助力新型电力系统平稳运行阳光电源干细胞电网技术（StemCellTech）白皮书搓!蹂唪!柠PREFACECONTENTS“双碳”背景下，可再生能源并网比例新型电力系统特征与趋势12持续提升，极端气候频发，诸多不确定性因素叠加，新型电力系统形态趋于复杂，2/2!!䗮瀷籌詵畝羠镾瑧扟駱系统运行稳定性面临新挑战。2/3!!䗮瀷籌翄撾翄厸㛄侕扟駱!2/4!!䗮瀷籌竑䗮紙茻牐㪟翄储能系统作为新型电力系统中的关键环节，在电网稳定性构建中发挥着不可或新型电力系统面临的挑战14缺的作用。随着新能源比例进一步提升，对储能系统的电网支撑能力提出了新要求。3/2!!翄紙醭袊呯3/3!!哃䎣憈駣阳光电源创新性提出StemCell干细3/4!!嶊㳝濱︒䎣籹醭袊呯胞电网技术，探索电网稳定性课题，助力新型电力系统平稳运行，白皮书对技术方案及应用作了系统化阐述，供行业参考。干细胞电网技术164/2!!亱媰矇㫪醁䗮濱褀恖梮4/3!!靕㬎姉哃䎣憈駣恾壽恖梮4/4!!QPE嗚籹憈駣䅋喺恖梮4/5!!孎蟩鄀翄紙椨婠恖梮4/6!!榠屟嶊㳝敆搫恖梮4/7!!HX鄀䧸蕓誤恖梮4/8!!麉愐儕瑧訕扡恖梮客户价值22应用案例246/2!!㒂鶜扥勛2611lX孎翄鈫䎋茩6/3!!琒譯䆠墕43NX昦矇翄撾跀酛䎋茩6/4!!譯銊棧訅呏鄐墕26NX06/6NXi䧸蕓誤䎋茩总结及展望26昦矇翄撾跀酛竑嬕醮㢑獻高比例高比例高比例可再生能源接入电力电子设备接入特高压直流输电“双碳”目标下，能源结构转型进一步加速，可再生能源比伴随风、光等可再生能源大量接入，电力电子发电设备在我国能源生产、消费呈现逆向分布，风、光能源大基地、大水电、大核电等集约化开发主要集中在西南、西北、东北、华北地区，例不断提升。截止2022年，全球风、光发电累计装机量高达电力系统中占比不断提升，由于可再生能源发电与传统同步发电力负荷中心主要集中在中东部地区，以特高压为骨干网架的大容量、远距离能源输送大通道建设全面加速，不断深化“西电东送”、2168GW，占全球总装机量的25%，成为能源结构中重要组成电机的控制特性差异、电网中诸多电力电子设备控制方案不同，扩大“北电南送”的能源配置格局。截至“十三五”末，累计建成投运“14交12直”特高压工程“，十四五”规划建设“24交14直”工程，部分。据预测，2030年全球风、光发电装机规模将增至低惯量、低阻尼、弱电压支撑已成为新型电力系统的显著特征。涉及线路3万余公里，变电换电容量达3.4亿kVA。大容量远距离能源输送通道下，由严重故障引发的局部电网间解列会引起全网7219GW，占全部装机量的47%，未来的电网形态将发生较大同时，输电侧的换流站和潮流控制（如统一潮流控制器，静止功率大范围转移。目前特高压直流母线电压高达±1100kV，当发生换相失败、直流闭锁，导致功率不平衡、瞬时过电压等问题时，变化。同步串联补偿器）、用电侧的充电桩等电力电子设备大量接入，会增加系统频率和电压失稳风险，对变流设备性能如惯量支撑、频率支撑、电压支撑提出更高要求。进一步增加了电网复杂性，对电网稳定运行提出新挑战。HX61&雲譯趼譯911156&811151&㒂譯711146&611141&竑䗮紙茻牐511136&411131&竑䗮紙鲮牐㒂攢311126&211121&雲跤6&雲攢1&雲趼风、光发电累计装机量(GW)图2：我国特高压输电分布示意图（信息来源：公开资料整理）攢犦㛾噿风、光发电累计装机占比(%)3图1：全球风、光发电装机规模预测（数据来源：彭博新能源财经）21电压不稳定机端35kV换流站750kV昦矇翄撾跀酛在有限的区域电网容量条件下，新能Un0.20.40.60.81t(s)䉳踮艊慙徔源电站大规模接入，风力、光照等天然因1.61.2素影响功率波动，导致系统电压稳定性降1.4高比例可再生能源接入和消纳、同步低。