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1，叶一达1，郭莉2,3，谢珍建2,3，刘国静2,3，乔颖11. 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、控制器高度异构，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；有功平衡中图分类号 TM761 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019031210 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[1]。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[2]。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、太阳能发电装机容量占比预计分别达到33.75和37.97[3]。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；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。第 52 卷 第 4 期中国电力Vol. 52, No. 42019 年 4 月ELECTRIC POWER Apr. 20198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（under frequencyload shedding，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kW[14]，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，当云南电网失去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。1 电力电子接口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f被定义为周期信号在1 s内所重复的次数，可表示为f 1T（1）式中T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。f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f 12 dφtdt（2）φt式中为正弦信号相角。∆PG ∆fG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。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φ，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。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9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f N∑i1Ji fiN∑i1JiN∑i1Ji i2 N∑i1Ji（3）f Ji i式中为系统频率；，分别为第i台发电机组转子惯量、转速；N为发电机台数。∆P-∆ f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（）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。该基波频率有两种决定方式一种是靠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。上述特性与交流同步系统显著不同。1.3 对同步系统的调频框架的挑战1.3.1 单机调整对比以单台同步发电机组为例，在机端负荷突然增大时，依次进行如下调整。（1）惯性响应电流增加，转子因电磁输出功率大于机械输入功率而减速；（2）一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 min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 pointtracking，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2Hddt Tm Te DG（4）式中H为惯性时间常数；ω为转子转速；Tm和Te分别为输入机械转矩和输出电磁转矩；DG为阻尼系数。若考虑调速器，阻尼计入一次调频调差系数。理论上，在多机系统中，受负荷电压频率调节效应影响，同样大小的有功冲击如出现在不同地点将引起不同的系统稳态频降，各发电机内电势频率动态也不可能完全一致。多年运行实践表明，尽管存在单一机组的分析偏差，但采用单机等值模型分析强联系同步系统的频率稳态值和动态过程是可以接受的。