新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态_韩民晓.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1309-14 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态韩民晓1，赵正奎1，郑竞宏2，曹武3，王伟胜4，汪挺5（1华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206；2清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084；3东南大学电气工程学院，江苏省 南京市 210096；4中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192；5国网山东省电力公司，山东省 济南市 250002）Development of Dynamic Voltage Support for Power Grid with Large-scale Renewable Energy Generation HAN Minxiao1,ZHAO Zhengkui1,ZHENG Jinghong2,CAO Wu3,WANG Weisheng4,WANG Ting5(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Changping District,Beijing 102206,China;2.School of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;3.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,Jiangsu Province,China;4.China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China;5.State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250002,Shandong Province,China)1ABSTRACT:Transient voltage analysis and control in large-scale renewable energy generation(REG)dominated power systems has become a hot issue.The state of art of the transient voltage support technology and its future trend are fully reviewed in this paper.Firstly,the essence and challenges of the transient voltage problems in the large-scale REG integration are revealed,and the current status and problems of the transient voltage control at the station level are discussed.Then the transient voltage response characteristics and the typical control technology of the REG unit for the reactive power regulation are presented,and the aggregation modeling toward the PV/wind farm station transient voltage control is investigated.The idea of the multi-type reactive power sources coordinated control strategy and its application based on the decentralized autonomous control are discussed.The specific scenarios