在输电线串补投退、特高压直流换相1.2发电机容量降低，系统惯量减小，风、光失败等场景下，系统电压的稳态、暂态波发电的波动性、随机性、间歇性、特高压动更大，对电力系统动态电压调节能力提1直流换相失败等因素，对电力系统的运行出更高要求。在工程应用中，存在高低电0.8稳定性产生影响。压多次连续故障穿越的支撑需求，如图30.6所示。0.440.20图3：电网连续电压故障穿越需求示例2宽频振荡Voltage(V)500电力电子设备自身属性引发的电力系统振荡由传统的工频段扩展到中高频段，0新型电力系统呈现多种失稳模式耦合的复杂特性。近年来，全球发生多起新能源大-5001.021.041.061.08t(s)规模并网引发振荡脱网事故，宽频振荡成1.001.10为新型电力系统亟待解决的问题。Current(A)t(s)1.10200-201.021.041.061.081.00图4：电力电子设备端宽频振荡现象3惯量低、频率不稳定0530t(s)高比例可再生能源接入，电力系统由“确定性发电跟踪不确定负荷”转变为“不惯性一次直到15min确定发电与不确定负荷双向匹配”。风、光发电等可再生能源大规模接入，系统惯频率(Hz)响应调频二次量变低，引发频率不稳定，影响电机和其调频它电气设备的使用性能,严重时会导致系统性的频率崩溃，造成大面积停电。图5：电力系统频率调节过程51增强型连续高低穿技术2自适应宽频振荡抑制技术3POD功率振荡阻尼技术并网点电压因短路等导致跌落、大负荷扰动导致过压时，在电力电子化的新型电力系统内，系统等效阻抗不匹配、全球范围内已有部分国家的电力并网规范要求储能系统需要储能系统保持并网，向电网提供无功功率支持电网恢复，控制参数不当、系统延时等会增加工频和高频振荡的风险。如具备功率振荡阻尼（POD）技术，需检测并抑制0.3-2Hz“穿越”故障区域。GB/T34120、GB/T36547等多个并网标区域内外的功率协调调度策略不一致和响应差异、电力电子设低频范围内有功振荡，在新能源渗透率较高的区域将提出更准要求电压故障穿越期间的无功响应时间为30ms。在“三高”备与电网阻抗之间的谐振等，将引发系统宽频振荡现象。高要求。背景下，储能系统应具备多次连续高低穿构建能力，这也是下妔鄫钄翄鈫恖梮一代并网标准要求趋势。技术方案技术方案Tufn!Dfmm!Ufdi技术方案基于高性能数字控制器的公共连接点（PCC）电压、电阳光电源储能系统采用站级调度群控技术，能量管理系流快速频域/时域谐振分析，通过多维度宽频振荡的智能感统（EMS）的POD控制器基于采集PCC功率和频率信息。随着可再生能源渗透率的持续提升，①快速正负序解耦技术：知，提取关键特征信息识别振荡，利用电压源构网技术，重当检测频率超阈值范围时，基于功率微分计算量进行比例调储能系统并网技术从适应电网阶段到支撑储能系统快速进行电网电压的故障检测（超出塑并网阻抗，消除振荡，使系统适应复杂的电网工况。节，并进行通讯延时和响应延时的补偿校正，输出阻尼功率，电网阶段，迈入构建电网阶段。储能系统响应阻尼功率的指令叠加，可在3~5个周波内抑0.9p.u.~1.1p.u.），基于实时正负序解耦算法，提取电网电压正如图7仿真示例所示，光伏和储能并网点通过两回输电制0.15-2.5Hz低频功率振荡，控制原理如图9所示。阳光电源基于对电网的深刻理解，创负序分量，快速功率控制算法，实现10ms级无功响应，支撑线接入主网，其中Line1额定电压275kV，Line2额定电新性提出干细胞电网技术（StemCellTech），电压故障恢复。压132kV，光伏并网容量100MW，储能并网容量20MW/助力新型电力系统平稳运行，构网型控制20MWh。