構(gòu)網(wǎng)型新能源電網(wǎng)支撐性能測(cè)試評(píng)估

郭佳俊，陳俊儒，劉雨姍，陳 軍，常喜強(qiáng)，南東亮

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830001；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)的提出造成了電力系統(tǒng)正逐漸呈現(xiàn)出高比例新能源和高比例電力電子的“雙高”形態(tài)[1-5]。然而，電力電子裝置大規(guī)模接入電力系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)慣量、阻尼降低以及頻率和電壓支撐能力下降，使得新型電力系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)[6-8]。

目前，大多數(shù)新能源發(fā)電系統(tǒng)采用跟網(wǎng)型（Grid-following，GFL）控制并網(wǎng)[9]，這類控制適用于連接到強(qiáng)電網(wǎng)[10]。然而當(dāng)電網(wǎng)阻抗較高時(shí)，難以保證并網(wǎng)變換器的穩(wěn)定性[11]。為了提高并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要并網(wǎng)系統(tǒng)自主形成電壓和頻率，這類控制被稱為構(gòu)網(wǎng)型（Grid-forming，GFM）控制并網(wǎng)[12]?；诖祟惪刂?，文獻(xiàn)[13]提出了基于下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型控制策略，但該策略無法實(shí)現(xiàn)功率的精確分配。為提升控制精度，文獻(xiàn)[14-15]提出了改進(jìn)型下垂控制等技術(shù)，但此類控制策略仍無法提供較好的慣量支持。為解決該問題，鐘慶昌、日本Ise 和挪威D’Arco 教授分別提出了基于同步變流器和虛擬同步機(jī)的構(gòu)網(wǎng)型控制策略，通過模擬同步機(jī)搖擺方程，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)同步，此類構(gòu)網(wǎng)型控制基于系統(tǒng)中交流和直流控制在時(shí)間尺度上相互獨(dú)立[16-17]。對(duì)此，文獻(xiàn)[18]進(jìn)一步提出了交直流匹配控制策略，有效地規(guī)避了交流端和直流端之間的交互作用。如今構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)已經(jīng)得以快速發(fā)展，然而當(dāng)前尚缺少針對(duì)構(gòu)網(wǎng)型新能源機(jī)組的性能評(píng)估方法研究，未形成統(tǒng)一的測(cè)試指標(biāo)以對(duì)其特性進(jìn)行量化。文獻(xiàn)[19]提出了光伏場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估方法，但該方法未進(jìn)行分布式光伏集群承載能力方面的評(píng)估。文獻(xiàn)[20-21]構(gòu)建了一種風(fēng)電場(chǎng)頻率適應(yīng)性綜合指標(biāo)評(píng)估體系，但缺少并網(wǎng)性能方面的評(píng)估方法。文獻(xiàn)[22-23]建立了跟網(wǎng)型新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)體系，但忽略了對(duì)于虛擬慣量特性方面的測(cè)試與評(píng)估。文獻(xiàn)[24-25]考慮了風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制性能，通過建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)相關(guān)特性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，但未充分考慮電壓響應(yīng)方面的評(píng)估。

針對(duì)文獻(xiàn)[19-25]研究的不足，本文以GFM 新能源電壓支撐能力和頻率支撐能力為測(cè)試目標(biāo)，提出了一套考慮阻尼、慣量以及無功電壓響應(yīng)等特性的測(cè)試指標(biāo)評(píng)估方法。首先搭建了GFL 與GFM 變流器的機(jī)理模型，給出了頻率和電壓支撐方面測(cè)試指標(biāo)的定義和相關(guān)性能要求。其次針對(duì)所提出的測(cè)試指標(biāo)的性能要求，進(jìn)一步提出對(duì)應(yīng)的指標(biāo)測(cè)試方法。最后基于所提出的測(cè)試方法，通過單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)GFL 與GFM 控制下的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)支撐性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，為定義GFM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、量化電網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)和制定電網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)期技術(shù)性能要求提供支持。

