中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著可再生能源、分布式發(fā)電、脫碳和需求增加改變著傳統(tǒng)能源，發(fā)電行業(yè)正在經(jīng)歷巨大的變化。由于大型發(fā)電廠的退役和可再生能源的間歇性，電網(wǎng)慣量的減少，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。結(jié)果則是由瞬時(shí)不平衡引起的頻率變化更大并且更頻繁地發(fā)生。 在此背景下，光伏逆變器和電池儲(chǔ)能變流器必須填補(bǔ)同步發(fā)電機(jī)留下的空白，并能夠提供相同的服務(wù)，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。包含必要的功能的所謂構(gòu)網(wǎng)逆變器將成為新一代的設(shè)備，并成為電網(wǎng)運(yùn)行中的活躍元素。 這些電網(wǎng)功能包括了快速頻率響應(yīng)或黑啟動(dòng)等。 歌美颯Proteus 系列最先進(jìn)的逆變器與歌美颯 Orchestra 控制器（電站控制器）的設(shè)計(jì)目的是滿(mǎn)足最苛刻電網(wǎng)要求。本文檔描述了最先進(jìn)的變流器的主要功能以及 Proteus 設(shè)備為測(cè)試其功能而進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果。 在當(dāng)今世界，能源發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，能源脫碳正成為各國(guó)政府的首要任務(wù)，以零碳運(yùn)營(yíng)為最終目標(biāo)，可再生能源對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)至關(guān)重要。然而，向清潔能源的過(guò)渡并不是一個(gè)直接的步驟，還存在一些需要克服的障礙。 圖 1 可再生能源的預(yù)期組合。資料來(lái)源：國(guó)際能源署 傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電機(jī)基于大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)；將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。水力發(fā)電、核能發(fā)電和燃煤發(fā)電具有類(lèi)似的基本概念；它們利用某種類(lèi)型的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電力的旋轉(zhuǎn)機(jī)器。在這種環(huán)境中，大型發(fā)電機(jī)組全部連接到電網(wǎng)，公用事業(yè)和電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)商（TSO -輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商）充當(dāng)管理電網(wǎng)各個(gè)組成部分的管弦樂(lè)隊(duì)指揮。發(fā)電機(jī)組則是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一部分，單其中一個(gè)機(jī)組缺失則將由其他機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充；如果單個(gè)發(fā)電機(jī)組無(wú)法達(dá)到要求的設(shè)定值（例如由于燃料的容量限制或水流飽和），TSO將調(diào)整其他發(fā)電機(jī)組的設(shè)定值，以補(bǔ)償不足并確保系統(tǒng)運(yùn)行。 在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的設(shè)備是同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，這是一種軸轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率存在直接關(guān)系的發(fā)電機(jī)。這使得它能夠通過(guò)修改其工作點(diǎn)來(lái)調(diào)整其電壓輸出并響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。這些設(shè)備能夠提供針對(duì)系統(tǒng)干擾的阻尼，從而極大地提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
圖2歌美颯制造的 4x12.1 MVA 水輪發(fā)電機(jī)組 任何電網(wǎng)的穩(wěn)定性都是通過(guò)控制以下參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的： ?電壓控制。通過(guò)同步發(fā)電機(jī)（允許動(dòng)態(tài)控制）、電容器組或感性負(fù)載等設(shè)備控制無(wú)功功率來(lái)進(jìn)行調(diào)整。 ?頻率控制。產(chǎn)生的功率和消耗的功率之間的平衡確保了穩(wěn)定的電網(wǎng)頻率，任何值的變化都會(huì)導(dǎo)致頻率變化，必須通過(guò)修改有功功率（在同步發(fā)電機(jī)的情況下通過(guò)修改機(jī)械速度）來(lái)校正頻率變化（詳情請(qǐng)參閱附錄 4）。 ? 轉(zhuǎn)子角度控制。