中国储能网讯：随着可再生能源、分布式发电、脱碳和需求增加改变着传统能源，发电行业正在经历巨大的变化。由于大型发电厂的退役和可再生能源的间歇性，电网惯量的减少，对电力系统稳定性构成了重大挑战。结果则是由瞬时不平衡引起的频率变化更大并且更频繁地发生。 在此背景下，光伏逆变器和电池储能变流器必须填补同步发电机留下的空白，并能够提供相同的服务，以确保电网稳定安全运行。包含必要的功能的所谓构网逆变器将成为新一代的设备，并成为电网运行中的活跃元素。 歌美飒Proteus 系列最先进的逆变器与歌美飒 Orchestra 控制器（电站控制器）的设计目的是满足最苛刻电网要求。本文档描述了最先进的变流器的主要功能以及 Proteus 设备为测试其功能而进行的测试结果。 在当今世界，能源发挥着越来越重要的作用，能源脱碳正成为各国政府的首要任务，以零碳运营为最终目标，可再生能源对于实现这些目标至关重要。然而，向清洁能源的过渡并不是一个直接的步骤，还存在一些需要克服的障碍。 图 1 可再生能源的预期组合。资料来源：国际能源署 传统的电网发电机基于大型旋转电机；将机械能转化为电能的装置。水力发电、核能发电和燃煤发电具有类似的基本概念；它们利用某种类型的能量来驱动产生电力的旋转机器。在这种环境中，大型发电机组全部连接到电网，公用事业和电网的运营商（TSO -输电系统运营商）充当管理电网各个组成部分的管弦乐队指挥。发电机组则是这个团队的一部分，单其中一个机组缺失则将由其他机组进行补充；如果单个发电机组无法达到要求的设定值（例如由于燃料的容量限制或水流饱和），TSO将调整其他发电机组的设定值，以补偿不足并确保系统运行。 在传统发电机技术中，应用最广泛的设备是同步发电机技术，这是一种轴转速与电网频率存在直接关系的发电机。这使得它能够通过修改其工作点来调整其电压输出并响应电网频率的变化。这些设备能够提供针对系统干扰的阻尼，从而极大地提高了电网的稳定性。
图2歌美飒制造的 4x12.1 MVA 水轮发电机组 ✓电压控制。通过同步发电机（允许动态控制）、电容器组或感性负载等设备控制无功功率来进行调整。 ✓频率控制。产生的功率和消耗的功率之间的平衡确保了稳定的电网频率，任何值的变化都会导致频率变化，必须通过修改有功功率（在同步发电机的情况下通过修改机械速度）来校正频率变化（详情请参阅附录 4）。 ✓ 转子角度控制。它与转子角稳定性有关，即同步发电机在受到干扰后保持同步的能力，即保持机械扭矩和电磁扭矩之间平衡的能力。扰动可能会使转子速度加快或减慢，因此同一电网的发电机组的不同速度会影响其角度位置并可能导致不稳定。 然而，电网稳定性正受到下述脱碳过程的影响：该脱碳过程包括用可再生能源（太阳能、风能和储能）取代传统的大型发电机，这些发电机基于由电子控制设备（功率转换器）组成的低功率的分散式单元。大型发电机组的逐步被替代正成为输电运营商面临的越来越大的挑战，尽管有了这些新参与者的进入，输电运营商仍必须确保电网的可靠性和稳定性，同时保持对最终用户没有影响。因此，输电系统运营商被迫对这些新能源施加新的特性和功能，以确保适当的电网可操作性，并创造了智能电网、构网或黑启动等新术语。 在此背景下，歌美飒电气开发了广泛的光伏和储能应用产品组合，可满足最苛刻的要求。Proteus 系列功率转换器在公用事业规模应用中提供最佳的产品性能，并包含系统运营商强烈要求的所有新的高级功能。 基于电力电子转换器的新能源来取代旋转电机正在导致频率控制调节期间电网行为的变化。电力电子转换器与旋转电机相比具有完全不同的行为；一方面，它们的响应时间尺度非常短，另一方面，由于没有大体积的旋转轴，它们不会对频率变化产生系统阻尼影响。惯量的降低会影响电网控制，在最坏的情况下，可能会导致电网不稳定。为了解决这个问题，电网运营商正在加强电力电子转换器对电网的支持能力，以确保电网稳定性。 