with respect to the weak grid and the HVDC transmission are further extended where the characteristics of the transient voltage is addressed and the possible control technologies are pointed out.Finally,the key problems to be solved are listed.Furthermore,the future research topics and the developing tasks are observed.基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFB2400500)：“储能与智能电网技术重点专项光伏、风电场站暂态频率电压主动快速支撑技术”。Project Supported by National Key Research and Development Program of China(2021YFB2400500):“Key Project of Storage and Smart Grid:Techniques for Active and Fast Transient Voltage and Frequency Support of Photovoltaic Power and Wind Farm”.KEY WORDS:renewable energy generation;transient voltage support;aggregation modeling;multi-reactive power sources;decentralized autonomous control 摘要：含大规模新能源并网电力系统的暂态电压分析与控制已成为业界普遍关注的热点问题。针对该场景下的暂态电压支撑技术发展动态进行系统性综述。首先阐述新能源大规模发展过程中暂态电压问题发生的本质及带来的挑战，探讨了目前场站暂态电压支撑现状及其面临的问题。然后，给出典型单机无功源的电网暂态电压响应特性和控制技术现状，分析了适用于光伏/风电场站暂态电压支撑的聚合建模方法。然后论述了基于自律分散控制的多无功源协调控制思路及实现途径。接着，针对弱电网及直流送出等复杂场景，指出了暂态电压问题的特征及可能的控制手段。最后阐述了新能源电网暂态电压支撑技术需要进一步解决的关键问题，并对未来研究与开发工作进行了展望。关键词：新能源场站；暂态电压支撑；聚合建模；多无功源；自律分散控制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0040 0 引言 大规模新能源机组的并网运行正在很大程度上改变传统电网的运行特性。新能源机组具有随机性、分散性、低惯量、低抗扰的特点1。无论是电网的稳态运行与暂态过程，亦或是电网的频率特性与电压特性，在高比例新能源接入后都会发生显著的变化2。频率/功角问题本质上是由有功1310 韩民晓等：新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态 Vol.47 No.4 功率平衡决定的，综述性论文中已有专门关于新能源电网频率支撑的论述3，本文探讨内容重点围绕新能源高占比电力系统暂态电压问题的属性及控制技术展开。高比例新能源接入背景下电力系统暂态电压问题的出现是由这类系统的本质属性带来的：1）新能源机组出力的波动是无法避免的，这种出力的波动会加剧电网的无功不平衡，由此造成电压波动的凸显；2）大规模新能源基地通常通过远距离外送消纳利用，典型方式为高压直流远距离输送。直流输电运行过程中的功率调节、换相失败、单/双极闭锁等有功功率的变化会导致无功不平衡大幅变化，从而引发严重的暂态电压问题，特别是过电压问题；3）进一步，当电网中新能源比例提升时，由传统同步机主导的电网强度就会变弱，系统更易因为功率不平衡发生暂态电压波动。这些高比例新能源并网引发的电压暂态问题在我国新疆、青海、宁夏等电源中心与山东、江苏等负荷中心都有发生4。新能源机组一方面给电网运行带来不利影响，但另一方面，机组具备对电网运行与控制有利的设备基础。光伏/风电等新能源机组通过变流器并网运行，具有控制灵活、响应快捷、无需额外投资、可分散布置的优点，通过合理的控制策略设计，可实现对并网点暂态电压的控制。