背景介紹·近幾年我們團隊參與承擔了幾項調(diào)相機和新能源匯集相關(guān)的研究：上海電氣電站集團發(fā)電機廠委托課題《分布式調(diào)相機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目《大型新能源基地交流匯集工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究》。首先感謝上海發(fā)電機廠和國網(wǎng)等單位對我們高校研究團隊的支持！中國電機工程學(xué)會電機專委會及其調(diào)相機學(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)和推動了我們團隊的相關(guān)研究。特別感謝專委會提供了本次匯報交流機會！本次匯報交流的一些內(nèi)容僅是個人觀點，不當之處在所難免，敬請批評指正！報告提綱大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點目分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析錄CONＴEN分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點雙碳目標與新型電力系統(tǒng)“非拍愛保800000700000|600000■生物質(zhì)及其他■大陽能發(fā)電>2020年9月，主席在75屆聯(lián)大講話中宣布：中國500000400000將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于■風(fēng)電3000002030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。20000010000*水電>2020年12月，主席在氣候雄心峰會講話中進■氣電步宣布：到2030年中國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上?！鲭娢覈w電源發(fā)展展望（數(shù)據(jù)：國網(wǎng)能源院&中電聯(lián)）年份2020年2030年2060年78~824>2021年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議：要把碳達峰碳中和納入生態(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)?？傃b機（億千瓦）2236~41煤電裝機占比（%）常規(guī)機組裝機占比（%）非化石能源裝機占比（%）非化石能源電量占比（%）31~3649.1約59約2376總結(jié)：雙碳目標與新型電力系統(tǒng)已上升為國家戰(zhàn)略44.833.952~5968~8886~8739~45一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中的網(wǎng)機關(guān)系>新型電力系統(tǒng)的兩個典型特征：◆高比例可再生能源直流輸電電→高比例電力電子裝備交通電力工業(yè)用電》“雙高"電力系統(tǒng)具有低慣量低抗擾、弱支撐特性，故障影響不確定更強，對電網(wǎng)沖擊更大，極易引發(fā)連鎖反應(yīng)與系統(tǒng)變流器電源周步電池穩(wěn)定破壞風(fēng)險。交流輸電居民用電總結(jié)：新能源發(fā)電與大電網(wǎng)之間的相互作用加強，系統(tǒng)同步機制發(fā)生重大變化一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系問題的案例>新能源場站故障特性將影響系統(tǒng)安全序號時間事故√澳大利亞極端天氣下的連續(xù)故障穿越星風(fēng)雨造成66kVNorthfield至16:16:46●2016年9月28日，新能源發(fā)電占比高達50%的南澳大利亞，極端天氣（臺風(fēng)暴雨）引起電壓跌落導(dǎo)致大量風(fēng)機脫網(wǎng)。6次電壓跌落期Harrow線路故障275kVBrinkworth至TemlersWest兩相接地，1條275kV線路退出16:17:33275kVDavenport至Belalie線路單間累計脫網(wǎng)約505MW，16:18:15第6次電網(wǎng)跌落時約445MW風(fēng)機脫網(wǎng)。相接地，1s后重合閘成功。16:17:59275kVDavenport至Belalie線路單相接地，重合失敗，2條線路退出。16:18:08聯(lián)絡(luò)線最大容量600MW，線路故障前潮流有525MW，風(fēng)機脫網(wǎng)后潮流瞬間增大至275kVDavenport至MtLock線路單相接地16:18:1316:18:14900MW，聯(lián)絡(luò)線跳開，系統(tǒng)崩潰，南澳大275kVDavenport至MtLock線路單相接地后重合閘失敗,第5、6次故障共造成3條275kV線路退出運行。6利亞州大停電(50h)。一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(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內(nèi)蒙活源變電站0%/華北沽源風(fēng)電與串補輸電參與的次同步振蕩汗海太平2012年，沽源地區(qū)風(fēng)電場裝機容量增大，此后年內(nèi)發(fā)生次同步振蕩事件58次。