，頻率維持在額定值，不調(diào)節(jié)相位、改變輸出功率，直到e達(dá)到上限max或下限min;過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)頻率暫時(shí)偏離FFZ內(nèi)，頻率回到額定值外的頻率下垂/虛擬同步機(jī)控制設(shè)所有電源均為采用該邏輯的CIG,PAPC響應(yīng)過(guò)程如下(以負(fù)荷功率增加的擾動(dòng)為●瞬間功率分配：所有CIG作為恒壓源工作，功率分配由同步功率系數(shù)決定●后續(xù)功率分配：在瞬間功率分配后●如某CIG在其FFZ內(nèi)運(yùn)行，表明其功率儲(chǔ)備可以平衡干擾功率，CIG的內(nèi)部電壓保持恒定，頻率保持為額定值●如某CIG的有功功率超過(guò)其FFZ上限，則其相角減小，有功輸出減小，功率變化形成新的功率擾動(dòng)由其他FFZ內(nèi)的CIG承擔(dān)，逐漸傳遞直到所有CIG位于FFZ內(nèi)(包括上下限)●按照物理規(guī)律分配功率，而不是按照控制策略APmAPa?1uK十∑t0E+WWu∑WWu∑55WW-CIG2CIG承擔(dān)的功率都在Time(s)仿真算例b)t=10s時(shí)，在Load3處增加50MW有功負(fù)荷時(shí)的功率、頻率響應(yīng)過(guò)程(增加的功率小于系統(tǒng)的總備用54.45MW,但部分CIG達(dá)到了調(diào)節(jié)上限)和CIG1吸收(過(guò)程中CIG1也越限)瞬時(shí)頻率發(fā)生波動(dòng)；●在系統(tǒng)總備用足夠的前提下，至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)頻率始終保持為額定值，只有局部、暫時(shí)的頻率偏差，不存在系統(tǒng)范圍的頻率偏差◆上述功率分配都是按照物理規(guī)律分配，但電力系統(tǒng)有人為調(diào)整潮流的需要，通過(guò)二次有功控制(SecondaryActivePowerControl,SAPC)實(shí)現(xiàn)◆和現(xiàn)有AGC系統(tǒng)架構(gòu)完全相同：本地CIG增加SAPC模塊，執(zhí)行功率指令Pcmd;Pcma來(lái)源于控制中心，周期性計(jì)算各CIG的期望出力Pcma并下發(fā)◆時(shí)間尺度分離：SAPC以較長(zhǎng)周期(一般為數(shù)秒)離散的控制，不影響系統(tǒng)擾動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和穩(wěn)定性十Pemdu仿真算例3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，增加50MW有功負(fù)荷的場(chǎng)景當(dāng)PAPC環(huán)節(jié)工作結(jié)束后，CIG1和CIG3的出力維持在其可持續(xù)出力區(qū)FFZ的上限，分別是82.10MW和98.36MW通過(guò)SAPC將CIG2和CIG3的出力分別調(diào)整為184MW和86MW(下左圖),調(diào)節(jié)過(guò)程中CIG1負(fù)責(zé)系統(tǒng)的功率平衡(下右圖)調(diào)節(jié)過(guò)程中采用的指令下發(fā)周期為5s(可按需要調(diào)整)L實(shí)現(xiàn)了一種CIG主導(dǎo)系統(tǒng)的定頻運(yùn)行模式●除了局部的、暫時(shí)的頻率偏差之外，不存在系統(tǒng)范圍的頻率偏差，也不再需要調(diào)頻◆實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)頻率的有功控制，打破了交流電力系統(tǒng)誕生至今的有功和頻率之間的耦合關(guān)系●分散式的一次有功控制PAPC替代了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，根據(jù)CIG與擾動(dòng)點(diǎn)的距離及其可用的功率儲(chǔ)備，在CIG之間分配功率擾動(dòng)●集中式的二次有功控制SAPC替代了三次調(diào)頻(或經(jīng)濟(jì)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度),實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)整態(tài)電壓穩(wěn)定(小動(dòng)電壓穩(wěn)定)(周期性失穩(wěn))小擾動(dòng)(周期性失穩(wěn))(非周期性失穩(wěn))(短期過(guò)程)大擾動(dòng)大擾動(dòng)小擾動(dòng)頻率穩(wěn)定大擾動(dòng)穩(wěn)定性提升系統(tǒng)不存在頻率動(dòng)態(tài)問(wèn)題，不再需要調(diào)頻，也不需要考慮系統(tǒng)慣量特性●系統(tǒng)頻率基本固定在額定值，只存在局部的、暫時(shí)的瞬時(shí)頻率波動(dòng)，不存在系統(tǒng)范圍內(nèi)的頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程及穩(wěn)定問(wèn)題小擾動(dòng)同步穩(wěn)定性顯著提升●所有CIG保持在其FFZ內(nèi)時(shí)