本文探讨如何发挥新能源机组的无功控制优势，在简要论述新能源机组电网稳态电压支撑的基础上，重点论述通过新能源场站动态无功的有效控制实现对电网暂态电压的支撑作用。以此为出发点，探讨新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态。在介绍议题背景的基础上，首先汇总了典型单机无功源的电网暂态电压支撑特性。然后，探讨了用于光伏/风电场站暂态电压支撑的聚类建模方法，提出多无功源自律分散协调控制的基本思路。接着，针对弱电网及交直流系统复杂故障场景，分析了暂态电压问题的特征及可能的控制手段。本文最后指出新能源电网暂态电压支撑技术需要进一步解决的关键问题，并对未来研究与开发工作进行了展望。1 场站电压支撑技术现状 电压问题是电力系统运行与控制的基本问题之一。电压问题既有稳态属性，也有暂态属性；既包括电压质量问题，也包括电压稳定问题。其时间尺度、描述方式、解决方案有一定差别，表 1 依据时间尺度，对电压问题从时域的角度进行了汇总。电压暂态问题通常针对有效值(方均根值)展开讨论，是指在数十毫秒至数分钟时间尺度上电网暂态过程中电压的变化特征，包括表 1 中电压暂降与暂升、电压波动与闪变、电压变动等均为电压暂态现象。对于较长时间尺度上的变化，也描述为动态电压，本文不做严格区分。这些电压暂态现象可能由电网正常运行过程中负荷与电源的波动引起，也可能由于电网各种类型的故障造成。电网电压暂态过程与电压稳定5-6是密切相关的 2 个概念：一方面，电压稳定/失稳是通过暂态电压的演化过程体现的；另一方面，通过对电网电压暂态行为的控制是实现电网电压稳定控制的基本手段。电网暂态电压支撑就是通过提供“及时”且“适当”的动态无功，减少电压的波动幅度，维持电压的稳定水平。从频域的角度来看，新能源发电经变流器并网后，变流器的非线性行为导致电网电压中出现谐波。同时大量新能源接入，使电网呈现更小的短路比和阻尼特性，新能源场站与电网之间易发生振荡，振荡频率可分布于数十赫兹至数千赫兹的宽频带范围7，带来电压的波动与稳定问题。这些问题有另外的专题系统探讨，本文不做深入分析。从电力系统形成的初期开始，人们就对电压问题进行了分析研究，提出了系统性的解决方案。然而，以光伏、风电为代表的新能源大规模接入电网，对电网的运行控制带来一系列本质性变化，电压问题的属性及其控制策略也在多个层面呈现新的特征。在光伏、风电几十年的发展历程中，并网技术不断发展进步。这些新能源机组早期(2010 年之前)技术核心在于最大功率追踪，按固定功率因数运行，表现为“无支撑、低抗扰”8。2010 年以后，随着新能源装机占比的不断提升，新能源机组对电 表 1 基于时间尺度的电压问题描述 Table 1 Description of voltage problem based on time scale 电压现象 时间尺度 描述方式 解决方案 电压脉冲/电压瞬变 1min 有效值(微分方程)电源、负荷调整、调相机、SVC/SVG 电压偏差 0.510min 有效值(代数方程)电容/电抗投切、变压器分接头调整 第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1311 网运行的影响问题愈加突出，业内开始进行“电网友好型”机组的研发和应用，普遍实现了单机无功调节和低电压穿越9-11、场站级电压稳态运行中的无功控制等功能12。依据国家出台的能源行业标准规范要求，光伏、风电并网变流器在正常运行条件下，当逆变器 输出有功功率大于其额定功率的 50%时，功率因数应不小于 0.98(超前或滞后)，输出有功功率在 20%50%之间时，功率因数应不小于 0.9513-14。可以看出，正常运行情况下，变流器可以提供 20%30%额定容量的无功。对于具有电网支撑能力的变流器，可以动态提供 48%额定容量的无功功率15。这些无功功率可以在电压控制中发挥重要作用，无功控制模式依据电网运行的需要可采用不同的方式，包括恒电压控制、Q-V 下垂控制、恒功率因数控制和恒无功功率控制等，具备接受功率控制系统指令输出无功功率和多种控制模式在线切换的能力。1.1 场站稳态电压控制及与暂态电压支撑的关联 针对电网稳态运行中的无功/电压控制，光伏/风电场站已经形成较为成熟的技术体系。到目前为止，光伏逆变器、双馈风电机组及直驱风电机组，都普遍采用了矢量控制技术，实现了有功、无功的解耦控制，为光伏/风电场站对电网的无功支持奠定了基础。