电力电子化电力系统的调频挑战与多层级协调控制框架

中国电力ELECTRIC POWER Vol.52, No.4 Apr.2019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2,3,谢珍建2,3，刘国静2,3,乔颖1 (1•清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084; 2.国网江苏电力设计咨询有限公司，江苏南京210008; 3.国网江苏省电力公司经济技术研究院，江苏南京210008)摘要：电力电子接口装备在源、网、荷的深度应用推进了电力系统的电力电子化进程。

净负荷波动增 加、同步惯性减小、有功平衡能力削弱，对系统频率稳定的冲击初现端倪。

电力电子接口电源的输出功率 不响应系统频率变化、输入能量不可控、控制器髙度异构，难以纳入传统交流同步系统的有功频率调整框 架，而未来的电力系统需要在越来越少同步发电机容量背景下维持有功平衡，问题更加凸显。

从电压源型 换流器可定制性出发，提出了电力电子化下对电力系统有功频率多层级协调控制的新框架：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。

关键词：电力电子化；可定制性；调频；虚拟同步；有功平衡〇引言电力电子接口（也称为换流器）泛指基于半 控型或全控型半导体器件、通过控制器控制半导 体的导通与关断，实现整流、逆变、交流变频以 及直流斩波等功能的连接单元。

和传统设备通过 机械开关并网方式相比，电力电子接口具有非常 强的定制控制能力，广泛用于电能质量控制、新 能源开发和设备自动化控制m。

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 了交流同步系统的电力电子化进程。

在源侧，风能、太阳能等可再生能源增长迅 猛且潜力巨大。

截至2017年，全球风能及太阳能 发电装机容量为539 GW及406.9 GW，分别达到 总装机容量7.9%和6.0%M。

按相关研究机构发布 的高比例可再生能源发展愿景，2050年中国风电、收稿日期：2019-03-29。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1766201);国网江 苏电力咨询有限公司科技项目（储能建模及安全稳定研究)。

太阳能发电装机容量占比预计分别达到33.75% 和37.97%W。

由于风光资源低能量密度、随机波 动特征，为了提高能量转化效率和并网性能，绝 大多数风光电源通过换流器接入电网[4_6]。

在网侧，直流输电技术由于其突出的经济优势 和联网性能，成为远距离输电、异步互联的首要选 择。

截至2016年，欧洲和中国已建高压直流输电 工程传输容量分别超过了 15 GW[7]和100 GW[8]。

在用电侧，换流器技术越来越渗透工业、民用 和交通负荷，具备优良调速性能的变频电机正在逐 步取代传统电机[1]，LED照明取代传统照明，而 高速列车、地铁、电动汽车、直流终端等都是新增 换流器并网的负荷。

上述进程将伴随智能制造、智能家居和交通电气化产业升级而不断加深。

简言之，电力电子化进程不是某个设备技术 选型的孤立现象，而是能源转型和产业升级必然 结果。

电力电子接口装置在“源、网、荷”全环 节的规模化效应已逐步显现。

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[9_11]。

一方面，风光资源的波动特性增加了调频需求；8第4期鲁宗相等：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(rate of change of frequency,RoCoF)及频率偏差将会增大，还有可能触发低频减载（underfrequencyloadshedding，UFLS)或高频切机（over-frequencygenerator tripping，OFGT)，甚至会引起更为严重的连锁故障以及停电事故[12_13]。

交直流混联输电系统中大容量直流输电给送受端系统的频率调节带来了挑战。

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。

以2017年华东电网为例，其负荷水平为1.9亿kWt^，当4 000万kW高压直流输电替代本地同步机组时，华东电网等效转动惯量减少25%。

当大容量直流输电线路发生故障闭锁时，将在受端引起巨大有功缺额，送端则出现功率盈余。

2015年锦苏直流发生双极闭锁，瞬时损失功率达到5.4 GW，华东电网频率最低点降至49.56 Hz[12]，系统低频越限时间长达221 s。

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。

云南电网与南方电网主网异步互联后，当万南电网失去3 000 MW机组时，系统最低频率降至48.99 Hz[13]，导致低频减载装置动作^与此同时，负荷侧变频器、LED照明的功率与系统频率无关、压缩机负荷等甚至为反频率特性（系统频率下降时负荷功率反而变大）。