仿真运行工况：当Line1发生短路，继保动作切技术是其中重要组成之一。除故障点。PTiedPTie延迟比例相位补限幅储能功率输出储能系统通过调频调压、谐波抑制、Wsnt䯒qv䯓dt环节控制偿环节控制黑启动等助力电网稳定运行,如同干细胞对人体组织的修复、净化、造血等功能。2/562/32/1图9：POD技术控制原理1/911/71/5t(s)Bus1Bus2Bus3Bus4Bus59/79/89/99/::/1:/2:/3:/4:/5:/6:/7PVMgraidin如图10所示，在PSCAD仿真系统中建立含有储能的系统配置，其中SG1、SG2为同容量200MW的发电单元，mr䯒qv䯓ESS各自近端有本地负荷100MW。储能系统ESS在近SG2一侧。模拟负荷干扰，LOAD3有功10MW。2/11/91/71/51/31t(s)Bus12Bus13Load9/79/89/99/::/1:/2:/3:/4:/5:/6:/72图6：连续电网电压故障穿越无功响应过程示例SG:同步发电机SG1LOAD1LOAD3SG2LOAD:负载LOAD2图7：储能配套光伏可靠并网仿真拓扑ESS:储能系统ESS②动态虚拟阻抗技术：Magnitude/puMagnitude/pu当系统正常运行时，PCS以常规虚拟阻抗并网运行，提升1.41.21.2有功功率和无功功率的自动均分能力。Ug1Ug当系统短路或过载，PCS产生过电流，输出电流大于预设10.81.82t(s)值且端口电压低于预设电压时，PCS自动切换为虚拟阻抗自适0.8应模式，自动调节虚拟阻抗值,实时调整电压给定、闭环控制0.60.6图10：PSCAD仿真系统资源配置设备并网点的电压。PCS能实时参与构建电网电压，自动输出无功，平稳完成连续电网电压故障穿越，是分布式电网场景下0.40.4电压故障穿越的基础技术。0.20.200.60.811.21.41.61.82t(s)00.60.811.21.41.6抑制前抑制后TIELINEPOWER7.0图8：储能采用电压源抑制宽频振荡效果6.0(MW)5.04.03.0从图8可以看出，在储能不进行宽频振荡抑制的情况下，2.0光储并网点Bus1处电压发生持续性振荡，振荡频率在30Hz附近。当引入宽频振荡抑制策略并采用电压源控制时，可在工1.0频周期内快速消除振荡，稳定电网。0-1.01020304050t(s)07图11：无POD系统产生的宽频振荡TIELINEPOWERVv+G(s)++Qeref5柔性惯量支撑技术7.0+Qd-同步发电机具有大转动惯量特性，基于电力电子技术的储6.0Qe能系统应具备相应惯量支撑能力。电流源模式下的储能系统，Kut执行频率响应时需先检测再控制，产生秒级延迟，难以满足新5.0++U10型电力系统的惯量响应需求。因此，储能系统需要具备电压源U0一次调压-特性，提供ms级惯量响应能力，稳定电网频率。(MW)4.0Ut技术方案3.0储能系统采用虚拟同步机控制前提下：2.0①将一次调频加入有功功率控制回路，支撑电网频率，功率1.0如控制框图17所示。15000-1.01020304050t(s)10000500图12：POD技术对宽频振荡的抑制效果0图14：电压调节控制框图-500t(s)1.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2如图11所示,初始时刻，连接LOAD3的断路器处于断开频率（Hz）状态，此时SG1，SG2分别为近端负荷供电，联络线功率为0。第4s时，LOAD3的断路器闭合，联络线功率发生振荡，①在虚拟同步机（VSG）控制中，将端电压Ut下垂调节(一50.4TJ=0振荡频率0.3Hz。