新能源场站设立的自动电压控制(automatic voltage control，AVC)系统，通过协调控制本地所有无功源，采用优化算法可维持场站公共连接点(point of common coupling，PCC)电压在要求范围内。新能源场站的 AVC 系统控制策略主要通过协调分配场站内各无功源的无功出力进行。机组间的无功分配方式主要包括：等功率因数分配、等裕度分配、按容量下垂分配以及优化分配等。优化分配是通过建立目标函数，并应用某一优化算法计算得到场站内各台具有无功调节能力的机组的无功出力分配方式进行。优化目标可有多种，如有功损耗最小、风电场公共连接点电压波动最小、运行费用最小等。常用的优化算法则包括内点法等传统优化方法及遗传算法、粒子群算法等智能算法。国内外已普遍实现了新能源场站的稳态无功调节功能。2004 年 GE 的 WindVAR 风电场无功电压控制系统就能够实现100ms的延迟时间和400ms的响应时间16。我国也从 2006 年前后，开始光伏/风电场站电压无功控制策略的研究及装置(系统)的研发。南瑞、许继等电气设备企业先后开发成功AVC 系统，并成功应用于新能源场站电压控制。国家相关部门联合，推出了场站无功配置规范13-16，对风电场站的无功配置及控制方式提出了明确的要求。虽然新能源并网系统稳态电压问题与暂态电压问题从时间尺度、衡量指标及控制措施等方面都有很大区别，但两者也存在密切的联系。一方面，光伏/风电并网变流器多具有快速无功调节能力，新能源场站配置的多种无功补偿装置，如静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、静止无功发生器(static var generator，SVG)、调相机等能够实现暂态电压调节。这些参与稳态电压调节的设备同时也是实现暂态电压支撑的设备基础；另一方面，变流器稳态工作状态决定了无功调节的静态工作点，与动态无功调节的范围及裕度相关。稳态无功控制过程中，还应使新能源场站拥有充足的无功储备容量去应对系统故障，在电网暂态过程中，提供有效的电压支撑。后续内容重点针对光伏/风电场站的暂态电压支撑作用展开，分别针对不同类型的单机暂态电压支撑作用、场站级聚合响应特性及不同无功源之间的协调控制策略进行论述。1.2 新能源场站暂态电压支撑的研究 随着新型电力系统的发展与实施，当新能源比例大幅提升逐步成为电力装机主体甚至电量主体时，新能源机组对电网电压，特别是暂态电压支撑作用变得至关重要，成为新型电力系统普遍关心的问题之一。光伏/风电机组对于电网暂态电压的支撑作用是从人们重视、研发和应用机组的低/高电压穿越开始的。低电压穿越相关标准明确了不同电压跌落幅度和持续时间机组应具备的故障穿越能力。规定了动态无功电流响应时间及不同电压跌落幅度与提供的动态无功电流的关系。这些技术的应用与标准的实施在一定程度了提升了新能源机组对电网暂态电压的支撑作用。然而，到目前为止，穿越技术仍然局限于单机的故障穿越，研究热点主要集中在单机层面不对称故障下的负序电流控制、高电压穿越、连续穿越实现方式等方面。虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)技术可以提升弱电网下的电压稳定性17，但受过载能力限制，暂态低电压过程通常切换为锁相同步的电流源控制方式，无法具备真正的暂态电压源特性；部分机构开展了同步机接口的光伏/风电技术研究，但目前仍处于原理样机阶段。近年来，国内部分企业和研究机构开展新型频1312 韩民晓等：新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态 Vol.47 No.4 率和电压支撑技术的研究与试点：南瑞自 2018 年以来在西藏、内蒙、甘肃、云南等地试点了光伏电站快速功率调节技术，采用 GOOSE 通信协议大幅度缩减通信延迟，非故障工况可将场站有功无功控制响应时间缩减到 30ms18-20；结合实际青豫特高压直流、川藏交流联网、张北柔直等工程的配套新能源建设，中国电科院研究了通过光伏/风电暂态控制策略和参数优化提升暂态稳定性和消纳能力的技术，取得了良好的效果21-26。然而，这些技术重点针对光伏/风电场站的有功调节，强调集中控制的作用，对于暂态电压控制过程中的机组与场站的协调控制涉及较少。上述分析表明，高比例新能源电网稳态、小扰动情景下光伏/风电场站的电压支撑问题已经基本解决。但对于大扰动暂态过程的支撑，还局限于单机层面的故障穿越。未来新能源将在电力系统安全稳定中起主导作用，亟需将光伏/风电的支撑作用场景从稳态、小扰动拓展到暂态、大扰动，支撑模式从单机响应拓展到单机-场站-电网协同支撑。