构网型新能源并网特性及实测-国家电网公司

构网型新能源并网特性及实测总结

核心内容概述

构网型新能源并网技术是一种通过模拟同步机运行机制，使新能源变流器具备电压源特性，从而提升系统稳定性和频率/电压支撑能力的技术。该技术从三个视角进行分析：原理构网、功能构网和故障构网，分别从控制原理、功能实现和故障应对角度探讨其特性与实现方式。

1. 构网型控制的三个视角

1.1 三种视角的关系

• 构网型：通过控制变流器输出电压的幅值/相位，使其作为自同步电压源并网，模拟同步机运行机制。
• 跟网型：不具备自同步能力，仅响应电网电压和频率变化，无法主动提供有功/无功支撑。
• 三种视角的差异：
  • 构网型在稳态运行时最容易实现，对硬件无额外要求。
  • 功能构网对网侧变流器容量、机侧能量/惯量来源等提出硬件要求。
  • 故障构网要求更高，需采用虚拟阻抗/导纳、电流限幅等方式，确保在短路故障期间维持变流器的电压源外特性。

1.2 典型控制结构

• 下垂/VSG控制：模拟同步机 $P-f$ 下垂特性，通过虚拟惯量实现自同步。
• 匹配控制：建立直流电容电压与同步机转子转速的匹配关系，实现自同步和直流电压控制。
• 虚拟导纳控制：在故障期间采用限流策略，维持电压源特性。

1.3 典型设备的功能构网能力

2. 构网型变流器并网特性分析

2.1 频率支撑

• 传统同步机系统：有功功率扰动后，功率分配分为三个阶段：初始分配、惯量分配、调差分配。

• 构网型变流器：可参与阶段二（惯量分配）和阶段三（调差分配），具备一次调频能力。

• 跟网型变流器：仅在阶段三有响应，且响应速度慢于构网型，不推荐用于主动支撑。

• VSG控制：有功支撑能力最强，具备虚拟惯量和频率响应特性。

• 匹配控制：与下垂控制特性接近，具备一定的频率支撑能力。

• 支撑型跟网：仅在阶段二有响应，但无阶段一和阶段三支撑。

2.2 电压支撑

• 构网型变流器通过无功-电压下垂特性自行构建虚拟电压幅值，具备电压支撑能力。
• 电压调节系数 $K_{\mathrm{pv}}$ 越大，电压支撑效果越好。
• 测试工况：电网电压在 $t = 5$ s下降0.2p.u.，在 $t = 6.8$ s恢复。
• 测试结果：
  • 构网型场站电压支撑效果优于跟网型。
  • 跟网型在电压恢复后由于电流环响应滞后，出现额外无功增发，存在助增暂态过电压的风险。
  • 电气距离越近，电压降越严重，机组提供的无功支撑越多。

2.3 构网型对次/超同步振荡的抑制作用

• 构网型电源在大部分频段内呈现“正电阻+电感”特性，可削弱跟网型变流器的“负电阻+电容”特性。
• 在系统参数条件下，构网型机组占比达到20%后，系统次/超同步振荡阻尼大于零，可有效避免振荡现象发生。

2.4 强电网下双内环控制的振荡问题与解决

• 强电网下，双内环控制的构网型电源易出现失稳问题，其本质是引入了负阻抗，与强系统间阻尼很小甚至出现负阻尼。
• 解决方式：在控制中引入虚拟阻抗，可有效提升系统阻尼。

3. 故障构网的控制与硬件要求

• 故障构网定义：系统发生短路故障等大扰动时，设备仍能以电压源方式运行。
• 控制方面：
  • 采用虚拟阻抗/导纳进行限流。
  • 需要故障期间的能量平衡与直流电压控制。
  • 需解决不对称故障与负序控制、多约束下过流能力边界设计等问题。
• 硬件方面：
  • 需要网侧变流器具备一定的过流能力。
  • 对于提供大于1.0pu无功电流的故障期间构网，需扩容网侧变流器。

4. 构网型与跟网型的关系

• 构网型是补充，不是替代：未来构网型配置可能达到30%左右，与跟网型共存。
• 跟网型并网特性仍需完善：跟网型新能源机组的友好并网仍需不断优化。
• 构网型并网特性仍存在挑战：虽然并网性能提升，但多电压源并联特性、未知问题等仍需进一步研究。

5. 已应用的典型设备

• 构网型储能：具备频率和电压支撑能力，适合多种工况。
• 构网型风储一体机：已在金风某型号中应用，具备频率和电压支撑能力。
• 构网型SVG：已在南瑞某型号中应用，具备电压支撑能力。

6. 系统阻抗与短路电流分析

• 系统短路电流水平：通过分析不同位置的短路故障，得出短路电流一般不超过3.125p.u.
• 构网型机组连接电抗 $X_{eq}$：建议 $X_{eq} \geq 0.1$ p.u.，以确保故障期间的电压源特性。
• 可变虚拟阻抗：已有机组采用受电流调节的可变虚拟阻抗，确保极端情况下器件不过流。

总结对比

7. 未来展望

• 构网型技术将成为新能源并网的重要补充，提升系统稳定性与频率/电压支撑能力。
• 跟网型与构网型共存模式需不断探索，以实现更高效、更稳定的并网运行。
• 构网型在实际应用中仍需解决多电压源并联、故障应对、硬件扩容等技术难题。