新能源并网控制技术的发展-从电网友好型到主动支撑型-国家电网

新能源并网控制技术的发展——从电网友好型到主动支撑型

核心内容概述

随着“双碳”目标的提出，我国新能源发电规模迅速扩大，风电和光伏装机容量稳居世界第一。新能源并网控制技术从早期的“电网友好型”逐步向“主动支撑型”发展，以适应新能源高比例接入带来的电网稳定性挑战。当前，新能源并网控制主要分为跟网型和构网型两种，分别适用于不同场景下的并网需求。随着新型电力系统建设的推进，新能源并网控制技术将面临更复杂的技术需求与挑战。

主要观点

1. 技术背景

• 2020年，我国提出2030“碳达峰”、2060“碳中和”目标，推动新能源发展。
• 2021年，明确新能源在新型电力系统中的主体作用，提出“沙戈荒地区基地化规模化开发”、“中东南部分布式就近开发”、“东部沿海海上风电集群开发”等发展模式。
• 近20年新能源发电技术快速进步，装机容量持续增长，成本显著下降。
• 新能源并网控制技术不断突破，保障新能源稳定运行，提升系统可靠性。

2. 跟网型并网控制

• 跟网型控制主要通过跟随电网电压和频率调节并网电流，具有电流源特性。
• 早期用于小规模新能源接入，主要解决电能质量问题。
• 随着新能源集中接入规模扩大，新能源设备对电网的弱抗扰性和故障穿越能力不足，导致脱网问题频发。
• 通过改进控制策略，解决了宽频振荡、暂态过电压等新型稳定问题，提升了新能源的电网适应性。
• 在张北、哈密、中卫等地区开展了一系列并网控制实证，验证了技术的有效性。

3. 构网型并网控制

• 构网型控制通过电压源特性参与构建电网电压和频率，具备主动支撑能力。
• 1991年提出下垂控制方法，用于UPS和微电网，实现多电源协调运行。
• 2007年，虚拟同步发电机（VSG）概念提出，用于提升频率稳定性和惯量响应能力。
• 构网型控制技术已在国内多个新能源基地推广，如湖北广水、内蒙古额济纳旗，用于提升新能源在无同步电源地区的稳定运行能力。
• 国外如英国、德国、美国等也制定了构网型控制技术标准，明确了新能源、储能、柔直等装置的性能要求。

关键信息

技术发展里程碑

• 1991年：威斯康辛大学提出下垂控制方法，用于UPS和微电网。
• 2002年：Lasseter R H提出微电网概念。
• 2007年：Beck HP等提出虚拟同步发电机（VSG）概念。
• 2011年：Erickson MJ等提出构网型控制概念，推动新能源并网控制技术发展。

并网控制技术分类

技术挑战与发展方向

• 宽频带振荡抑制：通过重塑新能源机组阻抗特性，提升在弱电网、直流系统等场景下的稳定运行能力。
• 暂态过电压抑制：引入虚拟同步发电机瞬时磁链响应，提升新能源在故障恢复瞬间的支撑能力。
• 多时间尺度稳定：新能源并网控制需适应从稳态到动态、从基频到宽频的多时间尺度需求。
• 标准化与实证平台建设：需要制定适应新型电力系统发展阶段的并网控制技术标准，并建设相关实证平台以验证技术效果。
• 工程应用推广：依托重大工程，推动构网型并网控制技术在多场景下的示范应用，实现技术迭代与优化。

未来需求与技术展望

未来需求

• 随着新能源占比提高，系统转动惯量下降，频率稳定风险增加。
• 新能源基地逐步向沙戈荒、深远海等复杂区域扩展，需具备主动支撑电网的能力。
• 新能源并网需适应多时间尺度、多空间范围的系统稳定性需求。

技术挑战

• 新能源电力电子装置的耐压、耐流能力不足，限制了其主动支撑能力。
• 系统复杂多变，需在宽时间尺度和宽空间范围内进行稳定分析。
• 如何判断稳定裕度和定位主导因素是当前研究的重点。

技术发展路径

• 技术攻关：围绕构网型新能源新拓扑、新控制及宽频主动支撑能力开展研究。
• 标准与实证：制定适度超前、适合电力系统发展阶段的新能源并网控制技术标准。
• 工程应用：推动先进跟网型/构网型新能源并网技术在不同场景下的应用示范，综合评估技术实效，探索发展路径。

总结与展望

总结

• 跟网型并网控制通过不断完善理论、平台、标准，逐步解决了故障穿越、宽频振荡、暂态过电压等技术难题，为新能源发展提供了重要支撑。
• 构网型并网控制随着UPS、微电网、VSG等技术需求的提出而发展，具备主动支撑电网能力，有望成为未来新能源并网控制的重要方向。
• 新型电力系统建设背景下，新能源并网控制技术将不断适应新的并网场景，实现跟网型与构网型技术的动态发展与优化。

展望

• 技术攻关将聚焦于构网型新能源的拓扑结构、控制策略及宽频带、暂态支撑能力提升。
• 标准与实证平台建设将推动新能源并网控制技术的规范化和验证。
• 工程应用将依托重大工程，实现新能源并网技术在不同场景下的示范与推广，促进技术迭代与系统优化。

参考资料

• 威斯康辛大学 Erickson M J 等学者提出新能源并网控制分类。
• 国际标准如 IEC 62040、IEC TS 62898、VDE-AR-N4131:2019-03。
• 国内示范工程如张北、哈密、中卫、内蒙古额济纳旗、湖北广水等。

附录：新能源并网控制技术应用统计

• 新能源控制在环模型：291个
• 风电机组控制器：179套
• 光伏发电单元控制器：76套
• SVG/SVC控制器：36套
• 常规/柔性直流/串补控保：各2套