2 暂态电压控制基本手段 针对并网点电压的波动，新能源场站需要补偿足够无功以保证电网电压的稳定性。目前，国家已对新能源场站无功补偿能力提出相关规范，要求风电场及光伏电站配置无功补偿装置，并要求风电机组配置无功控制系统，光伏逆变器具有无功补偿能力。本章首先介绍典型电网动态无功调节手段，再介绍光伏逆变器及风机变流器的电压控制技术。有关场站级的无功控制特性将在第 3 章讨论。2.1 典型电网动态无功调节设备 典型电网动态无功调节手段包括同步调相机、SVC、SVG、直流无功调制等27。其中，常见的机械旋转类无功补偿装置同步调相机，是早期应用于电力系统动态无功调节与电压控制的设备。同步调相机可以等效视为输出有功功率为零的同步电机。正常运行时工作在同步转速下，根据电网需求通过过励磁或欠励磁运行来调节电压28。由于同步调相机是旋转设备，调节响应过程需要数百 ms、具有较高的运行维护成本，并需要投入配套的起动和保护设备，一度被视作淘汰的技术。但近年来，高比例新能源并网运行，对系统的惯量、瞬态电压控制提出新的要求。同步调相机以其磁链守恒、过载能力强、具备一定的旋转惯量支撑等特点又获得动态无功补偿应用的青睐。静止无功补偿器(SVC)是一种以晶闸管作为开关器件，由电感、固定或可变电容并联组成的静止无功补偿装置。主要的 SVC 装置有晶闸管投切电容(thyristor switched capacitor，TSC)、晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)+固定电容器(fixed capacitor，FC)等。TSC 可以实现无功补偿的零电压投入、零电流退出；TCR+FC 可以连续调节无功在输出与吸收之间变化，使电网电压实现快速、动态调节，响应时间在 50100ms 之间。静止无功发生器(SVG)是基于全控器件构成的电压型或电流型并网逆变器，可以快速、稳定、连续调节无功功率，其中，电压型三相桥式逆变器应用最为广泛29，SVG 无功输出有定无功功率控制或给定并网点电压控制 2 种模式。相较于 SVC 需要大容量电容器或电抗器，SVG仅需要在直流侧安装小容量电容，并且可以吸收无功功率。而且，受电感和电容阻抗值限制，传统的SVC 向电网补偿的最大电流随着电压的降低而减小，而 SVG 可以通过开关器件调节交流测电压幅值及相位，其最大电流补偿量不受电网电压影响。此外，SVG 响应速度快，由零无功输出至最大无功输出的响应时间约为 20ms30-31，满足国家标准“无功补偿响应速度小于 30ms”的要求，且谐波较小，因此正逐步取代 SVC 成为主流无功补偿装置。传统 LCC 型高压直流输电，可以通过无功功率调制，实现对交流电网电压的控制32。特别是当电网发生过电压时，可以通过增大触发角(关断角)，增大无功消耗来抑制过电压。另外，近年来得到快速发展和应用的电压源换流器(voltage-sourced converter，VSC)高压直流输电技术、大规模储能技术等，都采用基于全控器件的电压源换流器并网，其有功-无功解耦特性，可以实现无功的独立且快速的调节。其原理与光伏逆变器类似，将在下一节具体论述。2.2 光伏/直驱风电并网变流器暂态电压控制技术 在新能源场站中，光伏和直驱式风机场站的并网逆变器均采用 VSC 型变流器，具有相似的无功电压响应特性。VSC 变流器控制模式可以分为跟网型(grid-following，GFL)控制和构网型(grid-forming，GFM)控制。跟网型控制需要锁相环对电网并网点电压锁相，并实现同步并网；构网型控制根据变流器输出功率主动构建电网电压和频率。目前新能源场站并网变流器采用跟网型控制模式，对于光伏逆变器(photovoltaic inverter，PVI)第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1313 和直驱风机网侧变流器(grid side converter，GSC)通常采用锁相后的有功无功解耦双环控制，如附录图 A1 所示31。当系统出现高/低电压故障时，并网逆变器切换控制模式，采用单电流环的开环控制策略(附录图A2)。我国要求新能源场站需要保证一定时间内不脱网(附录图 A3)13-14，同时提供一定的无功支撑，无功电流要求如下。当 UT1.1 时：T2TN(1.1)IKUI(2)式中 K2取值范围为 01.5。