换流器型电网的理念与探索_韩民晓.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0539-14 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 换流器型电网的理念与探索韩民晓1，范溢文1，刘金峻1，姚蜀军1，张莞悦1，孙天奎2（1华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206；2国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏省 南京市 211103）Concept and Practice of Converter-based Grid HAN Minxiao1,FAN Yiwen1,LIU Jinjun1,YAO Shujun1,ZHANG Wanyue1,SUN Tiankui2(1.School of Electrical and Electronics Engineering,North China Electric Power University,Changping District,Beijing 102206,China;2.State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,Jiangsu Province,China)1ABSTRACT:Electric power system with renewable energy in the leading role is evolving with essential change of grid morphology.Electric power is integrated to the grid through converters which increase the proportion of power electronics in power system.Converter-based grid(CBG)will be reached when converter-based power generation replaces synchronous machine to build the grid frequency and voltage.This paper aims to discuss the concept,constitution and operation of CBG.Firstly,the basic characteristics and control strategies are discussed for the elements of CBG such as source,load,energy storage and network configuration.Then,the frequency and voltage formation mechanism of single converter and the coordinated control method of multiple converters are analyzed.Based on the transient behavior of CBG,the fault characteristics and protection strategies are discussed，and the stability problem of CBG are briefly analyzed.Combined with engineering practice,the feasibility of CBG is illustrated by comparing the application in specific grid scenarios.Finally,the key technical issues to be solved in CBG are pointed out,and the future development prospect of power grid is put forward.KEY WORDS:converter-based grid;frequency and voltage control;grid-forming;fault characteristics;stability 摘要：新型电力系统的发展将带来电网形态本质性的变化。电源通过换流器接入电网使电力电子设备的比例不断升高。当换流器型电源取代同步机型电源实现电网频率/电压构建时，则形成了换流器型电网(converter-based grid，CBG)。旨在对该电网形态的理念、构成、运行等基本问题进行探讨，首先论述了构成 CBG 的源、荷、储的基本特征与控制方式，探讨了电网可采用的拓扑方式；分析了换流器的频率/电压形成机制及多换流器协调控制方法；基于 CBG 的暂态行为，基金项目：国家电网有限公司科技项目(5100-202199533A-0-5-ZN)。Project Supported by Science&Technology Project of State Grid Corporation of China(5100-202199533A-0-5-ZN).讨论了换流器故障特征及其保护策略，分析了换流器面临的稳定性问题的基本特征；结合工程实例，通过分析典型电网场景的运行特征，探讨了 CBG 的可行性；最后指出了新型电网形态尚待解决的关键技术问题，并对未来电网发展前景做出展望。关键词：换流器型电网；频率/电压控制；构网；故障特征；稳定性 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1108 0 引言 电力是现代社会最为重要的能源形式，电力系统的发展直接关系到国民经济的提升和国家战略目标的实现。