从电网的角度来看，功率转换器根据其与电网的交互方式可以工作在两种工作模式下：跟网（传统并网）模式和构网模式，其中变流器能够在需要时构建电网。在这些模式下，设备能够提供电网支持所需的多种功能（也称为辅助服务）。 在电网馈电模式（也称为电网跟随）中，功率转换器充当电流源，电网设定电压，逆变器控制系统与所述电压同步。通过控制输出的有功功率和无功功率来实现频率或电压调节等功能。 在BESS（电池储能系统）中，转换器控制根据有功功率和无功功率（由发电厂控制器发送）以及电池状态（由BMS - 电池管理系统发送）荷电状态(SOC) 和电池健康状态(SOH)的要求计算出电流基准与调整信号； 然而，可再生能源的大规模渗透正在导致电网惯量能力显著下降，使得电网对功率突变更加敏感。在此框架中，构网模式比跟网模式更进一步，并且允许模拟同步发电机的行为。 在构网模式下，转换器是一个电压源（它可以自行构建电网），能够根据外部设定点修改其操作。因此，跟网模式下可用的所有功能也可以在这里使用。所使用的控制策略称为虚拟同步机（VSM），其中逆变器控制能够模拟同步发电机的行为。 功率转换器接收2组设定点；一方面，需要创建电网电压的必要参数（电压幅值—Vac—、频率 —f— 和相位角 —θ—），另一方面，根据电网需求需提供功率参考（有功功率 — P— 和无功功率 —Q—）（与跟网转换器类似）。此外，正如稍后将解释的，该系统具有模拟同步电机行为的可能性，因此能够在电压中断的情况下给电网提供必要的支持。 下表总结了每种操作模式下转换器可用的功能（在以下部分中进行了进一步详细说明）。 PCS 发出无功功率，以便将交流电压控制在所需值。该控制可以在两个不同的点执行： ✓ 在 PCS 端子（低压侧），PCS 具有 Q-V 曲线（由电网规范定义），该曲线在硬件内部编程实现（在参数集中预定义）。 ✓ 在发电厂POI，由发电厂控制器 (Orchestra) 进行必要的无功功率计算，并由 PCS 接受设定值。 与电压调节相同，可以调节功率转换器端子或电网连接点 (POI) 的功率因数或无功功率。这可以通过两种方法来实现： ✓功率因数与有功功率下垂（PF-P 下垂）：该曲线通常由电网规范定义。它接收测得的有功功率作为输入，并生成功率因数设定点作为输出，然后将其转换为无功功率设定点。 ✓功率因数控制：将通信接收到的功率因数设定值直接转换为无功功率设定值。 PCS 可以根据预定义的最大爬坡（由电网规范定义）修改有功功率和无功功率，即有功功率和无功功率变化速度的限制。 图 6 设定点从额定功率 0% 到 100% 的爬坡率示例 这是确保电网稳定性所需的最基本功能。电网规范通过有功功率随频率值变化的曲线来定义系统响应。响应必须足够快，这就是为什么通常在逆变器级别请求这类响应以避免通信延迟。歌美飒 Orchestra 电站控制器的主要优点之一是其响应时间短，使其能够执行 场站级别FFR 功能，而不是在逆变器级别执行。 ✓合成惯量(SI)。这是能够最快提供电网支持的阶段，如前几节所述，由于同步发电机组的被逐步替换，电网的相关性能发生了变化。这些发电机组由于其固有的机械惯量，在频率突然变化时将遏制系统的不平衡。因此，合成惯量算法（也称为虚拟惯量）旨在通过有功功率的变化响应频率变化率 (ROCOF) 来模拟这些同步发电机组的行为。系统运营人员设置最大允许 ROCOF，高于该值时功率转换器需关闭。 ✓一次频率响应 (PFR) 或频率下垂。PCS 响应可以根据转换器的频率测量自动激活，也可以根据电站控制器发送的外部设定值做出反应。该反应由 P-f 下垂曲线定义。此外，电网规范还限制了系统在过频和欠频条件下运行的时间：如果一定时间后系统仍未恢复到标称频率，则系统必须关闭。P-f 下垂曲线可以配置为不同的点和不同的斜率水平（参见下图），从而可以完美适应任何要求。 