在新能源场站中，通常机组接收到为场站下发的指令后再执行，此时报道的最快无功响应时间已经可以和 SVG 相比拟，约为 2327ms33；当发生高/低电压故障时，指令下发前会再增加电压检测时延，此时下发的指令通常难以满足故障期间的无功支撑需求，因此想要提升新能源场站的暂态无功支撑能力需要对高/低电压穿越控制进一步研究。由于跟网型控制在弱电网中容易产生稳定问题，在小短路比、系统惯性低的电网中，变流器宜采用构网型控制。目前有一些学者参考同步机的同步工作原理提出了虚拟同步机控制，如附录图 A4所示，并应用于光伏/风电的并网控制中以提高系统在低惯量、弱电网中的稳定性34。此外，常见的构网型控制还有下垂控制、虚拟振荡器控制35等。其中下垂控制通过模拟同步机有功-频率、无功-电压的下垂曲线，不使用通信即可实现全局功率分配；但是由于线路阻抗的影响，功率的精确分配难以真正实现。虚拟振荡器控制通过给振荡器获取正弦电压给定值，并以此为参考电压控制逆变器输出，同时由于变流器外特性表现为振荡器的物理特性，因此不同变流器之间的同步以及功率分配可以通过振荡器的共振原理来实现。需要注意的是，VSC 变流器通常使用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)全控开关器件来实现换流，而 IGBT 的通流能力具有一定的极限，因此当系统发生严重故障时，即使VSC 变流器使用构网型控制策略，VSC 变流器也可能因为达到限流而退化成定功率控制。2.3 双馈风电机组并网无功电压控制方法 双馈异步风力发电机(doubly fed induction generator，DFIG)目前是风力发电的主流机型。双馈风机结构模型如附录图 A5 所示，定子绕组直接接入并网变压器，转子绕组经转子变流器(rotor side converter，RSC)与网侧变流器(GSC)接入并网变压器，定转子侧均向电网输出功率。双馈风机控制框图如附录图 A6 所示10，其中 RSC 控制定子侧输出最大有功功率，并输出感性无功维持并网点电压；GSC 控制转子功率输出，通常采用电网电压定向矢量控制，与光伏变流器类似。在出现暂态电压跌落时，机组向系统提供无功功率帮助电网电压恢复。其中，定子侧无功功率受 RSC变流器容量限制，定子输出无功功率极限 Qsmax为 222smsmaxs maxssss33()22ULQU IPLL (3)式中：Us为电网电压；s为电网角频率；Imax为 RSC最大输出电流；Lm为转子绕组互感；Ls为定子电感。转子侧最大输出无功功率受 GSC 容量限制，因此转子侧最大输出无功功率为 22maxgggQSP(4)式中 Sg为 GSC 容量。但是 GSC 容量一般为风机额定容量的 20%30%，通常优先考虑 RSC 输出无功功率。根据式(3)(4)，双馈风机的最大无功输出容量可达到双馈风机额定容量的 30%以上。基于现有控制策略，双馈风机的动态无功响应速度约为60ms36。相比于光伏机组，风电机组更容易因电压恢复期间的电压过高而导致大规模脱网。目前一些国家已要求风电机组具有高电压穿越能力(high voltage ride through，HVRT)。文献37提出风电机组主控系统与变流器协同控制完成高电压穿越的实现方法，避免了 Crowbar 或 Chopper 保护动作对高电压穿越特性的不利影响。但现有研究尚未考虑过电压对机组电磁特性造成的影响，HVRT 技术仍须进行进一步研究。此外，有研究提出应用于双馈风机的虚拟同步控制策略，模拟同步发电机转子运动方程，包括有功功率控制、无功功率控制、阻尼控制等38。双馈风机的虚拟阻抗控制应用于 RSC，GSC仍然采用基于锁相同步的电压定向矢量控制。但是在电网发生电压跌落时，虚拟同步控制将导致 RSC1314 韩民晓等：新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态 Vol.47 No.4 受到强电磁应力冲击并出现转子过流，机组面临脱网风险39。3 场站动态无功支撑聚合特性 3.1 聚合建模需求 光伏/风电机组单元布置分散、数量庞大，且出力具有随机性和波动性，经变流器接口并网后，其有功/无功输出特性和电压响应特性主要由电力电子器件控制方式决定。现有研究成果中对于新能源机组设备级响应特性已有较为成熟的研究和认识，在第 2 章汇总描述。但随着光伏/风电接入系统占比逐年提高，其角色从辅助电源逐步转变为电力系统主导电源，必然需要从最大功率跟踪为基本控制目标的受控电流源特性向支撑电力系统电压频率稳定的类同步机特性发展。场站的暂态电压稳定控制已成为制约新能源发展的重要技术瓶颈。