aisTa北京某次同步振蕩事件中活源變電站220kV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)保護檢測到振蕩發(fā)生，數(shù)百臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機在30s內(nèi)跳閘風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)量的減小增大次同步振蕩頻率正振蕩發(fā)生300250風(fēng)電機組脫網(wǎng)200串補退出運行00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。14:13:00.14:14:00.(14:12:00.014:12:30.014:14:30.0Time(hlhcmmcss)一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(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√新疆哈密風(fēng)電與火電參與的次同步振蕩Windfarm2015年7月1日，哈密的風(fēng)電場群（以全功率變流型風(fēng)機為主)與當?shù)厝踅涣麟娋W(wǎng)產(chǎn)生相互作用，全功率變流的控制特性影響了相互作用的機制。通過PMU錄波數(shù)據(jù)進行事故后分析，看到次同步頻率200km的振蕩功率的路徑存在于風(fēng)電場群與火電廠之間。5substation功率振蕩的頻率與臨近火電機組大軸的自然振蕩頻率(30.7Hz)匹配，引起軸系的扭轉(zhuǎn)振蕩，觸發(fā)扭振保護動作，導(dǎo)致遠在200km之外花園電廠3臺660MW火電機組跳機。RectifierPlanttrippedHVDCT-GsLink一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(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新疆哈密風(fēng)電與火電參與的次同步振蕩2015年7月1日，哈密的風(fēng)電場群（以全功率變流型風(fēng)機為主)與當?shù)厝踅涣麟娋W(wǎng)產(chǎn)生相互作用，全功率變流的控制特性影響了相互作用的機制。通過PMU錄波數(shù)據(jù)進行事故后分析，看到次同步頻率的振蕩功率的路徑存在于風(fēng)電場群與火電廠之間，功率振蕩的頻率與臨近火電機組大軸的自然振蕩頻率(30.7H)匹配，引起軸系的扭轉(zhuǎn)振蕩，觸發(fā)扭振保護動作，導(dǎo)致遠在200km之外花園電廠3臺660MW火電機組跳機。一、大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系問題的案例電網(wǎng)故聘動險50.24945首次可開至50H2>風(fēng)電并網(wǎng)特性不足導(dǎo)致的電網(wǎng)大停電事故50F49.8350MW√英國海上風(fēng)電場脫網(wǎng)事故系統(tǒng)功率缺額1878MW系統(tǒng)慣量保守150GVA·SRoCoFDG掉線●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重電力事故。df/dt=0.0125Hz/s49.4200MWRoCofDG掉線49.24920s線路合間自動低頻調(diào)值78秒后到達第次低點48.8Hz一次頻響用厚48.8Hz8816:5216:5416:5616:5817:0017:0217:0417:06·由于遭受雷擊以及雷擊引起主網(wǎng)線路停運，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)電機群由于機組過流保護動作而脫網(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)機或動態(tài)無功補償設(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，SJTU報告提綱大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析目錄CONTENT分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析I調(diào)相機工作原理.接入新能源場站滯相運行口U,=E,o,X,調(diào)相機等值電路圖調(diào)相機升壓變壓器空載運行口進相運行口主勵磁變壓器U,=E/oE/=U,+jXaAVF）調(diào)相機至SFC系統(tǒng)分布式調(diào)相機接線簡圖U,=E,+I,X,2二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析調(diào)相機繞組等值電路mX,X調(diào)相機軸等值電路調(diào)相機q軸等值電路調(diào)相機等值繞組X,+X.X,=X,+XrX,=X,+XX,=X,+Xe+X,To=n經(jīng)典參數(shù)和等值阻抗的轉(zhuǎn)換ororpX.X,二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析調(diào)相機暫態(tài)過程磁路分析暫態(tài)過程磁路圖次暫態(tài)過程磁路圖穩(wěn)態(tài)運行磁路圖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)磁通轉(zhuǎn)子主磁通Φ。