1 GFL與GFM變流器性能測(cè)試指標(biāo)

GFL 變流器的外特性呈現(xiàn)受控電流源，須借助鎖相環(huán)控制檢測(cè)電網(wǎng)頻率和電壓狀態(tài)完成同步，因而僅能以被動(dòng)的方式支撐電網(wǎng)電壓[26]。GFM 變流器的外特性呈現(xiàn)受控電壓源，可根據(jù)有功功率控制虛擬角，并在公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）主動(dòng)形成電壓輸出，以更快的響應(yīng)方式支撐電網(wǎng)電壓[27]。相較于GFL 變流器，GFM 變流器在實(shí)際電網(wǎng)擾動(dòng)期間能夠更好地支持電網(wǎng)電壓和頻率，為此提出頻率支撐能力方面各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)如表1 所示。

表1 頻率支撐類測(cè)試指標(biāo)Table 1 Testing indicators for frequency support

表征電壓支撐能力方面的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)如表2所示。

表2 電壓支撐類測(cè)試指標(biāo)Table 2 Testing indicators for voltage support

2 變流器性能指標(biāo)的測(cè)試方法

GFM 變流器的性能指標(biāo)測(cè)試，可采用灰盒模型測(cè)試系統(tǒng)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)表達(dá)式以獲取測(cè)試結(jié)果，如圖1 所示。其中，ωGFM為GFM 輸出角頻率，ωg為電網(wǎng)頻率，Vg為電網(wǎng)電壓，ωref為參考頻率，TJ為慣量時(shí)間常數(shù)，SN為機(jī)組額定容量，UN為機(jī)組額定電壓，fN為額定角頻率?；诘? 節(jié)所提出的性能指標(biāo)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[28-31]，本節(jié)提出相應(yīng)的GFM變流器測(cè)試方法以獲取準(zhǔn)確、可靠的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 灰盒模型測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Testing system for grey box model

2.1 頻率支撐性能測(cè)試

2.1.1 阻尼特性

測(cè)試阻尼有功功率P應(yīng)按照?qǐng)D2 的設(shè)定曲線控制GFM 變流器輸出頻率值。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器抑制輸出功率振蕩的能力。其表達(dá)式為：

圖2 阻尼響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.2 Test curve for damping response

其中，PD計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13]。

2.1.2 頻率和慣量特性

1）測(cè)試頻率響應(yīng)有功功率PF和慣量有功功率PH應(yīng)按照?qǐng)D3（a）的曲線控制GFM 變流器輸出頻率值。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器短時(shí)支撐能力。其表達(dá)式分別為：

圖3 響應(yīng)特性測(cè)試曲線Fig.3 Test curves for response characteristics

其中，PH計(jì)算方法見文獻(xiàn)[12]。

2）測(cè)試相角躍變有功功率Pjump和相角躍變能量值Wjump應(yīng)按照?qǐng)D3（b）的曲線控制GFM 變流器電壓相角值，該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器的短時(shí)支撐能力和耐流能力。其表達(dá)式為：

3）測(cè)試慣量等效常數(shù)H時(shí)，應(yīng)考慮GFM 變流器在實(shí)際運(yùn)行中的有功運(yùn)行情況。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器抑制交流電網(wǎng)頻率變化的能力。慣性常數(shù)應(yīng)滿足式（4）的要求進(jìn)行測(cè)試：

4）測(cè)試有功控制功率P應(yīng)按照?qǐng)D4 的設(shè)定曲線控制GFM 變流器有功參考功率值。其中，縱坐標(biāo)有功功率占比為額定有功功率的占比值。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器的固有響應(yīng)能力，其表達(dá)式為：

圖4 有功控制功率測(cè)試曲線Fig.4 Test curve for active control power

2.2 電壓支撐性能測(cè)試

2.2.1 暫態(tài)電壓調(diào)節(jié)特性

1）在測(cè)試快速故障電流注入IT時(shí)，可以通過電網(wǎng)模擬裝置使變流器發(fā)生三相對(duì)稱電壓跌落，電壓躍變的幅值變化范圍如表3 所示。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器的無功支撐能力，其表達(dá)式為：