图 8 P-f 下垂曲线特征（上）。电网规范要求示例（下） 此功能与功率转换器在电压扰动时保持与电网的连接的能力有关。电网规范定义了任何并网设备必须耐受的电压-时间曲线。具体可以区分为两种情况： ✓ HVRT（高电压穿越）是设备在电网瞬态电压骤升期间保持连接的能力，因此在电网规范定义的电压-时间曲线以下不允许断开连接。高于此曲线，设备不需要保持连接状态。 ✓ LVRT（低电压穿越）是设备在电网瞬态电压骤降期间保持连接的能力。与前一种情况一样，断开限制由电压-时间曲线界定。 歌美飒Proteus PV 和 PCS 能够承受降至额定电压 0% 的电压跌落 1 秒。 图 9 Proteus PCS 和 PV 的最大 HVRT 和 LVRT 曲线 干扰电网稳定性的一个其他问题是由于负载和大型发电机组之间存在长输电线路而导致的低频区域的功率振荡。传输的功率越多且连接越弱，振荡越明显。此外，基于逆变器的可再生能源的接入增加了功率的突然变化，并降低了系统惯量和短路水平，这也导致了这些系统振荡现象的增加。最终结果是线路上的功率出现低频振荡，典型频率范围在 0.1 Hz 至 2.5 Hz 之间，这对电网稳定性产生了潜在的负面影响。（小刘：更多实际案例见：Real-World Subsynchronous Oscillation Events in Power Grids with High Penetrations of Inverter-Based Resources https://ieeexplore.ieee.org/document/9740416） 在传统电网中，振荡缓解（阻尼控制）是通过转子角稳定性来管理的，即同步发电机组在受到干扰后保持机械和电磁扭矩的能力。包括发电机励磁系统的电压调节器，调节器可以修改转子电气扭矩并抑制振荡效应。 对于功率转换器，通过根据电网变化调整输出功率的闭环控制策略来减轻振荡。该控制影响有功功率和无功功率，并在电站控制器级别执行。控制性能可以根据每个具体安装的条件进行调整。 图 10 使用不同调节参数的 POD 控制仿真结果 本白皮书将构网模式的不同功能变化视为高级功能，根据具体操作，构网模式可分为 2 类高级功能；离网模式（又称孤岛运行）和并网模式（又称并联运行）。 目前的模式要求PCS能够在停电后启动，这意味着必须具备无电网供电启动能力，即黑启动选项是必要的。 设备根据输入的电压幅值、频率、相位参数生成电压。有功功率和无功功率由负载需求决定，只要不超过最大的变流器容量，即可确保供电，超过在容量限制的情况下，系统将关闭。另一方面，一旦电网电压恢复，由于电站控制器（Orchestra）进行相位设定点调整，系统能够将发电电压与市电同步，以避免重新连接电网期间出现任何短路。 Gamesa Electric Proteus 和 Orchestra 如何处理孤岛电网中的突发事件 （详见附录1） 该测试包括当所有同步发电跳闸时，由 BESS 控制的孤岛电网的构网稳定性 1. 燃气轮机提供负载的总功率需求（30 MW），而 Proteus PCS 工作在并网模式（并联运行），无需注入有功功率。 3. Proteus PCS 装置调节电压和频率，恢复供电。 ✓ 电源变化。燃气轮机功率下降（红线）后，负载功率（绿线）通过 Proteus PCS（蓝线）快速恢复。 ✓ 电压和频率变化。电网由 BESS 作为构网（并联运行）进行恢复和控制。微电网可以在等待燃气轮机或任何其他同步发电机从故障中恢复的同时维持很长一段时间。 黑启动是功率转换器在停电期间（即没有电网电压）开始运行的能力。这一特征与构网的孤岛模式有着密切的联系，因为它的主要目的是通过建立电网来恢复停电期间电力系统的运行。 对于黑启动操作，必须提供安全的电压源来为允许转换器启动的最小辅助系统（电源、冷却系统……）供电。该外部电源可以是来自变电站的电源线（UPS 或外部电源）。 