，不考慮線(xiàn)路電磁暫態(tài)，系統(tǒng)由一個(gè)代數(shù)方程組描述，不存在小擾動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題●如一個(gè)或多個(gè)CIG位于FFZ外，則每一個(gè)CIG的方程均為一階動(dòng)態(tài)方程形式δ=K?p(Pmax-Pe),正常參數(shù)下對(duì)應(yīng)的都是負(fù)實(shí)數(shù)特征根，不存在振蕩問(wèn)題3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)特征根分布o(jì)3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)特征根分布o(jì)全SG10△wWw●由于各CIG僅在FFZ外存在頻差，F(xiàn)FZ內(nèi)沒(méi)有同步動(dòng)態(tài)，不再依賴(lài)同步過(guò)程實(shí)現(xiàn)同步，而是FFZ內(nèi)部指定頻率的強(qiáng)制同步，相角保持同步的能力大幅相短路，通過(guò)斷開(kāi)線(xiàn)路7-8清除故障0全SG系統(tǒng)故障極限切除時(shí)間約為0.20s故障極限切除時(shí)間從0.2s提高到4s以上●寬頻振蕩主要由電力電子設(shè)備的控制引發(fā)整個(gè)CIG是一種開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，全頻段無(wú)諧振點(diǎn)，從原理上完全避免電力電子設(shè)備控制交互引發(fā)的寬頻振蕩●設(shè)備電流越限時(shí)引入控制限流●設(shè)備能力范圍內(nèi)盡量開(kāi)環(huán)運(yùn)行支撐系統(tǒng)，能力范圍外閉環(huán)控制保證設(shè)備安全δsAPC+uPe0Pmin直接給PWM,∑+E合成端電壓合成端電壓Lldg(ZdFF-APC與現(xiàn)有運(yùn)行控制方式的兼容定頻CIG設(shè)備比例較低的場(chǎng)景(SG主導(dǎo))——提高系統(tǒng)穩(wěn)定性●擾動(dòng)功率同時(shí)由SG和CIG吸收：●穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)頻率有偏移，干擾功率按照靜態(tài)頻率特性系數(shù)分配(CIGs的K?p和SG的KG)定頻CIG設(shè)備比例足夠大的場(chǎng)景(CIG主導(dǎo))——實(shí)現(xiàn)一個(gè)定頻、強(qiáng)穩(wěn)定●初始擾動(dòng)功率按電氣距離分配給SG和CIG:超出FFZ的CIG進(jìn)行調(diào)整●功率不斷重新分配，如果SG的原動(dòng)功率不變，其電功率將返回至干擾前的水平，所有擾動(dòng)功率將由CIG承擔(dān)●穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)頻率返回到額定值半實(shí)物仿真◆搭建兩定頻儲(chǔ)能+負(fù)荷的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)◆控制器采用真實(shí)PCS控制器◆定頻控制+無(wú)內(nèi)環(huán)限流策略上界拉到FFZ內(nèi)部。0潮流調(diào)整可正常實(shí)施負(fù)荷階躍擾動(dòng)下頻率維持在額定值——b----1nax快速限流無(wú)超調(diào)，故障清除后迅速退出限流0長(zhǎng)時(shí)間短路不失穩(wěn)，大擾動(dòng)穩(wěn)定性強(qiáng)◆2025年6月，進(jìn)行了實(shí)際設(shè)備定頻孤網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)◆系統(tǒng)拓?fù)洌簝膳_(tái)定頻儲(chǔ)能與跟網(wǎng)型光伏帶恒功率負(fù)載的微網(wǎng)系統(tǒng)●PCS額定容量100kW,額定交流電壓380V◆實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)一次有功控制、二次有功控制功能進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證定頻和系統(tǒng)有功控制效果W光伏電池板專(zhuān)恒功率負(fù)載W線(xiàn)路光伏運(yùn)行在MPPT模式下，負(fù)荷從30kW變化至60kW,再變化至90kW只有短暫頻率只有短暫頻率波動(dòng)，頻率維持在額定值在t(s)t(s)負(fù)荷功率PV……PmaxofPCSI負(fù)荷母線(xiàn)頻率—PCS2系統(tǒng)功率備用充足時(shí)，系統(tǒng)頻率維持在額定值，擾動(dòng)功率按照電氣距離和各定頻CIG功率備用分配功率備用不足時(shí)，存在穩(wěn)態(tài)頻差，擾動(dòng)功率按照下垂系數(shù)分配◆抑制時(shí)鐘不同步導(dǎo)致的功率漂移●兩PCS的FFZ均為[-0.3,0.3]00減?。粫r(shí)鐘較005s一次的相角跳變，5s一次的相角跳變，導(dǎo)致測(cè)量所得頻率有較PCS1運(yùn)行在Pmax30kW,PCS10——PCS2……PrmaxSAP