表3 電壓跌落測(cè)試電壓規(guī)格Table 3 Test voltage specification of voltage drop

2）測(cè)試電壓躍變無功功率Qjump應(yīng)按照?qǐng)D5 的設(shè)定曲線控制GFM 變流器輸出電壓值。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器在電壓變化瞬間的暫態(tài)支撐能力，其表達(dá)式為：

圖5 電壓躍變響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.5 Test curve for voltage jump response

3）測(cè)試無功調(diào)壓系數(shù)Kv時(shí)，應(yīng)考慮GFM 變流器在實(shí)際運(yùn)行中的無功運(yùn)行情況，該指標(biāo)用于表征變流器的暫態(tài)電壓支撐能力。無功調(diào)壓系數(shù)應(yīng)滿足式（8）的要求進(jìn)行測(cè)試[25]：

式中：g為電壓跌落不同程度的情況量級(jí)；ΔUx為PCC 端電壓幅值變化量；x為變化量次數(shù)，x=1，2，3…；d為總的量級(jí)數(shù)。

2.2.2 穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)特性

測(cè)試無功控制功率Q應(yīng)按照?qǐng)D6 的設(shè)定曲線控制GFM 變流器無功參考功率值。其中，縱坐標(biāo)無功功率占比為額定無功功率的占比值。該評(píng)價(jià)指標(biāo)用于表征變流器的固有無功響應(yīng)能力，其表達(dá)式為：

圖6 無功控制功率測(cè)試曲線Fig.6 Test curve for reactive control power

3 案例分析

基于Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)，分別搭建了GFM 和GFL 變流器電磁暫態(tài)仿真測(cè)試模型；根據(jù)本文所提出的測(cè)試指標(biāo)與相應(yīng)測(cè)試方法對(duì)GFM 與GFL 變流器進(jìn)行了對(duì)比仿真測(cè)試。

3.1 頻率支撐性能測(cè)試結(jié)果與分析

1）阻尼響應(yīng)和慣量響應(yīng)能力測(cè)試。根據(jù)2.1.1節(jié)所述測(cè)試方法，在有功響應(yīng)能力方面主要測(cè)試阻尼有功功率、慣量有功功率和慣性等效常數(shù)。測(cè)試過程中，GFM 新能源有功功率響應(yīng)曲線如圖7 所示。

圖7 有功功率響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.7 Test curves for active power response

由圖7（a）和（b）可知，在2～4 s 和6～8 s 期間，電網(wǎng)頻率上升或下降時(shí)，GFM 變流器在阻尼和慣量效應(yīng)作用下能夠提供正、負(fù)阻尼功率以及正、負(fù)慣量有功功率，而GFL 變流器始終無法提供慣量、阻尼及慣量功率。

2）頻率響應(yīng)能力測(cè)試。在頻率響應(yīng)能力方面主要測(cè)試頻率響應(yīng)有功功率。測(cè)試過程中，GFM 頻率有功功率響應(yīng)曲線如圖8 所示。

圖8 頻率有功功率響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.8 Test curves for frequency active power

由圖8 可知，由于GFM 與GFL 變流器有同樣的下垂功率值，無論電網(wǎng)頻率在3 s，5 s 上升或下降時(shí)，GFM 變流器由于虛擬慣量的作用，頻率有功功率緩慢增加，超調(diào)過后始終穩(wěn)定在約0.313 MW；而GFL 變流器由于缺乏慣量作用，在3.1 s 和6.1 s 時(shí)頻率有功功率未經(jīng)過超調(diào)后穩(wěn)定在約±0.313 MW。

3）相位跳變和有功控制響應(yīng)能力測(cè)試。測(cè)試過程中，GFM 新能源有功功率響應(yīng)曲線如圖9、圖10 所示。其中，Pref為有功功率參考值。