如图12所示,引入POD控制器后，储能响次调压功能)加入无功功率控制回路，有效支撑端电压Ut的应POD输出功率指令，系统振荡被快速抑制。幅值；VSG的无功-电压控制模拟同步发电机的励磁调节过程，50.2TJ=0.5s用于表征无功-电压下垂特性。50②将端电压Ut进行实时闭环控制，在弱网、故障穿越等49.8引发电压暂态变化的工况下，输出无功功率支撑端电压Ut。49.6弱网下电流源模式控制效果见图15所示，当满载功率调度时，电网电压波动范围为12%Un，易导致局部电网不稳，49.4引发系统振荡。弱网下电压源模式控制效果见图16所示，当并网满载功率调度时，实现微秒级无功响应，电网电压波动低49.2于2%Un，在不影响有功调度的情况下，同时自动稳定端电压Ut。4948.8t(s)1.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2θv1/sωv+1/Js+++Peref图18：离网下惯量大小对频率变化的影响-++1/ω0Pd-从图18以看出，负载在1.5秒时加载、2秒时切断，当ω0KDPe系统无惯性时，频率下降或上升更快。随着虚拟惯性增加，系Kω统的频率变化率显著降低，系统频率更加稳定。+ω0一次调频并网场景：变流器并入电网，并设置变流器的TJ。-a.TJ=0s，即系统无惯性ωvb.TJ=0.5s当频率发生变化时，系统在两个不同时间常数下的功率变4微秒级电压构建技术800幅值IgUg图17：频率调节控制框图化，如图19所示。同步发电机具有自平衡能力、下垂特性、大转动惯量等特点,600②VSG的转动惯量J受硬件条件限制较小，可灵活模拟有利于电力系统的稳定运行和负荷功率的合理分配。在高比例设置。在系统发生扰动时，转动惯量J和阻尼系数KD等参数可再生能源的新型电力系统中，需要储能系统模拟同步发电机400作用使系统频率变化减慢，提高系统频率和功角的稳定性。特性，在正常运行时表现为低阻抗电压源,以控制其输出电压幅值和相角，具有抑制其快速变化的固有特性，提高电力系统200在离网和并网两种场景中，惯量大小对频率变化的影响如下：稳定性，参见图13所示。离网场景：多台变流器与柴油发电机及其它能源组成电网，0通过设置变流器的TJ（惯性时间常数）在微电网中运行。-200a.TJ=0s，系统无惯性频率（Hz）b.TJ=0.5s50.6当负载接入和切出时，系统在两个不同时间常数下的频率-40050.5变化，如图18所示。50.4-60050.3-800t(s)50.20.30.320.340.360.380.40.420.440.460.480.550.150图15：弱网下电流源模式自主电压调节效果49.91.21.41.61.82.02.22.42.62.8t(s)13PCC电网母线200功率t(s)Zg3pccZc0ipccCvUmθm~幅值IgUg-200电压800-400参考值电压源特性600-600TJ=0400-800TJ=0.5sEω200-1000-12001.21.41.61.82.02.22.42.62.81图13：电压源等效原理图-200-400图19：并网下惯量大小对频率变化的影响技术方案-600从图19可以看出，当变流器增加TJ=0.5s惯性时，在电网动态频率变化期间，与无惯性的系统相比，可以更快地自发储能系统通过模拟同步发电机的调压特性，实现对电网的-800t(s)注入有功功率，仿效同步发电机的转子特性，抑制电网频率变化。无功支撑,如图14所示。