一旦黑启动成功，系统将运行在构网模式，并且连接到同一电网的其他变流器可以开始跟网运行。 并联运行时，设备产生交流电压，但与电网电压同步，是其主要作用目的是充当电压备份并有助于电网稳定，因此在停电的情况下电站仍能保持连接。 歌美飒Proteus PCS 在频率意外情况下如何在并网模式下工作 1. 燃气轮机提供负载的总功率需求（100 MW），而 PCS 工作在并网模式（并联运行），无需注入有功功率。 2. 一台 35 MVA 燃气轮机跳闸（部分发电损失）。 3. PCS 在两个单独的模拟中考虑两种配置来调节频率：构网的并网模式和事件发生时具有快速频率响应(FFR) 功能的跟网模式。 测试 1：采用 FFR 的跟网模式与采用 FFR的构网模式 构网功率响应操作输出更大且更快，因为采用 VSM 的系统具有更大的惯性和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于 P-f 下垂而注入的功率之外，由于 VSM 固有虚拟惯量的贡献，还增加了有功功率的另外一个非常快速的功率增量。 图 13 案例 1：测试 1 中 POI 处的频率瞬变 测试 2. 使用 FFR 的跟网 与 不使用 FFR 的构网模式 尽管在构网中禁用了 FFR 的 P-f 下垂，但 Proteus PCS 作为 VSM 运行时的频率偏移仍然小于 Proteus PCS 在跟网模式下运行时的频率偏移。频率意外事件仍得到更大程度、更快的抑制。 图 14. 案例 2：测试 2 中 POI 处的频率瞬变 为了评估构网控制算法的性能和稳定性，进行了多次仿真。下面显示了 Proteus PCS 和 Orchestra 与负载和燃气轮机（同步发电机）在同一电网中共存的两种不同情况。 该测试包括演示当所有同步发电跳闸时，由 BESS 控制的孤岛电网作为构网的稳定性。仿真电气方案及元件清单如下： 在正常情况下，燃气轮机为负载提供必要的电力，而PCS则作为构网，并在紧急情况下提供必要的支持。 该测试包括比较在频率意外情况下工作在构网（并网模式）下的 PCS 与工作在跟网模式下的 PCS 获得的不同频率响应。电气方案及元件清单如下： 燃气轮机在正常情况下为负载提供必要的电力，而 PCS 将在紧急情况下提供频率支持。顺序如下： 1. 燃气轮机提供负载的总功率需求（100 MW），而 PCS 工作在构网模式（并联运行），不注入有功功率。 2. 一台 35 MVA 燃气轮机跳闸（部分发电损失）。 3. PCS 调节频率时考虑两种配置；事件发生时，并行运行中的构网（VSM）和具有快速频率响应（FFR）功能的跟网。 测试 1. FFR 下垂的跟网与 FFR 下垂的构网 当同步发电机关闭时，BESS 的 FFR 功能与并网模式一起进行测试。在这两种情况（跟网和构网）中，都有执行相同FFR的下垂控制；在构网的情况下，发电机断开会导致频率下降，BESS 必须将频率下降降至最低，BESS 提供有功功率来补偿功率不足。 具有构网的 BESS 的系统功率响应更大更快，因为此类系统具有更大的惯量和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于电压下降而注入的功率之外，由于工作在并网模式下的 PCS 的贡献，还增加了有功功率的另一个非常快速的增加。这种虚拟惯量贡献意味着，与在跟网模式下运行的 BESS 相比，在构网模式下运行的 BESS 的情况下，ROCOF 不会那么突然。 另一方面，燃气机控制命令发电机增加其扭矩。这种控制速度要慢得多，并且无法恢复 100% 的频率，因为入口阀的开度受到物理限制。 图18 案例2：测试1中发电机和BESS的功率瞬态 测试 2. 