究其原因，这很大程度上因为在较慢的时间尺度上，同步系统阻尼较为均匀（即同步机Di/Hi大致相等）。图1给出了不同种类和容量的同步机组的H对比，可以看出，各种类型的同步机组，尤其是大型机组的参数趋同。因此，虽然机组间转子功角相对惯性中心摇摆，但所有同步机组达到稳态时间差异并不大。相对地，电力电子接口电源可以通过设计其控制器使其呈现虚拟惯性、虚拟阻尼，但参数选中国电力第 52 卷10择带有很大随意性，图2给出了文献[16-22]中采用的虚拟惯性系数Kin和虚拟一次调频系数Kf参数范围与同步机参数的对比情况（图中黑色色块代表同步发电机组，其他色块代表电力电子接口装置）。均匀阻尼假设给掌握电力系统频率动态提供了便利，只要通过最大频率偏差/变化率、一次调频静差等少量指标即可掌握整个过程。虚拟参数的分散性使得均匀阻尼假设难以满足，系统的频率动态将呈现多时间尺度复杂的动态过程。1.3.3 跨区调整对比在多区域交流互联同步系统中，任意区域内部的有功不平衡将引起整个互联系统频率偏差，一次调频静差最终由各区域所有参与一次频率调节机组的调差系数和系统负荷效应系数决定。经直流异步互联的多区域电网中，直流的频率隔离作用使得功率偏差只能由区域内部同步机组平衡。直流线路传输功率与频率无关，导致各机组无法感知区域外电网频率扰动事件，难以实现跨区域功率支援。综上所述，传统同步电力系统多时空尺度有功功率平衡方法及频率调节技术框架基于同步机组机电耦合特性、原动机输入能量可控性、动态近似等基本前提而建立，难以有效适用于接入大量具备机电解耦特性、输入能量不可控、动态各异的电力电子接口设备的未来场景。直流异步互联系统进一步打破了传统互联系统全网同步运行的基本假设。亟待基于电力电子接口装置“自定义”控制特性，重构电力电子化电力系统多时空尺度有功功率平衡及频率调节体系，使系统发电功率具备对净负荷变化的自适应能力。2 电力电子接口的“自定义”控制特性以全控型器件IGBT为基础的第三代电力电子接口，可以通过改变PWM脉冲列周期、脉宽来控制波形输出，具有优良控制性能。其中，伴随可再生能源的兴起及柔性直流输电的成熟，应用最为广泛、可控潜力最大的是电压源型换流器（voltage sourced converter，VSC）。本文后续章节所讨论的电力电子接口，如无特殊说明都指的是这类换流器。2.1 通用控制结构与可定制特性VSC的通用控制结构一般由量测/计算环节、附加环控制器、外环控制器、内电流环控制器及原动机组成，如图3所示。量测/计算环节负责量测电网侧电压（幅值和频率）、电流、输出有功功率及无功功率；内电流环控制器通过调节换流器上下桥臂的差模电压，改变注入电流值；外环控制器根据有功、无水电机组；汽轮机组；双轴汽轮机组；核电机组00510500 1 000额定容量/MVA惯性时间常数H/s1 500图 1 同步机组惯性时间常数（修改自文献[15]）Fig. 1 Inertia time constants of synchronousgenerators（modified from [15]）0 5 10 15 20 40 45 5025KfK in10, 2041.7, 7.146.6, 5025, 410, −1.5, − SG25, 2425, −Kf, Kin文献 [16]；文献 [18]；文献 [19]；文献 [20]；文献 [21]；文献 [22]文献 [17]；1020304050200图 2 电力电子接口虚拟惯性与一次调频系数Fig. 2 Virtual inertia and primary frequency regulationratio of power electronics interfacePWM内环控制器外环控制器icdqi* vcdqi* 量测及计算环节附加环控制器ioiωs, |V|P, QvoiRfijXfi CfiPi* fΔωsQi* f|Vi|ωi* fΔ Pi|Vi*| fΔ QiicdqivodqiP, QvodqiRsijXsivca icavgi图 3 VSC通用控制结构Fig. 3 Generalized control structure of VSC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11功或直流电压等参考值计算环控制器的输出电流参考值；附加环控制器给定外环控制器参考值。前几个环节必然有，而附加控制环是可选的[23-24]。在本文语境下，电力电子接口的自定义控制特性，有两层含义（1）等效电源特性。“等效”指电力电子接口电源频率可以跟随系统频率自主决定，而且与系统同步，相应等效为功率源、交流电压源和同步机。该特性主要由外环控制器策略决定。（2）频率响应特性。指其输出有功功率dP对并网点频率df的关系，有虚拟惯性、一次调频和功率增量等几种。无附加环时，频率特性响应由外环控制器决定；有附加环时，频率响应特性由附加环策略决定。2.2 外环控制模式与等效电源特性功率模式下，电力电子接口外环控制器参考值为机端输出有功功率及无功功率，为等效功率源，目前新能源机组、储能装置、VSC换流站广泛运行于该类模式。