感應(yīng)產(chǎn)生空載電勢，定子電樞反應(yīng)磁通Φ。感應(yīng)產(chǎn)生經(jīng)過的磁路電抗X上的壓降，定子漏磁通Φ感應(yīng)產(chǎn)生追使電樞反應(yīng)磁通Φ改變路追使電樞反應(yīng)磁通“改變路徑，對應(yīng)磁路電抗X"X,"=Xa,"+X,徑，對應(yīng)磁路電抗X.經(jīng)過磁路電抗Xs上的壓降X+"X=,"XX,=X+X,二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析I調(diào)相機動態(tài)無功特性（1）小擾動無功電流分析（2）強勵期間無功電流分析+國AE,(s)Kup：強勵倍數(shù)F(s)=-UE,marAU,(s)+F(s)FAE,=E(rE,=K,U,Em4+0AU(K,IUex,laas+b+K,x,-1N,=A+Bs+CKμAs+Bs+CKX,+XX,+X3(),9+8)E,=At*+Bs+C+F(s)x,UAUx($)9+8,=X,+xAs°+Bs+C+F(s)x,x,+結(jié)論：減小x，和x可以增大無功電流，改善調(diào)相機的動態(tài)無功特性二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析調(diào)相機接入對短路比的影響短路比：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并網(wǎng)強度的重要指標，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)險較高。接入調(diào)相機前的短路電流：XKscRPN接入調(diào)相機后的短路電流：X,X,+X,X,E,X>1調(diào)相機接入系統(tǒng)示意圖Ksck2/KscR=Ia2/la=1+U,X,+U,XasuTulnl二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析調(diào)相機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其中，Y為折算判調(diào)相機側(cè)前的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移阻抗等效電抗，S為系統(tǒng)額定容量，O為調(diào)相機額定容量。1接入調(diào)相機前的短路比：=1KscR1=X,lX×(X,+X,)_0.25×0.32X,+(X+X,)接入調(diào)相機后的總阻抗（調(diào)相機側(cè)看）：接入調(diào)相機后的總阻抗（系統(tǒng)側(cè)看）：=0.140.25+0.32接入調(diào)相機后的短路比：1=1.78KscR2Z.r結(jié)論：調(diào)相機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)運行條件二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析電機參數(shù)對短路比的影響1短路比增大倍數(shù)：投入調(diào)相機后的短路比增量與投入前的短路比的比值。CEU.OE,X,+X,E,KoR2KscRlE,X-1U.(X+Xa)ax,ax.KscRIU,(X+X)2F2IE,XU,GAKM<0ax,(X+X)ax,結(jié)論：參數(shù)E、X和X在影響短路比增大倍數(shù)上起主導(dǎo)作用增大E，，減小X，、X，都可以提高短路比增大倍數(shù)mzsuTun二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析分布式調(diào)相機涉網(wǎng)特性參數(shù)指標根據(jù)《DL/T2658-2023快速動態(tài)響應(yīng)同步調(diào)相機技術(shù)規(guī)范》，分布式調(diào)相機應(yīng)該具有很強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)相機應(yīng)具有1.3倍額定電壓下進相持續(xù)時間不小于1s的能力：（8）機端電壓為額定值的80%時，應(yīng)能保證3.5倍額定勵磁電壓：（9）2.5倍強勵電流持續(xù)時間不小于15s：msJTu（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。二、分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析小結(jié)分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性參數(shù)主要為調(diào)相機次暫態(tài)電抗X，和初始內(nèi)電勢E。另外還與變壓器等值阻抗X有密切關(guān)系，X，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)基本等于當前設(shè)計制造所能達到的最小值，報告提綱大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)機關(guān)系的特點目分布式調(diào)相機的涉網(wǎng)特性分析錄COＮＴＥNＴ分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用大規(guī)模新能源匯集的支撐需求根據(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目清單。