它與轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性有關(guān)，即同步發(fā)電機(jī)在受到干擾后保持同步的能力，即保持機(jī)械扭矩和電磁扭矩之間平衡的能力。擾動(dòng)可能會(huì)使轉(zhuǎn)子速度加快或減慢，因此同一電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組的不同速度會(huì)影響其角度位置并可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。 然而，電網(wǎng)穩(wěn)定性正受到下述脫碳過(guò)程的影響：該脫碳過(guò)程包括用可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能和儲(chǔ)能）取代傳統(tǒng)的大型發(fā)電機(jī)，這些發(fā)電機(jī)基于由電子控制設(shè)備（功率轉(zhuǎn)換器）組成的低功率的分散式單元。大型發(fā)電機(jī)組的逐步被替代正成為輸電運(yùn)營(yíng)商面臨的越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，盡管有了這些新參與者的進(jìn)入，輸電運(yùn)營(yíng)商仍必須確保電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)保持對(duì)最終用戶(hù)沒(méi)有影響。因此，輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商被迫對(duì)這些新能源施加新的特性和功能，以確保適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)可操作性，并創(chuàng)造了智能電網(wǎng)、構(gòu)網(wǎng)或黑啟動(dòng)等新術(shù)語(yǔ)。 在此背景下，歌美颯電氣開(kāi)發(fā)了廣泛的光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足最苛刻的要求。Proteus 系列功率轉(zhuǎn)換器在公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用中提供最佳的產(chǎn)品性能，并包含系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商強(qiáng)烈要求的所有新的高級(jí)功能。 基于電力電子轉(zhuǎn)換器的新能源來(lái)取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)正在導(dǎo)致頻率控制調(diào)節(jié)期間電網(wǎng)行為的變化。電力電子轉(zhuǎn)換器與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比具有完全不同的行為；一方面，它們的響應(yīng)時(shí)間尺度非常短，另一方面，由于沒(méi)有大體積的旋轉(zhuǎn)軸，它們不會(huì)對(duì)頻率變化產(chǎn)生系統(tǒng)阻尼影響。慣量的降低會(huì)影響電網(wǎng)控制，在最壞的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商正在加強(qiáng)電力電子轉(zhuǎn)換器對(duì)電網(wǎng)的支持能力，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。 從電網(wǎng)的角度來(lái)看，功率轉(zhuǎn)換器根據(jù)其與電網(wǎng)的交互方式可以工作在兩種工作模式下：跟網(wǎng)（傳統(tǒng)并網(wǎng)）模式和構(gòu)網(wǎng)模式，其中變流器能夠在需要時(shí)構(gòu)建電網(wǎng)。在這些模式下，設(shè)備能夠提供電網(wǎng)支持所需的多種功能（也稱(chēng)為輔助服務(wù)）。 在電網(wǎng)饋電模式（也稱(chēng)為電網(wǎng)跟隨）中，功率轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電流源，電網(wǎng)設(shè)定電壓，逆變器控制系統(tǒng)與所述電壓同步。通過(guò)控制輸出的有功功率和無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率或電壓調(diào)節(jié)等功能。 在BESS（電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）中，轉(zhuǎn)換器控制根據(jù)有功功率和無(wú)功功率（由發(fā)電廠控制器發(fā)送）以及電池狀態(tài)（由BMS - 電池管理系統(tǒng)發(fā)送）荷電狀態(tài)(SOC) 和電池健康狀態(tài)(SOH)的要求計(jì)算出電流基準(zhǔn)與調(diào)整信號(hào)； 然而，可再生能源的大規(guī)模滲透正在導(dǎo)致電網(wǎng)慣量能力顯著下降，使得電網(wǎng)對(duì)功率突變更加敏感。在此框架中，構(gòu)網(wǎng)模式比跟網(wǎng)模式更進(jìn)一步，并且允許模擬同步發(fā)電機(jī)的行為。 在構(gòu)網(wǎng)模式下，轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓源（它可以自行構(gòu)建電網(wǎng)），能夠根據(jù)外部設(shè)定點(diǎn)修改其操作。因此，跟網(wǎng)模式下可用的所有功能也可以在這里使用。