基于场站并网点电压响应特性，设计动态电压调节策略时，难以通过机组单元的模型实现场站动态特性分析。为准确掌握新能源场站整体电压响应特性，充分体现光伏/风电场站内部机组单元不同控制策略及拓扑结构下的动态无功支撑能力，亟需探索建立新能源机组的暂态电压支撑聚合模型。面向场站暂态无功支撑研究的聚合模型，一方面应能充分反映机组单元在暂态扰动下的自主分散响应特性，另一方面亦能表征场站对于并网点电压支撑的整体效果和多时间尺度动态特性。通过聚合建模为场站暂态电压稳定性分析提供准确的分析模型是后续场站暂态无功需求分析和无功补偿策略设计的前提条件，也是研究和设计新能源机组和场站级动态无功补偿设备间协调控制的理论基础。3.2 聚合建模方法 针对上述建模需求，聚合建模时应兼顾外部自然资源条件，侧重考虑聚合模型对于电网电压波动的响应特性。但针对场站暂态电压响应特性的聚合模型研究仍鲜有文献讨论，目前常用的新能源场站聚合建模方法主要包括模式等值法、奇异摄动法和动态聚合法。按照聚合结果进行划分，常用的聚合建模方法包括聚合单机建模和分组多机聚合建模40-44，可根据场站规模大小和运行状态灵活等分析场景灵活选择聚合方式。这类建模方法本质上是提供了一种模型简化降阶的方法43，为便于控制参数的设计，通常需要保留场站整体特性与内部机组单元特性及参数之间的映射关系，基于结构保持建立并网VSC 的聚合模型41。与单机聚合方法相比，多机分群聚合首先对机组单元根据特性和指标进行分群，然后使用参数估计或参数聚合将分群后的系统等值为一个机组。现有聚合建模文献仍较少考虑到对新能源动态特性的详细描述，包括实际运行中不同位置的机组感受到的机端电压不同会直接影响机组的工作模式，以及是否进入故障穿越状态等。为获得准确的聚合模型，针对暂态电压响应特性研究目标，聚类指标须考虑选择自然资源、输出特性和运行环境等相关指标，如功率水平、低/高电压穿越临界值与控制参数等来表征机组的暂态电压响应特性，通过等效并网阻抗来反映汇集方式、集电线路参数等位置分散性的影响。层次聚类法不受初始设置值的影响，能够避免局部最优等特点获得较广泛的应用。针对暂态稳定性分析需求，建模时应平衡好准确性和复杂度之间的取舍，并通过误差和特性差异评估模型的适用程度45。3.3 聚合模型参数辨识 为提升聚合模型的动态等值效果，需要分析引起聚合模型误差的因素，考虑典型运行工况下低电压穿越策略对外特性的影响和场站容量与聚合模型误差之间的量化关系。对于聚合参数估计，容量加权法和等功率损耗法得到了较好的应用。通过等效导纳法建立场站的等效聚合模型得到重视，但当应用于大型风电场和光伏电站时存在计算巨大且耗时的问题。状态空间模型方法所建立的聚合模型参数可以在优化方程组中实现很好的参数拟合，能够保障模型的精确度，但将大型风电场或光伏电站的所有状态空间方程包含在重复优化解中会导致较高的计算负担，参数辨识效率有待提升。从工程应用角度来看，基于 PMU 的参数辨识方法可以进一步提升模型精度，通过与实际工程运行数据对比具有可靠的参数辨识依据，可广泛应用于聚合模型参数辨识中44。4 新能源场站暂态无功支撑协同控制 4.1 场站多类型无功源协同控制面临的基本问题 场站多类型无功源存在设备属性差异大、控制策略不同等导致的单机输出特性差异大，无法通过对单个无功源设备的控制实现确定的电压快速调节。从拓扑结构来看，风电机组包括经电机和变流器多能量路径并网的双馈风电机组和以 VSC 变流器接口并网的全功率型直驱风电机组。光伏逆变器，无论是集中式还是组串式，都通过 VSC 变流器并网。不同类型的新能源及不同的并网方式，导致这些新能源机组的无功调节特性存在很大差异。在高占比新能源并网背景下，特别是弱电网和交直第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1315 流故障条件下，电网对新能源场站集总暂态电压的支撑需求日益突出，协调控制不当可能造成无功环流与无功振荡。这就对多类型无功源的协调控制提出很高的要求。现有高低穿策略无法匹配并网点电压支撑的需求，且场站端的控制方式主要依赖传统的自动电压控制(automatic voltage control，AVC)系统以集中式控制为调节手段，其无功调节时间周期在分钟级，调控方式已无法满足新能源场站对电压支撑的多时间尺度控制需求。依据现行国标，风电机组/光伏逆变器相较于 SVG 等设备是更大的无功资源13-14，如何协调利用新能源设备自身的无功补偿能力，解决单机输出特性迥异和场站动态响应能力不足的问题是新能源场站暂态电压控制的基本挑战。