交流电压模式下[23-25]，电力电子接口外环控制器参考值为机端电压幅值和频率，可以进一步分为Vf模式和虚拟同步机（virtual synchronousgenerator，VSG）模式[26-29]等，分别为等效交流电压源和等效同步机。储能装置、降载模式的风光电源、连接弱交流系统的VSC换流站[25]可运行于该模式。此外，还有一种外环控制模式为直流电压模式，参考值为直流母线电压，仅用于柔性直流互联多端系统中。工作在直流电压模式的VSC换流站通常用以维持直流系统功率平衡[25]，从交流侧看也是功率源（或定功率负荷）。2.3 附加环控制策略与频率响应特性附加环控制经常被引入外环控制为功率模式下的电力电子接口，改善其输出对系统频率、电压支撑性能。提供虚拟惯量时，其输出功率增量值与系统频率变化率呈正比。输出功率特性为Pe Pe0Kindedt（5）式中Pe，Pe0，ωe分别为并网点输出电磁功率、基值和频率。提供虚拟一次调频特性时，输出功率增量值与系统频率偏差呈正比。输出功率特性为Pe Pe0Kf e eN（6）式中ωeN为同步转速。提供功率增量时，在发生频率事件时增加功率输出。增量值与频率大小无关，只起到减小不平衡功率作用，可能是定值，也可能是变量。输出功率特性为Pe Pe0∆Pe（7）2.4 输入功率的制约作用电力电子接口装置的输出特性完全由接口控制特性定制，与原动机没有直接关系，Kin，Kf等虚拟参数设置也不受物理特性制约，可灵活配置。但VSC控制策略的有效性源于连接桥臂的直流母线电压恒定，而该母线电压随电容上注入功率与输出功率差值变化。注入功率的能量来源有两类装置内部的储能元件可提供临时能量，但总量有限；原动机侧输入，持续可控原动机可提供长期能量。运行在MPPT模式的风电机组[30-31]频率调节能量只能来自转子动能，通常仅能提供数秒至几十秒的临时调节。但相较于同步机，风电机组转子的转速可以在很大范围内变化、释放更多动能，在调频的开始阶段大幅抵消不平衡功率。双馈风机的转子转速范围为0.71.2 p.u.，同步机组转子转速范围为0.951.05 p.u.。图4给出了可释放能量时间随具有不同初始转子转速同步机组和风电机组的变化情况。可以发现，较大容量的风电机组具有更大的可释放能量时间，其潜在的调频能力比同步机组更强。当风电机组及光伏组件工作在降载运行模式[36]时，可以提供长期能量，接口响应特性可不受输入侧限制。但会降低机组发电能力从而使经济性受损，因此所占比例不可能很大。0.715 3.6 MW3 MW650 kW1.5 MW75 MVA911 MVA火电机组;风电机组1050 0.8 0.9 1.0 1.1初始转子转速/p.u.可释放能量时间/s1.2图 4 风电机组和同步机组可释放能量的时间[32-35]Fig. 4 Time duration of releasable energy in windturbines and synchronous generators [32-35]中国电力第 52 卷12风电机组的降载运行可以通过超速控制或桨距角控制实现，如图5所示。当转子转速小于额定值时，风电机组将桨距角固定为零，并根据降载功率曲线调节转子转速；当转子转速超过额定阈值时，风电机组通过桨距角控制实现降载运行。2.5 定制方案组合综合考虑输入功率可控性与运行经济性，原动机与接口策略组合中，以下几种具有较大价值。（1）0型增量控制的功率型接口（如式（7））MPPT模式的风力机组。（2）I型虚拟惯性（如式（5））和一次调频（如式（6））的功率型接口MPPT模式的风力机组。（3）II型VSG降载风力机组/降载光伏/电池储能或接入无穷大直流网的柔直换流站。（4）III型交流电压源型接口储能/接入无穷大直流网的柔直换流站。0型和I型装置容量最大，但只能改善频率动态，不能减小系统净不平衡功率；II型最接近同步机组，但成本也最高；III型仅见于少（或无）同步机场合用以提供频率和电压，如海上风电等可再生能源孤岛接入。3 未来电力系统的有功调频体系框架展望通过“自定义”接口控制特性可以重建电力电子电源输出对系统频率偏差的响应关系。本节将讨论如何通过合理定位、协调电力电子接口装置来重建整个系统发电功率具备对净负荷变化的自适应能力，从而建立电力电子化电力系统多时空尺度有功功率平衡及频率调节体系。3.1 单一电力电子接口设备调频策略的机网协调当系统频率发生了Δf的降低后，工作在MPPT模式下的风电机组参与系统一次调频的过程可分为三个阶段，如图6所示。第一阶段由t0时刻开始到toff时刻结束，风电机组通过增加输出功率来参与系统频率调整，转子转速下降，释放动能。第二阶段从toff时刻开始，风电机组退出调频，输出的电磁功率PW突然变小，转速恢复、转子储存动能。系统中的不平衡功率增加，可能引起系统频率二次跌落[37-38]。第三阶段从tend时刻开始，风电机组还原MPPT模式运行，系统只能依靠常规同步机组调频，直至频率达到稳定。风电机组退出调频模式的时刻toff至关重要，如图7所示（图中KW1，KW2为虚拟惯性与调差系数）。