1、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
2、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,
3、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
4、,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
5、 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 respo
6、nse 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
7、 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.F
8、inally,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 o
9、f 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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