多個開發(fā)主體的大型新能源基地進入大規(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)。烏蘭布和基地：十四五2100萬，十五五3900萬車布齊基地：十四五3900萬，十五五4200萬巴丹吉林基地：十四五2300萬，十五五4300萬騰格里基地：十四五4500萬，十五五3200萬采煤沉陷區(qū)（陜、晉、蒙、寧）：十四五3700萬其他基地：十四五3490萬，十五五9900萬mzsuTun三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用大規(guī)模新能源匯集的支撐需求調(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)險等問題。新能源場站和匯集站動態(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。烏蘭布和基地：十四五2100萬，十五五3900萬車布齊基地：十四五3900萬，十五五4200萬巴丹吉林基地：十四五2300萬，十五五4300萬騰格里基地：十四五4500萬，十五五3200萬采煤沉陷區(qū)（陜、晉、蒙、寧）：十四五3700萬其他基地：十四五3490萬，十五五9900萬mzsuTun三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用分布式調(diào)相機對大規(guī)模新能源匯集的支撐作用分布式調(diào)相機對大規(guī)模新能源匯集的支撐作用，主要體現(xiàn)在動態(tài)無功/暫態(tài)電壓支撐、短路比支撐分布式調(diào)和機對人規(guī)模新能源匯集的支撐作用和慣量支撐三個方面。動態(tài)光功支撐短路比支撐慣量支撐分布式調(diào)相機可以增強系統(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)強度；高慣量的調(diào)相機可以對系統(tǒng)提供慣量支撐，降低故障時系統(tǒng)的頻率變化率。解決智態(tài)電壓問題解決次同步派蕩問題解決頻半易優(yōu)問題提高新能源機組高/低電樂穿感佳力：實現(xiàn)氛線有效棉制新能源并網(wǎng)系統(tǒng)次同步樂誘問惡減小故障期潤系統(tǒng)頻率化率和變化幅位無功優(yōu)化配置調(diào)相機X”，變壓器Xk調(diào)相機轉(zhuǎn)動鎖量主要涉網(wǎng)特性參數(shù)mzsJTunl三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用多種動態(tài)無功補償裝置特性比較及其協(xié)調(diào)運行策略分布式調(diào)相機定子具有3.5倍×15s的過載能力，瞬時無功支撐能力強（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。SVG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，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。多種動態(tài)無功補償協(xié)調(diào)互補，有利于提高綜合技術(shù)經(jīng)濟性多無功源協(xié)調(diào)控制運行可以更好地抑制暫態(tài)過電壓峰值，并縮短電壓恢復(fù)過程分布式調(diào)相機多種動態(tài)無功補償制智態(tài)壓升效果比較YSJTU三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用多種動態(tài)無功補償裝置特性比較及其協(xié)調(diào)運行策略最近有新聞報導(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，被認為具有與同步發(fā)電機/調(diào)相機類似的特性構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG具備3.0倍*10s的過載能力，接近新型調(diào)相機的技術(shù)要求。PWM三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用多種動態(tài)無功補償裝置特性比較及其協(xié)調(diào)運行策略構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG能完全替代新型調(diào)相機嗎？●分布式調(diào)相機是真實的電壓源，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)制實現(xiàn)的。我們認為，分布式調(diào)相機的次暫態(tài)響應(yīng)能力和抗沖擊能力是構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG難以實現(xiàn)的！，分布式調(diào)相機也需要通過技術(shù)革新提高競爭力。X'PCC2ab功率控制Z,構(gòu)網(wǎng)型儲能/SVG等值圖調(diào)相機等值圖X,"=X"+X,nSUTunl三、分布式調(diào)相機對新能源匯集的支撐作用雙軸勵磁調(diào)相機雙軸勵磁調(diào)相機的定子繞組與傳統(tǒng)同步調(diào)相機相同，都是由對稱三相繞組構(gòu)成。雙軸勵磁調(diào)相