系统负荷频率调节效应系数减小，一次调频静差增大。

当前的电力系统还处于电力电子化进程的开端，对同步系统有功频率调整的影响初步凸显。

未来的电力系统还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。

能源与i 丨癱_统专栏I1电力电子接□对传统调频理论影响传统交流系统中，电源皆为同步发电机组，因此调频理论完全源自同步发电机的转速分析。

然而，电力电子接口电源接入电力系统后，这一基础特征 正在被改变。

本节从频率定义源头出发，阐明频率 与有功不平衡的关系，按单机-多机-系统逐级深化，讨论电力电子接口电源对传统调频理论影响。

1.1传统交流同步系统频率与有功平衡定义1:频率。

按信号理论，频率/被定义为 周期信号在I s内所重复的次数，可表示为f=l/T(1)式中：r为信号周期。

同步发电机的内节点，当发电机内电势幅值 不变且转子匀速运动时，内节点的电压波形为正 弦波，转子转速（乘以极对数）即为该正弦波频 率。

/是具有一定长度的时间段内定义的平均 量，研究动态特性时要引入瞬时频率概念。

定义2:瞬时频率。

正弦信号的瞬时频率定 义为式中：^(0为正弦信号相角。

发电机内节点电压波形的瞬时频率可以在任 何时刻准确地反映该发电机的转速，进而可以反 映该发电机转子上的电磁功率与机械功率的平衡 状况。

上述有功平衡与频率的耦合关系即为同步机 组的“机电耦合特性”，进而构成了传统交流同步 系统频率调整内在基础。

发电机组输出电磁功率与 转速的关系也被定义为频率响应特性APG-A/G。

严格来讲，电力系统中每时每刻都存在多个 正弦信号，没有共同的相角〜因此也不存在符 合式（2)定义的频率。

分析系统级有功-频率关 系需要做一些假设。

如果系统中所有电源皆为同 步发电机且刚性连接，可用等值单机模型分析，任意节点和机组将具有完全相同的频率动态过 程，一般称为“全网同频”。

系统内任意节点的 不平衡功率就直接反映为所有同步发电机转子上 电磁功率与机械功率不平衡，转子的转速变化即 反映为频率偏差，调频就是调整不平衡功率。

基 于上述假设，引入系统频率定义。

9中国电力第52卷定义3:系统频率。

电力系统频率为所有同 步发电机的平均频率，即系统惯性中心的频率， 可表示为/式中：/为系统频率；，，叫分别为第/台发电机 组转子惯量、转速；#为发电机台数。

若忽略因电压分布差异引起的负荷频率调节 效应差异，即不同地点的不平衡功率可以累加， 那么系统级有功-频率关系（AP -A /)即简化为系 统平均频率与总不平衡功率的关系。

传统的电力系统频率分析总在稳态或准稳态 下进行，发电机的频率、瞬时频率和系统频率都 (近似）相等，上述概念经常不做区分，然而在 电力电子接口电源接入后都需要重新审视。

1.2电力电子接口电源的频率与有功平衡电力电子接口电源多没有转子，不能按照同 步机组转子旋转内电势的频率来定义其电源频 率，需回到信号理论层面进行定义。

定义4:电力电子接口电源频率。

电力电子NN 2力，/27T i=l_ i=l _______N_NY j Ji(3)电流增加，转子因电磁输出功率大于机械输入功率而减速；（2) —次调频：短暂的迟滞时间 后，同步发电机组调速器作用于进汽阀（或进水 阀)，增发功率使转子转速回升，由于一次调频为 有差控制，系统频率比初始值小，存在静态频率 偏差；（3)二次调频：若是静态频率偏差过大， 调整发电机出力整定值，作用于燃烧系统（火电 机组）或水阀(水电机组)，增大发电机出力。

惯性响应、一次调频、二次调频由不同控制 单元独立实现，典型时间尺度为数秒至几十秒、 十几秒至1 m in 或数分钟。

但划分并不严格，可 能存在交叠。

风电、光伏等电力电子接口电源，不对接口 频率偏差提供任何响应；一次能源输入功率不可 控，工作在最大功率跟踪（maximum power point tracking , 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。

1.3.2 多机动态对比单机等值模型下，系统频率动态由等值机转 子运动方程决定，可表示为接口电源频率是指电力电子换流器交流侧桥臂电 压或输出电流的正弦波基波频率。

2H - = Tm -T ,-D G ,(4)该基波频率有两种决定方式：一^种是罪锁相环 节与并网处电网的频率保持一致（或自然过零）， 这类接口通过控制可控硅的导通角，或改变IGBT 的PWM 脉宽来改变输出电流正弦波基波的幅值、 相角，相当于一个频率随系统变化的电流源；另 一种是改变PWM 脉冲列周期来改变输出电压波 形的频率，相当于一个频率自主的电压源。

电力 电子接口并网点电力信号瞬时频率与内部功率平 衡状态无关，不存在所谓“频率响应特性”。

功率源型电源只是跟随机端电压频率，在系 统频率的式（3)中不计入。

电压源型电源的频 率则自主控制，等效一个无穷大惯量同步机组， 只要容量充足，可吸收所有不平衡功率，维持系统 恒定频率。