在我国“双碳”目标的推动下，电力系统形态正在发生深刻变革1：可再生能源发电比例不断提升，新能源电力从附属地位演进为电力系统的主体2；可再生能源变换、并网及送出均需要通过换流器实现，加上负荷侧电能替代的发展，电力系统中电力电子设备的比例不断增大。由此，电力系统“双高”化成为新型电力系统的核心特征3。在过去一百多年的发展历程中，电力系统都是以同步发电机(简称同步机)为核心构建的4。有功功率的平衡决定电网的频率，无功功率的平衡决定电网的电压分布。随着发电形式的不断发展，特别是可再生能源发电技术的推广应用，电力系统集成了越来越多通过换流器并网发电的电源，本文称之为换流器型电源。当换流器型电源比例在 30%以下时，这类电源只需实现对电网的跟踪，面临的技术问题主要是换流器型电源的稳定运行与电力送出系统的电能质量控制5；当换流器型电源比例达到70%左右时，这类电源就必须对电网频率电压提供一定的支撑，此时面临的技术问题变为换流器型电540 韩民晓等：换流器型电网的理念与探索 Vol.47 No.2 源与电网的交互作用及电力送出系统的稳定控制6。上述2种场景对应的电力系统还是以同步机为核心进行构建与控制的，主要表现为换流器型电源比例升高，系统短路比变小、惯量降低，系统的稳定运行面临诸多挑战3。这种传统的由同步机主导构建频率和电压的电力系统，本文称之为同步机型电网。当换流器型电源的比例进一步提升，甚至达到100%时，则须通过换流器型电源构建电网。此时，实现基于换流器型电源的电网运行控制是必然 需求7。本文结合新型电力系统形态可能发生的变化及其特征，采用换流器型电网(converter-based grid，CBG)这一概念描述这种以换流器型电源为主导构建与控制的电网8，附录图 A1 为一简单 CBG 的示例。具体而言，换流器型电网是由具有一定容量、带宽的电力电子换流器构建的，频率、电压由换流器型电源决定，可实现任意比例新能源接入及负荷供电的电网。CBG 的元素属性、构建方式、运行控制及故障保护等方面与传统同步机型电网存在一系列本质差别。目前受到广泛关注的电力电子化电力系统，其核心研究内容还是围绕同步机型电网“双高”化的影响进行的。从电网运行本质上讲，电力电子化电力系统仍由同步机提供电网频率、电压支撑，特殊情况由换流器控制环节参与电能质量调节。研究重点在于考虑电力电子设备比例提升时换流器对电网的跟踪与支撑、换流器与同步机交互的稳定性问题和电能质量等问题。而 CBG 所描述的场景几乎完全由换流器作为电网支撑设备，通过换流器的协调控制构建电网频率和电压，并在典型扰动下仍能保证电网的稳定运行。截至目前，国内外还未系统地对 CBG 开展研究。早期相关研究主要针对独立供电系统或孤岛供电系统进行，如舰船电力系统9、岛屿供电系统10等。这类系统也经历了从以柴油机、小功率燃气轮机等同步机型电源到换流器型电源的发展过程11。但这类电网的应用场景具有一定的局限性，网络结构、用电负荷及控制方式有其自身特殊性。随着同步机型电网中可再生能源发电及电力电子设备比例的升高，具有更普遍意义的换流器型电网的理念受到关注。2017 年，美国 NREL 团队在研究 100%可再生能源电网发展需求时，提出由换流器主导电网的概念12。2018 年，日本学者 Yasuhiro Noro 在研究储能系统支撑电网运行时，提出未来电力系统可能以逆变器为核心构成的设想13。我国学者对于CBG 的相关研究主要结合微电网孤岛运行14及直流电网15开展，对这类电网结构、稳态与暂态分析及控制策略等方面进行了重要的探索16-19。作为对新型电力系统发展形态的一种探索，换流器型电网从构建到控制存在一系列值得关注的科学问题与关键技术。本文旨在对 CBG 的理论与实践给出初步的探讨，为该电网形式的发展与应用提供一些参考分析与观点。在给出新型电网基本含义与特征的基础上，从“源荷储网”的角度描述了电网的构成；分析了单台换流器频率与电压的建立方式及多台换流器协调控制过程；初步探讨了故障方式下电网暂态行为及故障保护思路；对稳定性分析方法及控制策略进行了评述；结合现有工程实例的运行特征，分析其与 CBG 的区别与联系，讨论了 CBG 的可行性；对于系统构建到运行的新特征，指出了未来值得关注的关键技术问题；本文文最后对 CBG 的发展前景做出展望。1 换流器型电网的组成单元及其特性 在 CBG 中，源、荷、储等组成单元多通过各种形式的电力电子接口互联构成电网。1.1 换流器的电源特性 CBG 形成与发展的初始驱动力为电源的电力电子化。可再生能源电力经换流器接入电网、电网间通过换流器互联等场景都可视为电源的电力电子化。根据控制模式的不同，CBG 中换流器可分为以功率交换为主的跟网型(grid following，GFL)换流器和实现电网运行支撑的构网型(grid forming，GFM)换流器20。换流器在不同的控制模式下会表现为不同的电源外特性，GFL 换流器和 GFM 换流器可分别等效为受控电流源和受控电压源20，其简化控制结构如附录图 A2 所示。GFL 换流器通过外环功率控制计算得到电流dq 分量，并结合锁相环(phase-locked loop，PLL)输出相角进行内环矢量电流控制，最终得到受控电流源控制信号。目前 GFL 换流器被广泛应用于实际系统中，其控制方法、故障限流、锁相设计、稳定性等方面已有广泛研究21-25。但由于 GFL 换流器须通过锁相与系统同步，依赖于外界稳定的电网电压，只能运行在并网模式下。GFM 换流器能依据电网运行需要自主产生频率/电压并对电网频率/电压(V/F)起支撑作用，在并网或离网模式下均可运行。较早的 GFM 换流器应用于孤岛或不间断电源系统等无源网络中26，通过第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 541 V/F 控制，建立恒定的频率和输出电压，但该控制下的换流器不能与其他换流器进行功率共享27。有源网络中，GFM 换流器常采用功率同步控制、虚拟振荡控制28