退出太早则系统频率较低、有功缺额还较大；退出太迟则风电机组转子释放动能太多，恢复时所需吸收能量大，都可能造成二次频率跌落。3.2 多机多时间尺度协调由于同步发电机组参数的近似性，传统同步转速MPPT 曲线功率Aω2ω1P1P2 B降载曲线图 5 降载风电机组提供长期能量Fig. 5 Permanent energy provid by deloadingwind turbinestft0 toffΔfmaxΔfsttendsecΔfmaxdfdt图 6 风电机组参与一次调频过程中的频率变化曲线Fig. 6 Primary frequency regulation curve withwind turbine participation0 5 10 15 20 25 30 35 4050.00 toff10 s；toff12 s；toff15 s；toff20 sKW120KW250f/Hz49.9549.9049.8549.8049.7549.7049.65t/s 图 7 不同 toff下的频率仿真曲线Fig. 7 Frequency curves under various toff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13交流系统中多机动态趋同，调频框架设计时鲜有机组间配合问题，系统的多次调频尺度划分与单机一致。然而，电力电子接口电源的定制类型、参数存在很大差异，且低能量密度、海量机组的聚合性差，必须考虑多机协调问题。在未来很长一段时间内，频率信号仍旧是表征交流系统不平衡功率的主要物理量，同步机组（需要包括VSG）的转子运动方程仍然是决定频率动态的核心方程。电力电子接口多机调频的协调目标仍将是系统的频率指标，协调对象是不同定制策略功能定位、配比、参数配合等。考虑常见频率指标，频率变化率主要受总不平衡功率值和惯性影响，减少不平衡功率主要依靠0型、I型、II型接口电源，惯性主要来自I型、II型。最大频率变化率（通常是t0时刻的频率变化率）由系统初始惯性决定，只能来自II型。一次调频静差主要受调差系数和系统负荷频率响应系数影响。等值调差系数来自I型、II型。最大频率偏差则受到不平衡功率值、惯性、调差系数等参数的综合影响。综上，显然II型设备越多则系统频率控制性能越好。然而受成本约束只能保持一定比例，主要功能定位于长期频率恢复，而0型、I型设备则主要定位于改善频率动态，特别是受扰后初期频率动态。电力电子化电力系统频率调节可以划分更为细致的阶段初始惯性响应（initial inertial response，IIR）、等效惯性响应（secondary inertial response，SIR）、一次调频（primary frequency regulate，PFR）、频率二次跌落、一次调频恢复频率、二次调频（secondary frequency regulate，SFR）。文献[39]给出了详细划分，这里不再重复。表1总结了各类型电力电子接口装置多时间尺度频率调节能力。当大量运行模式、控制策略及运行状态不尽相同的电力电子接口装置共同参与系统频率调节时，系统频率呈现不同的动态响应行为。以低频事件为例，图8给出系统频率的3种典型动态响应特性。（1）电力电子接口装置不参与频率调节，系统动态响应特性与传统同步系统相同，可用一阶或二阶微分环节进行描述；（2）电力电子接口装置参与频率调节并改善系统频率响应特性，但系统整体响应特性无法用微分环节进行表征；（3）电力电子接口装置参与频率调节，由于控制策略或参数设置不当，可能恶化系统整体频率响应行为。图8中参数说明如下fN为系统频率额定值；fDB为频率调节死区；fUFLS为低频减载阈值；Δf1max为频率事件所对应的最大频率偏差，对应时刻为tN；Δf2max为频率二次跌落所对应的最大频率偏差，对应时刻为tSFD；t0为频率事件发生时刻；tDB为频率到达调节死区时间。理想情况下，当电力电子接口装置提供频率响应时，系统频率恢复速度更快，能够更快地进入稳态，如图8中红色实线所示。然而，提供临时能量备用的电力电子接口装置在频率响应后需要降功率运行以恢复自身运行状态，如果此时没有其他能量注入，系统会出现频率二次跌落问题，如图8中的红色虚线所示。由于此时系统等效惯量比第一次频率事件时更低，频率跌落速度更快，频率跌幅更大。为了降低频率二次跌落的严重性，通常可以平滑控制电力电子接口装置在恢复自身运行状态期间的降功率过程，或在此期间协调其他电力电子接口装置提供能量备用。3.3 直流互联的多同步电网间频率支援在柔性直流互联的多区域电力系统中，由于表 1 电力电子接口装置多时间尺度频率调节Table 1 Power Electronics Interface for multi-time-scalefrequency regulation接口装置类型频率响应策略IIR SIR PFR SFR0型或I型虚拟惯性 √ 虚拟一次调频 √ 增量控制 √ II型虚拟惯性一次调频组合 √ √ √II型或III型VF或VSG等√ √ √ √fNfDBfUFLSf一次频率调节二次频率调节Δf2maxΔf1maxt0 tSFDIIR电力电子接口装置不参与频率调节SIRt电力电子接口装置参与频率调节SFD电力电子接口装置参与频率调节无SFDtDBΔf2maxtN图 8 电力电子化电力系统多时间尺度频率调节Fig. 