所使用的控制策略稱(chēng)為虛擬同步機(jī)（VSM），其中逆變器控制能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的行為。 功率轉(zhuǎn)換器接收2組設(shè)定點(diǎn)；一方面，需要?jiǎng)?chuàng)建電網(wǎng)電壓的必要參數(shù)（電壓幅值—Vac—、頻率 —f— 和相位角 —θ—），另一方面，根據(jù)電網(wǎng)需求需提供功率參考（有功功率 — P— 和無(wú)功功率 —Q—）（與跟網(wǎng)轉(zhuǎn)換器類(lèi)似）。此外，正如稍后將解釋的，該系統(tǒng)具有模擬同步電機(jī)行為的可能性，因此能夠在電壓中斷的情況下給電網(wǎng)提供必要的支持。 下表總結(jié)了每種操作模式下轉(zhuǎn)換器可用的功能（在以下部分中進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明）。 Proteus PCS 默認(rèn)包含的輔助服務(wù)有： PCS 發(fā)出無(wú)功功率，以便將交流電壓控制在所需值。該控制可以在兩個(gè)不同的點(diǎn)執(zhí)行： ? 在 PCS 端子（低壓側(cè)），PCS 具有 Q-V 曲線（由電網(wǎng)規(guī)范定義），該曲線在硬件內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)（在參數(shù)集中預(yù)定義）。 ? 在發(fā)電廠POI，由發(fā)電廠控制器 (Orchestra) 進(jìn)行必要的無(wú)功功率計(jì)算，并由 PCS 接受設(shè)定值。 與電壓調(diào)節(jié)相同，可以調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器端子或電網(wǎng)連接點(diǎn) (POI) 的功率因數(shù)或無(wú)功功率。這可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)： ?功率因數(shù)與有功功率下垂（PF-P 下垂）：該曲線通常由電網(wǎng)規(guī)范定義。它接收測(cè)得的有功功率作為輸入，并生成功率因數(shù)設(shè)定點(diǎn)作為輸出，然后將其轉(zhuǎn)換為無(wú)功功率設(shè)定點(diǎn)。 ?功率因數(shù)控制：將通信接收到的功率因數(shù)設(shè)定值直接轉(zhuǎn)換為無(wú)功功率設(shè)定值。 PCS 可以根據(jù)預(yù)定義的最大爬坡（由電網(wǎng)規(guī)范定義）修改有功功率和無(wú)功功率，即有功功率和無(wú)功功率變化速度的限制。 圖 6 設(shè)定點(diǎn)從額定功率 0% 到 100% 的爬坡率示例 這是確保電網(wǎng)穩(wěn)定性所需的最基本功能。電網(wǎng)規(guī)范通過(guò)有功功率隨頻率值變化的曲線來(lái)定義系統(tǒng)響應(yīng)。響應(yīng)必須足夠快，這就是為什么通常在逆變器級(jí)別請(qǐng)求這類(lèi)響應(yīng)以避免通信延遲。歌美颯 Orchestra 電站控制器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其響應(yīng)時(shí)間短，使其能夠執(zhí)行 場(chǎng)站級(jí)別FFR 功能，而不是在逆變器級(jí)別執(zhí)行。 快速頻率響應(yīng)可分為 2 個(gè)階段： ?合成慣量(SI)。這是能夠最快提供電網(wǎng)支持的階段，如前幾節(jié)所述，由于同步發(fā)電機(jī)組的被逐步替換，電網(wǎng)的相關(guān)性能發(fā)生了變化。這些發(fā)電機(jī)組由于其固有的機(jī)械慣量，在頻率突然變化時(shí)將遏制系統(tǒng)的不平衡。因此，合成慣量算法（也稱(chēng)為虛擬慣量）旨在通過(guò)有功功率的變化響應(yīng)頻率變化率 (ROCOF) 來(lái)模擬這些同步發(fā)電機(jī)組的行為。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人員設(shè)置最大允許 ROCOF，高于該值時(shí)功率轉(zhuǎn)換器需關(guān)閉。 圖 7過(guò)頻和欠頻事件的 ROCOF 限值曲線 ?一次頻率響應(yīng) (PFR) 或頻率下垂。PCS 響應(yīng)可以根據(jù)轉(zhuǎn)換器的頻率測(cè)量自動(dòng)激活，也可以根據(jù)電站控制器發(fā)送的外部設(shè)定值做出反應(yīng)。該反應(yīng)由 P-f 下垂曲線定義。此外，電網(wǎng)規(guī)范還限制了系統(tǒng)在過(guò)頻和欠頻條件下運(yùn)行的時(shí)間：如果一定時(shí)間后系統(tǒng)仍未恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)頻率，則系統(tǒng)必須關(guān)閉。P-f 下垂曲線可以配置為不同的點(diǎn)和不同的斜率水平（參見(jiàn)下圖），從而可以完美適應(yīng)任何要求。 圖 8 P-f 下垂曲線特征（上）。電網(wǎng)規(guī)范要求示例（下） 此功能與功率轉(zhuǎn)換器在電壓擾動(dòng)時(shí)保持與電網(wǎng)的連接的能力有關(guān)。電網(wǎng)規(guī)范定義了任何并網(wǎng)設(shè)備必須耐受的電壓-時(shí)間曲線。具體可以區(qū)分為兩種情況： ? HVRT（高電壓穿越）是設(shè)備在電網(wǎng)瞬態(tài)電壓驟升期間保持連接的能力，因此在電網(wǎng)規(guī)范定義的電壓-時(shí)間曲線以下不允許斷開(kāi)連接。