圖9 相位跳變有功功率測(cè)試曲線Fig.9 Test curves for active power with phase jump

圖10 GFL和GFM有功控制功率測(cè)試曲線Fig.10 Test curves for active control power of GFL and GFM

由圖9 可知，在2～3 s，5～6 s 時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)相位從0°跳變至10°和60°時(shí)，GFM 提供的相位跳變有功功率偏差均值大于GFL，且跳變響應(yīng)時(shí)間長于GFL。根據(jù)圖10（a）和（b）可知，在3～7 s 時(shí)間段內(nèi)，因GFM 變流器阻尼和慣量的作用，使得其輸出的有功控制功率緩慢降低或增加，且出現(xiàn)的暫態(tài)有功功率值明顯大于GFL 變流器。兩種變流器在頻率支撐方面的測(cè)試結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，GFM 變流器相較于GFL 變流器表現(xiàn)出更為優(yōu)越的頻率支撐能力。

表4 頻率支撐指標(biāo)數(shù)值Table 4 Values of indicators for frequency support

3.2 電壓支撐性能測(cè)試結(jié)果與分析

1）電壓暫態(tài)調(diào)節(jié)能力測(cè)試。根據(jù)2.2.1 節(jié)所述測(cè)試方法，在電壓暫態(tài)調(diào)節(jié)能力方面主要測(cè)試快速無功電流速率、無功調(diào)壓系數(shù)、電壓躍變無功功率。測(cè)試過程中，GFM 和GFL 快速故障無功電流響應(yīng)曲線如圖11、圖12 所示。

圖11 快速故障無功電流注入測(cè)試曲線Fig.11 Test curves for fast fault current injection

圖12 電壓躍變無功功率測(cè)試曲線Fig.12 Test curves for voltage jump reactive power

由圖11 和12 可知，在2～11 s 時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不同程度的跌落時(shí)，GFM 變流器相較于GFL變流器產(chǎn)生的無功電流和電壓偏差始終較大。

2）電壓穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力測(cè)試。在無功控制功率響應(yīng)能力方面主要測(cè)試無功控制功率；測(cè)試過程中，GFM 新能源無功控制功率響應(yīng)曲線如圖13 所示。

圖13 GFL和GFM無功功率測(cè)試曲線Fig.13 Test curves for reactive power of GFM and GFL

由圖13 可知，在3～7 s 時(shí)間段內(nèi)GFL 與GFM并網(wǎng)變換器各投入相同比例的參考無功功率，所提供的無功功率有所不同。相較于GFL 并網(wǎng)變換器，GFM 并網(wǎng)變流器在50 ms 時(shí)輸出的暫態(tài)無功控制功率較大，并且因GFM 并網(wǎng)變流器阻尼和慣量的作用，使得其輸出的無控制功率緩慢降低或增加。兩種變流器在電壓支撐方面的指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表5所示。由表5 可知，GFM 變流器相較于GFL 變流器在電壓支撐指標(biāo)中展現(xiàn)了較強(qiáng)的優(yōu)越性。

表5 電壓支撐指標(biāo)數(shù)值Table 5 Values of indicators for voltage support

4 結(jié)語

本文提出了一套完整的構(gòu)網(wǎng)型新能源并網(wǎng)性能指標(biāo)及對(duì)應(yīng)評(píng)估測(cè)試方法?；谒岢龅脑u(píng)估方法，對(duì)GFM 與GFL 變流器進(jìn)行了仿真對(duì)比測(cè)試，指出GFM 變流器在頻率支撐系列指標(biāo)中，其相位躍變有功功率和瞬時(shí)跳變能量指標(biāo)相較于GFL 變流器展示了較強(qiáng)的優(yōu)越性；在電壓支撐系列指標(biāo)中，其無功電流變化速率、電壓躍變無功功率及無功控制功率等評(píng)估指標(biāo)相較于GFL 變流器表現(xiàn)出更為優(yōu)越的暫態(tài)電壓支撐能力。