8 Multi-time-scale frequency regulation of powerelectronics dominated power system中国电力第 52 卷14直流输电系统替代了本地同步机组调频容量及转动惯量，跨区域频率调节对维持多端互联各交流系统频率稳定至关重要。在该系统中，如何设计VSC换流站控制策略，实现跨区域传递频率调节信号，使得机组仅根据本地信息即可对跨区域频率事件进行响应。其基本思想如图9所示。图9中，VSC换流站1通过Udc-ωs下垂控制，将交流系统1的频率偏差Δωs1转换为其直流母线电压Udc1偏差信号。VSC换流站2交流侧采用定Vf控制。受此Udc1偏差影响，VSC换流站2直流电压偏离设定值，主动改变其交流系统2的频率ωs2。交流系统2的风电场WF此时可以通过检测机端频率与同步角频率的偏差改变输出P，提供有功支援。3.4 现有电力系统调频体系的演化预期未来电力系统中可再生能源渗透率提升、系统惯性减小、调频能力降低是个渐变过程，对电力电子接口的调频要求也是一个逐步提高的过程。本文提出框架基本技术思路保持不变，但是不同阶段的重点不同。在当前电力电子化进程初始阶段，电力电子接口对同步系统有功频率调整的影响还是局部的、部分环节的，此时重点主要集中在接口层和单机层，要求恢复系统频率响应能力。近年已出台的DL/T 18702018电力系统网源协调技术规范和Q/GDW 16172015光伏发电站接入电网技术规定等新能源并网规范提出了新能源电源对系统频率支援准入要求。西北电网的风电、光伏变流器频率支援能力改造试点工作已经开展，预计将于2019年年底形成规模。以同步机组为调频主力，风光电源仅在频率偏差较大时提供临时支援。预计2030年前后是中国电源结构的转折点，可再生能源（含水）装机占50以上。届时同步机组仅做部分基荷机组（核、火）和调峰机组（水、气）运行，整个同步系统惯性、一次、二次各个环节调频资源短缺，此时电力电子接口参与调频的重点需要统筹多机协调，为调频的各个阶段准备充裕的能量。风光电源调频成为常态，系统中需始终保持一定比例的减载运行风光电源，以保证系统各时间尺度上频率动态。在2050年远期场景下，可再生能源将成为主力电源，电网中仅保留少量用于建压建频的同步机组，有功平衡与频率调整主要依靠源网荷全环节的电力电子接口设备协同。局部出现全电力电子化系统，系统惯性和调频资源随风光资源变化，跨区频率支援也可能成为常态。4 结论随着电力系统的电力电子化进程持续推进，交流同步系统的有功频率调整面临着巨大压力。电力电子接口频率与有功平衡关系解耦、输入能量不可控、动态各异，都改变了传统同步电力系统有功调频理论假设。本文在探讨电力电子接口的自定义控制特性基础上，重新建立系统发电与净负荷波动的自适应关系，并展望电力电子化有功调频新框架。主要结论如下。（1）在接口层面，通过设计VSC的外环控制器，可使其具有类似功率源、电压源或同步机的等效电源特性；通过设计附加环控制器，可使其具有虚拟同步机的惯性响应与一次调频特性。（2）在单机层面，优化虚拟参数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，优化储能元件状态恢复策略。既保持自身VSC换流站1交流系统4交流系统2交流系统1直流系统交流系统3VSC换流站2VSC换流站3VSC换流站4WF 2SG1SG41212 21212134Udc1 Vdc2Vdc3Udc4ωs4ωs1ωs3ωs2WF 3ωs1U dc1Udc2ωs2ωs2P W2Udc-ω下垂ω-Udc下垂P-ω下垂ω-Udc下垂P-ω 下垂ωs4P s4P-ω 下垂Udc3ωs3ωs3P W3图 9 跨区域频率调节体系重构Fig. 9 Reconstruction of multi-regional power gridfrequency regulation framework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15状态稳定，又降低频率二次跌落风险，实现机网协调。（3）在多机层面，运行在MPPT模式下的风电机组通过虚拟惯性控制和一次调频可以主要用作改善频率初始动态，缓解频率快速下跌；工作在降载模式下风光电源或储能可通过VSG提高频率稳定，补偿系统功率不平衡。改善频率动态和长期频率恢复的两类装置需协调配合。（4）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。参考文献赵争鸣, 袁立强, 鲁挺, 等. 我国大容量电力电子技术与应用发展综述[J]. 电气工程学报, 2015, 104 26–34.ZHAO Zhengming, YUAN Liqiang, LU Ting, et al. 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