高于此曲線，設(shè)備不需要保持連接狀態(tài)。 ? LVRT（低電壓穿越）是設(shè)備在電網(wǎng)瞬態(tài)電壓驟降期間保持連接的能力。與前一種情況一樣，斷開(kāi)限制由電壓-時(shí)間曲線界定。 歌美颯Proteus PV 和 PCS 能夠承受降至額定電壓 0% 的電壓跌落 1 秒。 圖 9 Proteus PCS 和 PV 的最大 HVRT 和 LVRT 曲線 干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個(gè)其他問(wèn)題是由于負(fù)載和大型發(fā)電機(jī)組之間存在長(zhǎng)輸電線路而導(dǎo)致的低頻區(qū)域的功率振蕩。傳輸?shù)墓β试蕉嗲疫B接越弱，振蕩越明顯。此外，基于逆變器的可再生能源的接入增加了功率的突然變化，并降低了系統(tǒng)慣量和短路水平，這也導(dǎo)致了這些系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象的增加。最終結(jié)果是線路上的功率出現(xiàn)低頻振蕩，典型頻率范圍在 0.1 Hz 至 2.5 Hz 之間，這對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生了潛在的負(fù)面影響。（小劉：更多實(shí)際案例見(jiàn)：Real-World Subsynchronous Oscillation Events in Power Grids with High Penetrations of Inverter-Based Resources https://ieeexplore.ieee.org/document/9740416） 在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，振蕩緩解（阻尼控制）是通過(guò)轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性來(lái)管理的，即同步發(fā)電機(jī)組在受到干擾后保持機(jī)械和電磁扭矩的能力。包括發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器可以修改轉(zhuǎn)子電氣扭矩并抑制振蕩效應(yīng)。 對(duì)于功率轉(zhuǎn)換器，通過(guò)根據(jù)電網(wǎng)變化調(diào)整輸出功率的閉環(huán)控制策略來(lái)減輕振蕩。該控制影響有功功率和無(wú)功功率，并在電站控制器級(jí)別執(zhí)行。控制性能可以根據(jù)每個(gè)具體安裝的條件進(jìn)行調(diào)整。 圖 10 使用不同調(diào)節(jié)參數(shù)的 POD 控制仿真結(jié)果 本白皮書(shū)將構(gòu)網(wǎng)模式的不同功能變化視為高級(jí)功能，根據(jù)具體操作，構(gòu)網(wǎng)模式可分為 2 類(lèi)高級(jí)功能；離網(wǎng)模式（又稱(chēng)孤島運(yùn)行）和并網(wǎng)模式（又稱(chēng)并聯(lián)運(yùn)行）。 目前的模式要求PCS能夠在停電后啟動(dòng)，這意味著必須具備無(wú)電網(wǎng)供電啟動(dòng)能力，即黑啟動(dòng)選項(xiàng)是必要的。 設(shè)備根據(jù)輸入的電壓幅值、頻率、相位參數(shù)生成電壓。有功功率和無(wú)功功率由負(fù)載需求決定，只要不超過(guò)最大的變流器容量，即可確保供電，超過(guò)在容量限制的情況下，系統(tǒng)將關(guān)閉。另一方面，一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)，由于電站控制器（Orchestra）進(jìn)行相位設(shè)定點(diǎn)調(diào)整，系統(tǒng)能夠?qū)l(fā)電電壓與市電同步，以避免重新連接電網(wǎng)期間出現(xiàn)任何短路。 Gamesa Electric Proteus 和 Orchestra 如何處理孤島電網(wǎng)中的突發(fā)事件 （詳見(jiàn)附錄1） 該測(cè)試包括當(dāng)所有同步發(fā)電跳閘時(shí)，由 BESS 控制的孤島電網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)穩(wěn)定性 1. 燃?xì)廨啓C(jī)提供負(fù)載的總功率需求（30 MW），而 Proteus PCS 工作在并網(wǎng)模式（并聯(lián)運(yùn)行），無(wú)需注入有功功率。 2. 燃?xì)廨啓C(jī)跳閘（發(fā)電全部喪失）。 3. Proteus PCS 裝置調(diào)節(jié)電壓和頻率，恢復(fù)供電。 下圖顯示了意外情況發(fā)生后的系統(tǒng)響應(yīng)： ? 電源變化。燃?xì)廨啓C(jī)功率下降（紅線）后，負(fù)載功率（綠線）通過(guò) Proteus PCS（藍(lán)線）快速恢復(fù)。 ? 電壓和頻率變化。電網(wǎng)由 BESS 作為構(gòu)網(wǎng)（并聯(lián)運(yùn)行）進(jìn)行恢復(fù)和控制。微電網(wǎng)可以在等待燃?xì)廨啓C(jī)或任何其他同步發(fā)電機(jī)從故障中恢復(fù)的同時(shí)維持很長(zhǎng)一段時(shí)間。 說(shuō)明(構(gòu)網(wǎng)和黑啟動(dòng)操作示例見(jiàn)附錄2) 黑啟動(dòng)是功率轉(zhuǎn)換器在停電期間（即沒(méi)有電網(wǎng)電壓）開(kāi)始運(yùn)行的能力。