无FFR下垂的跟网 与 有FFR下垂的构网 将具有构网操作模式的 BESS 的操作与跟网操作模式的 BESS 进行比较，但只有具有跟网的 BESS 具有 FFR P-f 下垂功能，具有构网的 BESS 仅具有其固有的响应行为。 尽管去掉了 FFR P-f下垂，在构网模式下运行的 Proteus PCS 的频率偏移仍然小于在跟网模式下运行的 Proteus PCS。频率意外事件仍然获得更多且更快的阻尼。 图 20. 案例 2：测试 2 中发电机和 BESS 的 POI 处的功率瞬变 本附录显示了黑启动和构网功能如何工作的示例。它被认为是由Proteus光伏逆变器、BESS以及需要有功和无功功率的负载组成的并网系统。BESS 具有黑启动和构网功能，由连接到电池组的单个 Proteus PCS 表示，尽管该示例对于并行运行的多个单元同样有效。 下面介绍停电后的系统恢复顺序。启动条件考虑停电后Proteus光伏逆变器与BESS的初始断开。 1停电，当上位控制器检测到停电时，命令主开关断开；发电厂产生的任何电压都不会影响上游组件（安全问题）。默认情况下，所有功率转换器（PV 和 BESS）停止运行。 2 黑启动。控制器根据电压设定点向Proteus PCS发送命令启用黑启动操作；幅值(Vac) 和频率 (f)。PCS 施加合适的电压爬坡，以避免变压器涌流引起的电流峰值。 3 构网（电网建立）。上位控制器向Proteus光伏逆变器发送启动命令，使其工作在跟网模式，接收根据负载需求计算出的有功和无功功率设定点。Proteus PCS 在孤岛模式下工作，充当电网构建者，此外它还能够以与光伏逆变器类似的方式提供有功和无功功率 一旦电网电压恢复（主开关仍然打开），控制器调整Proteus PCS设定点；幅值（Vac）、频率（f）和相位（θ），以使PCS产生的交流电压与电网同步。 当电网电压与Proteus PCS产生的电压匹配时（不存在短路的可能性），高层控制器闭合主开关。PCS 现在并列运行；它在存在电网电压的情况下产生交流电压。同时，Proteus PV 逆变器和 PCS 继续从控制器接收功率设定值。 同步发电机（也称为交流发电机）利用磁感应原理发电；由于线圈穿过由旋转轴（转子）产生的磁场，因此在线圈（定子）中感应出电动势。在定子处添加不同的线圈可以产生不同相位（单相、两相或三相）的波形。 同步发电机的特点是转子中产生的磁场产生与其速度同步的频率的交流电，其中转子机械速度和频率之间存在根据以下关系的直接关系： 对于并网发电机，转速由电频率调节，例如 2 极交流发电机在 50 Hz 电网（欧洲）上以 3000 rpm 的速度旋转，在 60 Hz 电网（北美）上以 3600 rpm 的速度旋转。 在同步发电机中，产生的功率取决于转子机械速度，并随着负载需求的增加而减小，该关系由发电机下垂特性曲线定义，如下所示。 由于机械速度和频率之间存在直接关系，因此下垂特性曲线也可以扩展到频率。频率（或速度）变化的百分比除以功率输出变化的百分比。 然而，在实际情况下，电网频率不是一个固定值，并且会根据负载波动而略有变化，这些变化通常在很小的范围内变化，通常小于0.5 Hz（对于50 Hz电网，发电机转速变化约为+30 rpm），以避免电网不稳定。在这里，同步发电机组在控制电网稳定性方面发挥着非常重要的作用；它们负责通过修改功率来响应这些变化，以便将频率恢复到标称值。 必须进行频率控制以确保稳定的电网，标称值的较大变化可能会导致负载故障或损失增加，特别是如果负载包括专门设计用于在精确频率下运行的电机（泵、风扇、变压器……）。 只要发电和负载需求（发电-消耗）之间存在平衡，电网频率就受到控制，因为发电机组轴转速是机械扭矩和定子线圈中产生的相反电气扭矩平衡的结果，如果电力负载减少，电气扭矩将低于机械扭矩，转速增加，同理，如果负载需求增加轴速度减少，有3种可能的情况： 平衡; 当产生的功率等于负载消耗的功率（扣除损耗）时，频率保持在标称值。 