0.30.320.340.360.380.40.420.440.460.480.598图16：弱网下电压源模式自主电压调节效果6GW级黑启动技术大规模分布式电网的黑启动采用分区异步方式，主要过程为：幅值交流电压解析值7虚拟双源叠控技术①分区异步启动，建立各子站内部微网1.4变流器1电流解析值黑启动是同步发电机在异常停机的情况下，通过构建一定系统黑启动时，单套储能系统无法带动燃气轮机的辅助负变流器2电流解析值电力系统运行复杂多变，电压源型并网控制具有实时稳压、容量的电压源，辅助主同步发电单元重新启动。传统黑启动通1.2惯量支撑、构建电压、提高电网强度等优点，但电压源并网在过柴油机给同步发电机、变压器等建立励磁，长期备用污染大、载，EMS根据微网内的启动负荷，选取下限启动容量，调度强网下稳定性不足、调度响应慢，结合电流源型并网控制可起运维成本高。随着可再生能源接入比例越来越高、分布式电源对应容量的储能系统并联启机，支撑变压器建立励磁。某项目1到互补作用。普及，对储能系统黑启动的功能需求迫切，对黑启动规模要求50MW变流器同时启动、建立电压，与其它储能系统（ESS）、增大。储能系统通过电压源模式可以实现零电压构网，协同多光伏并列组网，建立微网的过程见图21所示。0.8现有基于电网阻抗自适应的双模式控制理论，需要进行电机同时零电压起步、励磁主变，其功能应具备：网阻抗实时检测，工程实现挑战大。阳光电源提出虚拟双源叠0.6控技术，采用虚拟电流源、电压源特性叠加的构网控制策略，①足够的储存能量：确保为部分电网供电，在离网模式下，如图24所示。为局域电网内辅助系统提供能量；0.4②耐大电流冲击能力：在变压器通电或启动同步发电机Vout0.2瞬间，可耐短时大电流冲击；VnormConnectedwithConnectedwithMicroGridVpcc③软启动能力：以适宜斜率输出电压从零升压至标称电StartTimeNormalRunotherESSChainsSolarChainsEstablished压，避免通电时产生过大的浪涌电流而触发保护。VTt(s)T0T1T200.511.522.533.544.55vabciabct（s）图23：多台变流器间暂稳态均流效果示例T3T4T5T6②分区间同期并列Q1~Q6idqdqiabc不同分区支持电压、频率可调节，分区内EMS联络外部图21：微网供电子单元启动过程电压、频率信息，同期装置进行合闸，完成整个分布式电网的PWMvdqabcvabc构建。emabc技术方案其关键技术在于：Three-vαβ-gflθpllPWR多台变流器同步启动控制：接收到黑启动信号后，多台变Phasevαβ-gfmGFLCalcManage以超大规模城市供电系统为例，电网分为多个供电子单元，PWM各单元之间通过110kV及以上电压等级联络，提高供电可靠性。流器在无互联通信条件下同步启动，输出电压实现连续无台阶Wavep,qcmd供电子单元主要包含光伏、储能、燃机等，如图20所示。爬升，且启动过程具备带载能力，励磁大容量主变。Cal.cGFMCalcθm,Em动态下垂均流控制：多台变流器组网后，拖动燃机辅助启动电机或者大容量隔离变压器的投入，耐受大电流冲击。图24：虚拟双源叠控技术的控制策略PVESSICELOAD幅值虚拟双源叠控技术基于叠加原理，同时进行电压源和电流2000源控制运算，并根据应用需求进行功率分配和管理，对外输出35kV1500交流电压兼具电压源和电流源控制双重优势，实时支撑电网电压，提供1000变流器1交流电流惯量支撑，提高电网强度，实现宽范围SCR（0-100）系统稳变流器2交流电流定性，整站调度性能更好。