這一特征與構(gòu)網(wǎng)的孤島模式有著密切的聯(lián)系，因?yàn)樗闹饕康氖峭ㄟ^(guò)建立電網(wǎng)來(lái)恢復(fù)停電期間電力系統(tǒng)的運(yùn)行。 對(duì)于黑啟動(dòng)操作，必須提供安全的電壓源來(lái)為允許轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)的最小輔助系統(tǒng)（電源、冷卻系統(tǒng)……）供電。該外部電源可以是來(lái)自變電站的電源線（UPS 或外部電源）。 一旦黑啟動(dòng)成功，系統(tǒng)將運(yùn)行在構(gòu)網(wǎng)模式，并且連接到同一電網(wǎng)的其他變流器可以開(kāi)始跟網(wǎng)運(yùn)行。 并網(wǎng)模式 – 并聯(lián)運(yùn)行 并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生交流電壓，但與電網(wǎng)電壓同步，是其主要作用目的是充當(dāng)電壓備份并有助于電網(wǎng)穩(wěn)定，因此在停電的情況下電站仍能保持連接。 歌美颯Proteus PCS 在頻率意外情況下如何在并網(wǎng)模式下工作 1. 燃?xì)廨啓C(jī)提供負(fù)載的總功率需求（100 MW），而 PCS 工作在并網(wǎng)模式（并聯(lián)運(yùn)行），無(wú)需注入有功功率。 2. 一臺(tái) 35 MVA 燃?xì)廨啓C(jī)跳閘（部分發(fā)電損失）。 3. PCS 在兩個(gè)單獨(dú)的模擬中考慮兩種配置來(lái)調(diào)節(jié)頻率：構(gòu)網(wǎng)的并網(wǎng)模式和事件發(fā)生時(shí)具有快速頻率響應(yīng)(FFR) 功能的跟網(wǎng)模式。 測(cè)試 1：采用 FFR 的跟網(wǎng)模式與采用 FFR的構(gòu)網(wǎng)模式 構(gòu)網(wǎng)功率響應(yīng)操作輸出更大且更快，因?yàn)椴捎?VSM 的系統(tǒng)具有更大的慣性和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于 P-f 下垂而注入的功率之外，由于 VSM 固有虛擬慣量的貢獻(xiàn)，還增加了有功功率的另外一個(gè)非常快速的功率增量。 圖 13 案例 1：測(cè)試 1 中 POI 處的頻率瞬變 測(cè)試 2. 使用 FFR 的跟網(wǎng) 與 不使用 FFR 的構(gòu)網(wǎng)模式 盡管在構(gòu)網(wǎng)中禁用了 FFR 的 P-f 下垂，但 Proteus PCS 作為 VSM 運(yùn)行時(shí)的頻率偏移仍然小于 Proteus PCS 在跟網(wǎng)模式下運(yùn)行時(shí)的頻率偏移。頻率意外事件仍得到更大程度、更快的抑制。 圖 14. 案例 2：測(cè)試 2 中 POI 處的頻率瞬變 附件1：構(gòu)網(wǎng)的模擬結(jié)果 為了評(píng)估構(gòu)網(wǎng)控制算法的性能和穩(wěn)定性，進(jìn)行了多次仿真。下面顯示了 Proteus PCS 和 Orchestra 與負(fù)載和燃?xì)廨啓C(jī)（同步發(fā)電機(jī)）在同一電網(wǎng)中共存的兩種不同情況。 該測(cè)試包括演示當(dāng)所有同步發(fā)電跳閘時(shí)，由 BESS 控制的孤島電網(wǎng)作為構(gòu)網(wǎng)的穩(wěn)定性。仿真電氣方案及元件清單如下： 在正常情況下，燃?xì)廨啓C(jī)為負(fù)載提供必要的電力，而PCS則作為構(gòu)網(wǎng)，并在緊急情況下提供必要的支持。 案例 2：構(gòu)網(wǎng)與跟網(wǎng)的比較 該測(cè)試包括比較在頻率意外情況下工作在構(gòu)網(wǎng)（并網(wǎng)模式）下的 PCS 與工作在跟網(wǎng)模式下的 PCS 獲得的不同頻率響應(yīng)。電氣方案及元件清單如下： 燃?xì)廨啓C(jī)在正常情況下為負(fù)載提供必要的電力，而 PCS 將在緊急情況下提供頻率支持。順序如下： 1. 燃?xì)廨啓C(jī)提供負(fù)載的總功率需求（100 MW），而 PCS 工作在構(gòu)網(wǎng)模式（并聯(lián)運(yùn)行），不注入有功功率。 2. 一臺(tái) 35 MVA 燃?xì)廨啓C(jī)跳閘（部分發(fā)電損失）。 3. PCS 調(diào)節(jié)頻率時(shí)考慮兩種配置；事件發(fā)生時(shí)，并行運(yùn)行中的構(gòu)網(wǎng)（VSM）和具有快速頻率響應(yīng)（FFR）功能的跟網(wǎng)。 測(cè)試 1. FFR 下垂的跟網(wǎng)與 FFR 下垂的構(gòu)網(wǎng) 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，BESS 的 FFR 功能與并網(wǎng)模式一起進(jìn)行測(cè)試。在這兩種情況（跟網(wǎng)和構(gòu)網(wǎng)）中，都有執(zhí)行相同F(xiàn)FR的下垂控制；在構(gòu)網(wǎng)的情況下，發(fā)電機(jī)斷開(kāi)會(huì)導(dǎo)致頻率下降，BESS 必須將頻率下降降至最低，BESS 提供有功功率來(lái)補(bǔ)償功率不足。 具有構(gòu)網(wǎng)的 BESS 的系統(tǒng)功率響應(yīng)更大更快，因?yàn)榇祟?lèi)系統(tǒng)具有更大的慣量和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于電壓下降而注入的功率之外，由于工作在并網(wǎng)模式下的 PCS 的貢獻(xiàn)，還增加了有功功率的另一個(gè)非?？焖俚脑黾?。