由于新能源场站多类型无功源特性差异较大，场站级设备与新能源的协同控制是目前无功协同控制技术的难点。设计控制策略时需要结合实际工程运行中无功补偿装置响应特性差异协调各类型无功补偿设备投退的控制时序和容量配合，否则可能因设备电气应力受限导致故障期间补偿设备比新能源机组更早脱网和故障清除后因固定电容器等设备的固有响应延时无法及时回撤导致的过电压问题。作为同步旋转设备，发电机、调相机既可以为系统提供短路容量，也可以通过强励提供动态电压支撑46。同时，调相机的运行特性符合高压直流输电、大规模新能源暂态过程中对动态无功的需求，与 SVC、STATCOM 等无功补偿装置相比，新一代调相机具有更强的动态无功支撑能力与暂态电压调节能力，更适合我国当前特高压直流工程输送容量大、送端短路容量不足、受端多回直流集中馈入下电压支撑能力不足的电网结构特点，但投资较大且需要额外的落点，各类型设备特性对比如表2所示，不同设备在响应时间尺度、支撑能力和成本等方面的差异决定了面向多目标电压支撑控制策略设计时设备在不同时序、容量配合中发挥的具体作用。表 2 场站级无功补偿设备综合对比 Table 2 Comparison of station-level reactive power compensation equipment 补偿设备 响应速度 暂态电压支撑能力 建设成本 调相机 SVG/STATCOM 固定电容器 同步发电机 4.2 场站级的集中式控制 现有技术中工程应用较为广泛的包括 AVC 和动 态 自 动 电 压 控 制(dynamic automatic voltage control，DAVC)，其主要控制目标在于优化电压偏差，提升静态电压稳定指标和无功裕度等。电网静态电压控制主要基于“电压控制分区”、“中枢母线电压”等电压分层分区调节控制的理念设计自动电压控制系统，目前已在国内外实现了广泛的工程应用。但应对双高电力系统电压调节需求仍需进一步研究动态电压调节技术，以克服 AVC 系统在多级调度中心之间需要相互协调，整体的电压控制质量偏低和暂态电压支撑能力不足的问题47。文献48提出了网-省-地多级控制中心协同电压控制技术，通过少量关键变量的交互实现多级 AVC 系统之间的相互配合。文献49提出了以电网暂态电压安全和稳定为目标的预防控制方法，从全预想故障集中筛选出代表性严重故障，并形成与之一一对应的动态电压分区，通过协同实现全局最优控制。文献50通过场站 AVC 与设计成定电压控制模式的风电机组的协调控制，提升风电场对电网电压的暂态支撑作用。故障持续阶段电网电压发生扰动时，新能源机组无功响应过程完全由自身控制系统设计决定，且由于扰动持续时间较短，无法在这一时间范围内通过通信等方式实现各机组的协同控制。因此机组单元的自主响应特性决定了扰动中的电压波动和无功分配。控制参数和运行模式是该阶段的电压支撑响应特性的关键，同时该特性决定了是否会引起连锁故障，扩大事故范围。现有控制策略主要基于控制模式切换的思路来实现故障持续阶段的无功-电压控制，现有研究主要考虑基于约束条件的平滑切换控制方法以保证切换控制过程控制系统的稳定运行和电压支撑多目标优化控制51。故障清除后，系统处于电压恢复过程，新能源机组协同控制的目的应优先考虑如何调节各机组无功分配、输出功率限幅及有功无功耦合对系统稳定性的影响，向系统提供需要的无功功率帮助系统电压稳定恢复，文献52详细讨论了有功无功耦合对电压稳定的影响机理，文献53探讨了风电场低穿过程恶化系统暂态过电压的作用机制和不同低穿控制方式对风电机组功率特性及对系统暂态电压的影响并提出了风电机组低穿控制性能优化建议以有效抑制电压恢复过程的系统暂态过电压水平。以上基于事故预想的预置策略动态分区电压调节方法实施方便且可选取的分区控制指标易于操作，是场站预防性电压控制的重要发展方向。但暂态过程自主响应方式优化和故障后电压恢复协1316 韩民晓等：新能源场站电网暂态电压支撑技术发展动态 Vol.47 No.4 同控制仍有较大改进空间，如何协调场站级无功源并充分发挥新能源机组的无功补偿能力以重塑场站多时间尺度无功动态响应特性从而有效提升场站暂态电压支撑能力仍有待探索。4.3 场站自律分散控制 针对现有场站级集中式控制所面临的不足，亟需探讨区别于集中式控制的场站多无功源自律分散控制方式，来实现场站电压控制从稳态到暂态的过程全覆盖，从单机被动响应到场站主动支撑的控制模式转变。分散响应-聚合支撑是场站多无功源自律分散控制的基本目标。自律控制是无功源机组的主动响应特性，在检测机端