50020km110kV20km0110kV25km110kV50035kV35kV-1000-1500-2000-2500t(s)PVESSICELOADESSLOAD00.511.522.533.54图20：多微网互联供电系统图图22：组网后大容量负荷瞬投耐冲击能力示例:21咃忊麽過提升系统强度干细胞电网技术（Stem电网出现频率波动时，提供毫秒级惯量响应，快速抑CellTech）使发电侧呈现更稳制频率波动；电网电压暂态变化时，实现有功功率与定、更柔性的电源特征，可助端口电压同步调节，电网电压波动低于2%Un。力新型电力系统电压、频率更加稳定，提高风电、光伏脱网恢复电网供电后的快速恢复能力。当局部电网发生脱网故障时，快速辅助燃气轮机重启、22新能源场站发电再接入，实现区域、城市级的分布式电网构建，快速恢复供电。提升辅助收益快速灵活的参与电网调峰、调频、备电应用等辅助服务，获取收益。23姉羮橉籌姉羮橉籌西藏措勤湖北随州北美印第安纳州1500kW微电网项目32MW新型电力系统项目15MW/5.5MWh黑启动项目措勤县平均海拔4700米以上，是国内为数不多的高海拔随州位于湖北省北部，地处长江、淮河流域的交汇地带，印第安纳州位于美国中北部，主要产业为先进制造业、工县之一。年最高气温25.0℃、最低气温-34.0℃，日照充足，属于北亚热带季风气候。受太阳辐射和季风环流影响，随州气业机械生产、物流运输等，是丰田汽车北美第二大生产厂、联冬春寒冷。当地能源结构以水电支撑为主、光伏为辅，发电出候温和、四季分明、光照充足、雨量充沛。受外送卡口限制，邦快递美国第二大中心。近年来，随着煤炭能源被逐步淘汰，力受气候影响大。措勤县远离西藏主电网，网架结构薄弱，运新能源消纳困难，常规电源无法应对新能源出力波动，导致电印第安纳州着手发展可再生能源，通过配置储能系统整合新增行控制难度大，整体供电可靠性较低。力电量平衡困难。新能源无惯量、对电网支撑弱，导致系统调的间歇性可再生能源，并应对紧急的发电侧脱网事故。频调压能力下降，电网难以稳定运行。阳光电源集合水电、光伏、风电、混合储能（锂电及铅酸）、柴油发电5种电源并联运行，建成三条电源进线、四条负荷阳光电源采用15MW/5.5MWh储能系统，基于下垂控制出线的10kV微电网。通过VSG控制策略，将同步发电机转阳光电源采用基于能量路由器的多微网互联解耦技术，提的多台PCS无线并联构网技术，能够快速拖动燃气轮机转子子运动方程、一次调频特性及无功调压特性引入变流器中，具高外送能力；针对部分风力、光伏发电机组进行电压源支撑技至设定速度，并且励磁和软启动百兆瓦级送电主变压器。备电网电压构建能力，提高微网系统频率稳定性和供电质量。术改造，实时支撑电压，提供虚拟惯量，且满足孤岛运行下的完成2台110MW燃气轮机的黑启动，快速恢复电网的该电站是典型的可再生能源多能互补供电系统项目，通过电压构建能力。稳定运行，替代柴油发电机，实现燃气电站黑启动，整个过程多电源稳定地馈入负荷并保障电压支撑能力，系统稳定性能大提高区域电网的供电质量，10kV母线电压波动幅度从安全、优质、经济。幅提升，保障措勤县4000多城镇、工商、牧民等用户的可靠15%Un降低到10%Un。减小电力系统投资，改善新能源消供电，在微电网领域多能源互补应用、高海拔地区应用、以及纳能力，提高系统稳定性。24虚拟同步电机技术应用等多个方面具有里程碑意义。25岄酁醮嗴梐面向未来，新型电力系统建设将是一项极具创新性的系统工程，需要发电侧、电网侧、用户侧等多元主体深度协作、联26合创新，共建“源网荷储”协调发展新生态。作为可再生能源规模化并网接入的重要一环，阳光电源储能系统坚持“三电融合专业集成”的技术理念，将在系统强度和短路容量提升、惯量支撑、宽频振荡抑制、故障穿越、大规模黑启动等技术应用基础上，不断创新突破，持续助力新型电力平稳运行。27技术白皮书2023年3月印刷阳光电源股份有限公司中国合肥市高新区习友路1699号+86-551-65327878www.sungrowpower.com