這種虛擬慣量貢獻(xiàn)意味著，與在跟網(wǎng)模式下運(yùn)行的 BESS 相比，在構(gòu)網(wǎng)模式下運(yùn)行的 BESS 的情況下，ROCOF 不會(huì)那么突然。 另一方面，燃?xì)鈾C(jī)控制命令發(fā)電機(jī)增加其扭矩。這種控制速度要慢得多，并且無(wú)法恢復(fù) 100% 的頻率，因?yàn)槿肟陂y的開(kāi)度受到物理限制。 圖17.案例2：測(cè)試1中POI處的頻率瞬態(tài) 圖18 案例2：測(cè)試1中發(fā)電機(jī)和BESS的功率瞬態(tài) 測(cè)試 2. 無(wú)FFR下垂的跟網(wǎng) 與 有FFR下垂的構(gòu)網(wǎng) 將具有構(gòu)網(wǎng)操作模式的 BESS 的操作與跟網(wǎng)操作模式的 BESS 進(jìn)行比較，但只有具有跟網(wǎng)的 BESS 具有 FFR P-f 下垂功能，具有構(gòu)網(wǎng)的 BESS 僅具有其固有的響應(yīng)行為。 盡管去掉了 FFR P-f下垂，在構(gòu)網(wǎng)模式下運(yùn)行的 Proteus PCS 的頻率偏移仍然小于在跟網(wǎng)模式下運(yùn)行的 Proteus PCS。頻率意外事件仍然獲得更多且更快的阻尼。 圖19.案例2：測(cè)試2中POI處的頻率瞬態(tài) 圖 20. 案例 2：測(cè)試 2 中發(fā)電機(jī)和 BESS 的 POI 處的功率瞬變 附錄 2：構(gòu)網(wǎng)和黑啟動(dòng)操作示例 本附錄顯示了黑啟動(dòng)和構(gòu)網(wǎng)功能如何工作的示例。它被認(rèn)為是由Proteus光伏逆變器、BESS以及需要有功和無(wú)功功率的負(fù)載組成的并網(wǎng)系統(tǒng)。BESS 具有黑啟動(dòng)和構(gòu)網(wǎng)功能，由連接到電池組的單個(gè) Proteus PCS 表示，盡管該示例對(duì)于并行運(yùn)行的多個(gè)單元同樣有效。 下面介紹停電后的系統(tǒng)恢復(fù)順序。啟動(dòng)條件考慮停電后Proteus光伏逆變器與BESS的初始斷開(kāi)。 1停電，當(dāng)上位控制器檢測(cè)到停電時(shí)，命令主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；發(fā)電廠產(chǎn)生的任何電壓都不會(huì)影響上游組件（安全問(wèn)題）。默認(rèn)情況下，所有功率轉(zhuǎn)換器（PV 和 BESS）停止運(yùn)行。 2 黑啟動(dòng)?？刂破鞲鶕?jù)電壓設(shè)定點(diǎn)向Proteus PCS發(fā)送命令啟用黑啟動(dòng)操作；幅值(Vac) 和頻率 (f)。PCS 施加合適的電壓爬坡，以避免變壓器涌流引起的電流峰值。 3 構(gòu)網(wǎng)（電網(wǎng)建立）。上位控制器向Proteus光伏逆變器發(fā)送啟動(dòng)命令，使其工作在跟網(wǎng)模式，接收根據(jù)負(fù)載需求計(jì)算出的有功和無(wú)功功率設(shè)定點(diǎn)。Proteus PCS 在孤島模式下工作，充當(dāng)電網(wǎng)構(gòu)建者，此外它還能夠以與光伏逆變器類(lèi)似的方式提供有功和無(wú)功功率 一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)（主開(kāi)關(guān)仍然打開(kāi)），控制器調(diào)整Proteus PCS設(shè)定點(diǎn)；幅值（Vac）、頻率（f）和相位（θ），以使PCS產(chǎn)生的交流電壓與電網(wǎng)同步。 當(dāng)電網(wǎng)電壓與Proteus PCS產(chǎn)生的電壓匹配時(shí)（不存在短路的可能性），高層控制器閉合主開(kāi)關(guān)。PCS 現(xiàn)在并列運(yùn)行；它在存在電網(wǎng)電壓的情況下產(chǎn)生交流電壓。同時(shí)，Proteus PV 逆變器和 PCS 繼續(xù)從控制器接收功率設(shè)定值。 同步發(fā)電機(jī)（也稱(chēng)為交流發(fā)電機(jī)）利用磁感應(yīng)原理發(fā)電；由于線圈穿過(guò)由旋轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)子）產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因此在線圈（定子）中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。在定子處添加不同的線圈可以產(chǎn)生不同相位（單相、兩相或三相）的波形。 同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生與其速度同步的頻率的交流電，其中轉(zhuǎn)子機(jī)械速度和頻率之間存在根據(jù)以下關(guān)系的直接關(guān)系： 圖 21 單相和兩相發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化表達(dá) 對(duì)于并網(wǎng)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速由電頻率調(diào)節(jié)，例如 2 極交流發(fā)電機(jī)在 50 Hz 電網(wǎng)（歐洲）上以 3000 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)，在 60 Hz 電網(wǎng)（北美）上以 3600 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)。 