过发：当发电量大于负荷需求时，电网频率增加（过频）。 基于大型旋转机器的发电必须根据电网频率的变化来调整其输出功率（轴转速）。但轴转速的任何变化都不是瞬时的，巨大的轴具有机械惯量，可以抑制任何速度变化（几吨质量高速旋转的惯量）。 图 23. 同步发电机组中的频率控制（上）。西门子燃气轮机SST-900转轴；转速为 3000 rpm 时功率高达 250 MW（下） 由于电网频率与有功功率相关，发电机需要一个闭环控制系统来调节输出功率；一方面，系统直接作用于燃气轮机进气阀并调节燃料流量（燃料流量可能根据燃气轮机类型而不同；水力发电厂调节水流量，燃气发电厂调节气体输入等等），其次，TSO 监控电网状态并计算每种情况下的设定点，这种闭环控制可以根据不断变化的电网条件来管理发电（以及频率）。 另一个需要考虑的因素是响应速度，因为不同的发电机将以不同的速度响应；例如，燃煤电厂的反应速度比水电厂慢，任何稳定的电网都会结合多种电源，以满足任何可能情况的需求。 由于电网动态，负荷需求不断变化，电网运营商必须进行频率调整以确保电网稳定性。此外，正如上一节所述，由于系统中存在大量发电机组，其机械惯量提供了频率变化率的遏制（惯量响应），因此频率的任何变化都不是瞬时的。测量这种惯量（发电和负载之间不平衡后的频率变化）的量称为 ROCOF（频率变化率），计算为以下导数： ROCOF 值过大可能会因机械原因导致电网不稳定。由于运行发电机的机械限制，较大的 ROCOF 值可能会导致电网不稳定；如果他们无法控制频率变化速度，则可能会触发某些保护。 在第二阶段，根据时间尺度（即系统提供响应所需的时间）对频率调整进行分类；一次调频、二次调频和三次调频。（在下面的分类中所考虑的时间响应可能会根据作者的不同而改变）（扩展阅读：电力系统频率调整的基础知识整理） 它是速度最快的一种，运行时间范围为 2 至 30 秒，以补偿发电-消耗不平衡（P发电= P消耗），本地控制自主地直接作用于燃气轮机入口（见图 27），响应时间由发电机转子轴机械惯量及其初始速度决定。 图25 无一次调频控制和含一次调频控制的系统频率变化 举例来说，假设一台发电机在 A 点运行，其统计特性曲线如下图所示（功率和频率由 PA 和 fA 定义）；当负荷需求上升（即欠发电状态）后，由于发电与用电不平衡（从 fA 到 fB），频率降低，因此为了恢复平衡，控制根据其统计特征增加发电机功率（从 PA 到 PB）。 一次调频控制可应用于单个机组或一小组发电机组（下图中的发电机 1 和 2）。这里，每个机组将根据其统计特征（ΔP1和ΔP2）修改转速，提供新的输出功率，同样每个单元的功率瞬态（过冲）也取决于其轴惯量。 图27 具有不同统计数据的2台发电机组的一次调频响应 它的运行时间为 30 秒到 10 分钟。负载需求发生变化后，第一秒自动调整频率（一次调频），然后二次调频投入运行，通过修改系统发电功率将频率恢复到标称值。该控制由 TSO 执行，TSO 还平衡不同发电机组之间的功率，以避免可能的过载。 TSO 通过作用于燃气轮机进气阀（蒸汽、水、燃气……）来修改每台发电机组的功率设定点，直到频率 (fA) 恢复，这相当于移动发电机下垂特性曲线（从下图中的 B 移动到 C）。 图28：负载需求变化标称频率的完全恢复；一次和二次调频的组合 这类控制不能应用于单独机组，否则发电机组间将出现频率调整操作冲突，系统将变得不稳定。这就需要通过TSO 负责集中的频率测量、进行必要的计算并将功率设定点发送到所有运行涉及的发电机组，该控制回路称为 AGC - 自动发电控制。 它从 10 分钟开始运行。目的是包括确保未来频率控制所需的系统能量备用。因为仅当系统中有足够的能量备用时，二次调频才能生效，TSO（通过AGC信号）调整不同发电机组的运行程序，以满足未来的需求并优化发电成本。
