【专稿推荐】鲁宗相, 叶一达, 郭莉, 等. 电力电子化电力系统的调频挑战与多层级协调控制框架

鲁宗相, 叶一达, 郭莉, 等. 电力电子化电力系统的调频挑战与多层级协调控制框架[J]. 中国电力, 2019, 52(4): 8-17, 110.

LU Zongxiang, YE Yida, GUO Li, et al. Frequency regulation challenge of power electronics dominated power systems and its new multi-level coordinated control framework[J]. Electric Power, 2019, 52(4): 8-17, 110.

1研究背景

      

      伴随能源变革、技术进步和经济活动水平的提高，换流器在电力系统源、网、荷各个环节的应用不断扩大，推进了电力系统的电力电子化进程。

      海量小容量可再生能源机组替代大型同步发电机组，给系统频率调节带来了巨大挑战。一方面，风光资源的波动特性增加了调频需求；另一方面，系统旋转惯量以及一致调频能力呈现减弱的趋势，使得系统在受到扰动后频率变化率及频率偏差将会增大，还有可能触发低频减载或高频切机，甚至会引起更为严重的连锁故障以及停电事故。另外，直流输电替代了受端同步发电机组容量，降低了所连接交流系统的等效转动惯量以及频率调节能力。同时，以直流联网的异步多交流系统间不再具备对有功不平衡的相互支援能力。

2论文所解决的问题及意义

      未来的电力系统将在越来越少同步发电机容量背景下实现有功平衡及频率调整，新的技术框架必须从电力电子接口自身出发，寻求解决思路。

      本文聚焦电力电子接口装备对系统有功平衡及频率调整的影响。首先讨论了电力电子接口对同步电网调频理论各环节的影响，阐明了构建电力电子化电力系统有功频率体系的必要性，然后提出了利用电压源型换流器可自定义的接口控制特性，建立了电力电子接口电源输出与系统频率的关联典型模式，最后从单机-多机-系统逐级展望了未来电力系统多时空尺度有功功率平衡及频率调节体系。

3论文重点内容

      3.1 电力电子接口对传统调频理论影响

      在单机层面，风电、光伏等电力电子接口电源，不对频率偏差提供任何响应；一次能源输入功率不可控，工作在MPPT模式下的风力机等虽然可利用发电机转子或风轮机质块的旋转动能，但总量有限。所有输出功率调节均通过接口控制器实现，难以适用同步机的多次调频划分的现有体系。      在多机层面，电力电子接口电源可以通过设计其控制器使其呈现虚拟惯性、虚拟阻尼，但参数选择带有很大随意性。虚拟参数的分散性使得均匀阻尼假设难以满足，系统的频率动态将呈现多时间尺度复杂的动态过程。      在多区域互联系统层面，传统交流互联同步系统中，任意区域内部的有功不平衡将引起整个互联系统频率偏差，一次调频静差最终由各区域所有参与一次频率调节机组的调差系数和系统负荷效应系数决定。经直流异步互联的多区域电网中，直流的频率隔离作用使得功率偏差只能由区域内部同步机组平衡。直流线路传输功率与频率无关，导致各机组无法感知区域外电网频率扰动事件，难以实现跨区域功率支援。      3.2 电力电子接口的“自定义”控制特性      电力电子接口的自定义控制特性有两层含义：     （1）等效电源特性。“等效”指电力电子接口电源频率可以跟随系统频率自主决定，包括功率源、交流电压源等。该特性主要由外环控制器策略决定。目前新能源机组、储能装置、VSC换流站广泛运行于功率模式。储能装置、降载模式的风光电源、连接弱交流系统的VSC换流站可运行于交流电压模式。     （2）频率响应特性。指其输出有功功率波动ΔP对并网点频率变化Δf的关系，包括虚拟惯性、一次调频和功率增量等。      电力电子接口装置的频率调节的能量来源有两类：装置内部的储能元件可提供临时能量，但总量有限；原动机侧输入，持续可控原动机可提供长期能量。以风电机组为例，其临时能量可释放水平与运行状态有关；其长期能量释放可以通过超速控制或桨距角控制实现。      3.3 未来电力系统的有功调频体系框架展望      通过设计单一电力电子接口设备调频策略及参数，在频率支撑阶段降低最大频率偏差，在运行状态恢复阶段避免较大的功率缺额，实现良好的频率动态响应性能。      当大量运行模式、控制策略及运行状态不尽相同的电力电子接口装置共同参与系统频率调节时，系统频率呈现不同的动态响应行为。为了降低频率二次跌落的严重性，通常可以平滑控制电力电子接口装置在恢复自身运行状态期间的降功率过程，或在此期间协调其他电力电子接口装置提供能量备用。      通过设计VSC换流站控制策略，实现跨区域传递频率调节信号，使得机组仅根据本地信息即可对直流互联的多同步电网频率事件进行响应。

4研究结论

      本文在探讨电力电子接口的自定义控制特性基础上，重新建立系统发电与净负荷波动的自适应关系，并展望电力电子化有功调频新框架。在接口层面，重建输出功率与系统频率的耦合关系，虚拟同步机的惯性响应与一次调频特性；在单机层面，协调电力电子电源内部储能元件释能和输入能量来提供调频能量，优化虚拟参数实现机网协调，降低频率二次跌落风险；在多机层面，统筹改善频率动态特性的装置和长期频率恢复装置的配合；在系统层面，借助柔性直流输电换流站的下垂策略，重建直流互联的多同步系统间跨区频率支援。

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作者介绍

第一作者：鲁宗相（1974—），男，副教授，研究方向为风电/太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性和灵活性、分布式电源及微电网。

第二作者：叶一达（1992—），男，博士研究生，研究方向为电力电子接口装置并网分析与控制。

团队介绍：新能源电力系统动态分析与运行科研团队依托于清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，聚焦大规模风电、光伏并网的运行与规划，从2002年开始，广泛开展风电功率预测、光伏功率预测、风电场/光伏电站厂站端分析模型与有功/无功优化控制、可再生能源并网战略规划等研究课题，出版著作7部，发表论文150余篇，其中SCI收录19篇，EI收录100余篇。获省部级奖励10项，其中一等奖2项，二等奖3项，三等奖5项。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：许晓艳

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