在同步發(fā)電機(jī)中，產(chǎn)生的功率取決于轉(zhuǎn)子機(jī)械速度，并隨著負(fù)載需求的增加而減小，該關(guān)系由發(fā)電機(jī)下垂特性曲線定義，如下所示。 由于機(jī)械速度和頻率之間存在直接關(guān)系，因此下垂特性曲線也可以擴(kuò)展到頻率。頻率（或速度）變化的百分比除以功率輸出變化的百分比。 然而，在實(shí)際情況下，電網(wǎng)頻率不是一個(gè)固定值，并且會(huì)根據(jù)負(fù)載波動(dòng)而略有變化，這些變化通常在很小的范圍內(nèi)變化，通常小于0.5 Hz（對(duì)于50 Hz電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化約為+30 rpm），以避免電網(wǎng)不穩(wěn)定。在這里，同步發(fā)電機(jī)組在控制電網(wǎng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著非常重要的作用；它們負(fù)責(zé)通過(guò)修改功率來(lái)響應(yīng)這些變化，以便將頻率恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)值。 必須進(jìn)行頻率控制以確保穩(wěn)定的電網(wǎng)，標(biāo)稱(chēng)值的較大變化可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載故障或損失增加，特別是如果負(fù)載包括專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于在精確頻率下運(yùn)行的電機(jī)（泵、風(fēng)扇、變壓器……）。 只要發(fā)電和負(fù)載需求（發(fā)電-消耗）之間存在平衡，電網(wǎng)頻率就受到控制，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組軸轉(zhuǎn)速是機(jī)械扭矩和定子線圈中產(chǎn)生的相反電氣扭矩平衡的結(jié)果，如果電力負(fù)載減少，電氣扭矩將低于機(jī)械扭矩，轉(zhuǎn)速增加，同理，如果負(fù)載需求增加軸速度減少，有3種可能的情況： 平衡; 當(dāng)產(chǎn)生的功率等于負(fù)載消耗的功率（扣除損耗）時(shí)，頻率保持在標(biāo)稱(chēng)值。 過(guò)發(fā)：當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)荷需求時(shí)，電網(wǎng)頻率增加（過(guò)頻）。 欠發(fā)：當(dāng)發(fā)電量低于負(fù)載需求時(shí)，頻率降低（欠頻） 基于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)器的發(fā)電必須根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化來(lái)調(diào)整其輸出功率（軸轉(zhuǎn)速）。但軸轉(zhuǎn)速的任何變化都不是瞬時(shí)的，巨大的軸具有機(jī)械慣量，可以抑制任何速度變化（幾噸質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的慣量）。 圖 23. 同步發(fā)電機(jī)組中的頻率控制（上）。西門(mén)子燃?xì)廨啓C(jī)SST-900轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)速為 3000 rpm 時(shí)功率高達(dá) 250 MW（下） 由于電網(wǎng)頻率與有功功率相關(guān)，發(fā)電機(jī)需要一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率；一方面，系統(tǒng)直接作用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣閥并調(diào)節(jié)燃料流量（燃料流量可能根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)類(lèi)型而不同；水力發(fā)電廠調(diào)節(jié)水流量，燃?xì)獍l(fā)電廠調(diào)節(jié)氣體輸入等等），其次，TSO 監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)并計(jì)算每種情況下的設(shè)定點(diǎn)，這種閉環(huán)控制可以根據(jù)不斷變化的電網(wǎng)條件來(lái)管理發(fā)電（以及頻率）。 另一個(gè)需要考慮的因素是響應(yīng)速度，因?yàn)椴煌陌l(fā)電機(jī)將以不同的速度響應(yīng)；例如，燃煤電廠的反應(yīng)速度比水電廠慢，任何穩(wěn)定的電網(wǎng)都會(huì)結(jié)合多種電源，以滿(mǎn)足任何可能情況的需求。 由于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)，負(fù)荷需求不斷變化，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須進(jìn)行頻率調(diào)整以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。此外，正如上一節(jié)所述，由于系統(tǒng)中存在大量發(fā)電機(jī)組，其機(jī)械慣量提供了頻率變化率的遏制（慣量響應(yīng)），因此頻率的任何變化都不是瞬時(shí)的。測(cè)量這種慣量（發(fā)電和負(fù)載之間不平衡后的頻率變化）的量稱(chēng)為 ROCOF（頻率變化率），計(jì)算為以下導(dǎo)數(shù)： 頻率相對(duì)于時(shí)間的頻率 (df/dt)。 ROCOF 值過(guò)大可能會(huì)因機(jī)械原因?qū)е码娋W(wǎng)不穩(wěn)定。由于運(yùn)行發(fā)電機(jī)的機(jī)械限制，較大的 ROCOF 值可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定；如果他們無(wú)法控制頻率變化速度，則可能會(huì)觸發(fā)某些保護(hù)。 在第二階段，根據(jù)時(shí)間尺度（即系統(tǒng)提供響應(yīng)所需的時(shí)間）對(duì)頻率調(diào)整進(jìn)行分類(lèi)；一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。（在下面的分類(lèi)中所考慮的時(shí)間響應(yīng)可能會(huì)根據(jù)作者的不同而改變）（擴(kuò)展閱讀：電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的基礎(chǔ)知識(shí)整理） 圖 24. 頻率控制時(shí)間線（時(shí)間僅供參考） 它是速度最快的一種，運(yùn)行時(shí)間范圍為 2 至 30 秒，以補(bǔ)償發(fā)電-消耗不平衡（P發(fā)電= P消耗），本地控制自主地直接作用于燃?xì)廨啓C(jī)入口（見(jiàn)圖 27），響應(yīng)時(shí)間由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸機(jī)械慣量及其初始速度決定。 圖25 無(wú)一次調(diào)頻控制和含一次調(diào)頻控制的系統(tǒng)頻率變化 舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)一臺(tái)發(fā)電機(jī)在 A 點(diǎn)運(yùn)行，其統(tǒng)計(jì)特性曲線如下圖所示（功率和頻率由 PA 和 fA 定義）；當(dāng)負(fù)荷需求上升（即欠發(fā)電狀態(tài)）后，由于發(fā)電與用電不平衡（從 fA 到 fB），頻率降低，因此為了恢復(fù)平衡，控制根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征增加發(fā)電機(jī)功率（從 PA 到 PB）。 圖26.單臺(tái)發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻響應(yīng) 一次調(diào)頻控制可應(yīng)用于單個(gè)機(jī)組或一小組發(fā)電機(jī)組（下圖中的發(fā)電機(jī) 1 和 2）。這里，每個(gè)機(jī)組將根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征（ΔP1和ΔP2）修改轉(zhuǎn)速，提供新的輸出功率，同樣每個(gè)單元的功率瞬態(tài)（過(guò)沖）也取決于其軸慣量。 圖27 具有不同統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng) 它的運(yùn)行時(shí)間為 30 秒到 10 分鐘。負(fù)載需求發(fā)生變化后，第一秒自動(dòng)調(diào)整頻率（一次調(diào)頻），然后二次調(diào)頻投入運(yùn)行，通過(guò)修改系統(tǒng)發(fā)電功率將頻率恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)值。該控制由 TSO 執(zhí)行，TSO 還平衡不同發(fā)電機(jī)組之間的功率，以避免可能的過(guò)載。 TSO 通過(guò)作用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣閥（蒸汽、水、燃?xì)狻﹣?lái)修改每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率設(shè)定點(diǎn)，直到頻率 (fA) 恢復(fù)，這相當(dāng)于移動(dòng)發(fā)電機(jī)下垂特性曲線（從下圖中的 B 移動(dòng)到 C）。 圖28：負(fù)載需求變化標(biāo)稱(chēng)頻率的完全恢復(fù)；一次和二次調(diào)頻的組合 這類(lèi)控制不能應(yīng)用于單獨(dú)機(jī)組，否則發(fā)電機(jī)組間將出現(xiàn)頻率調(diào)整操作沖突，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。這就需要通過(guò)TSO 負(fù)責(zé)集中的頻率測(cè)量、進(jìn)行必要的計(jì)算并將功率設(shè)定點(diǎn)發(fā)送到所有運(yùn)行涉及的發(fā)電機(jī)組，該控制回路稱(chēng)為 AGC - 自動(dòng)發(fā)電控制。 它從 10 分鐘開(kāi)始運(yùn)行。目的是包括確保未來(lái)頻率控制所需的系統(tǒng)能量備用。因?yàn)閮H當(dāng)系統(tǒng)中有足夠的能量備用時(shí)，二次調(diào)頻才能生效，TSO（通過(guò)AGC信號(hào)）調(diào)整不同發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行程序，以滿(mǎn)足未來(lái)的需求并優(yōu)化發(fā)電成本。
