高比例新能源电力系统频率稳定问题及构网型变流器控制策略研究

键词：高比例新能源电力系统；频率稳定；构网型变流器；控制策略

引言

全球能源转型推动风能、太阳能等新能源快速发展，其在电力系统中的渗透率不断提高，逐步形成高比例新能源电力系统。但新能源发电具有间歇性与波动性，且依赖电力电子变流器接入，缺乏传统同步发电机的惯量与阻尼特性，导致系统频率调节能力弱化，频率失稳风险显著增加。频率稳定是电力系统安全运行的关键，频率异常可能引发严重事故。构网型变流器可模拟同步机组特性，为系统提供惯量支撑与频率调节服务，成为解决频率稳定问题的重要技术方向。

一、高比例新能源电力系统频率稳定问题分析

（一）新能源发电特性对频率稳定的影响

新能源发电输出功率受自然条件影响显著，风能、太阳能资源的间歇性导致发电功率频繁波动，直接打破系统有功功率平衡，引发频率波动。同时，新能源发电单元通过并网型变流器接入，控制模式以最大功率跟踪为主，缺乏对系统频率变化的主动响应能力，无法像传统同步机组那样在频率偏移时自发调整出力，进一步削弱系统频率抗扰动能力，加剧频率稳定问题。

（二）高比例接入下频率稳定问题的表现形式

高比例新能源电力系统中，频率稳定问题呈现明显特征。暂态频率跌落问题突出，系统遭遇大容量机组跳闸、输电线路故障等大扰动时，因新能源机组惯量支撑不足，频率快速下降且跌落幅度大，可能突破安全阈值。稳态频率偏差同样显著，新能源出力持续波动使系统难以维持长期有功功率平衡，导致频率长期偏离额定值，影响用电设备正常运行，增加系统调度难度。

（三）频率稳定问题的成因机制

高比例新能源接入导致系统惯量水平大幅降低，是频率稳定问题的核心成因。传统电力系统中，同步发电机旋转惯量可在功率失衡瞬间抑制频率快速变化，而新能源机组无旋转部件，无法提供天然惯量支撑，使系统频率响应速度加快、波动幅度增大。

二、构网型变流器的技术基础

（一）构网型变流器的工作原理

构网型变流器通过控制电力电子开关器件通断，实现直流侧电能向交流侧转换，并模拟同步发电机外特性运行。其核心是建立虚拟同步机模型，借助控制算法模拟同步发电机的惯量、阻尼和励磁调节特性，使变流器输出电压的幅值、频率和相位能根据系统运行状态自主调整，实现与电网同步运行，为系统提供类似同步机组的支撑能力，改善高比例新能源电力系统的动态特性。

（二）构网型变流器与并网型变流器的差异

并网型变流器以跟踪电网电压和频率为目标，采用电流源控制模式，输出电流跟随电网电压变化，不具备调节电网频率和电压的能力，仅能被动适应电网运行状态。惯量特性上，并网型变流器无惯量支撑，构网型变流器通过虚拟惯量控制可提供可调惯量；故障响应上，构网型变流器能快速响应电网故障，并网型变流器故障穿越能力较弱。

（三）构网型变流器在电力系统中的作用定位

构网型变流器在高比例新能源电力系统中承担关键角色。它是系统惯量和阻尼的重要提供者，通过虚拟惯量控制弥补新能源机组惯量缺失，抑制频率快速波动，提升系统暂态稳定性。作为电压和频率的调节主体，它可根据系统功率平衡需求，主动调整输出功率，维持系统频率和电压稳定。

三、构网型变流器控制策略设计

（一）惯量模拟控制策略

惯量模拟控制策略通过在构网型变流器控制环节引入虚拟惯量算法，使变流器具备类似同步发电机的惯量特性。以系统频率变化率为输入，根据预设虚拟惯量参数计算附加功率参考值，叠加至变流器功率控制指令中，

实现出力动态调整。系统频率下降时，变流器释放虚拟惯量对应能量，增加输出功率抑制频率跌落；频率上升时，变流器吸收能量减少输出功率，通过优化参数平衡响应速度与稳定性。

（二）下垂控制策略优化

下垂控制是构网型变流器实现频率和电压调节的核心手段，传统策略存在调节精度低、动态响应慢的问题。引入自适应下垂系数优化策略，使下垂系数能根据系统运行状态实时调整。系统频率偏差较小时，采用较小下垂系数提高调节精度，减少稳态频率偏差；频率偏差较大时，增大下垂系数加快功率调节速度，结合功率前馈控制，提前补偿新能源出力波动对系统频率的影响，提升动态性能。

（三）抗扰动控制策略设计

针对新能源出力波动、负荷突变等扰动因素，设计构网型变流器抗扰动控制策略。基于模型预测控制理论，通过建立变流器及系统数学模型，预测未来时刻系统频率和功率变化趋势，提前生成最优控制指令。引入扰动观测器，实时监测系统扰动信号，根据扰动大小和类型生成补偿控制量，叠加至主控制指令中，抵消扰动对系统频率的影响，增强变流器对复杂扰动环境的适应能力。

四、构网型变流器控制策略的应用适配性

（一）不同新能源场景下的策略适配

在集中式风电、光伏电站场景中，需适配大规模新能源出力的强波动性，侧重强化抗扰动控制策略，通过精准预测与补偿，抑制出力骤变对系统频率的冲击。在分布式新能源并网场景中，系统运行模式灵活，需优化惯量模拟与下垂控制的协同机制，确保微电网独立运行与并网切换时的频率稳定，满足分布式供能系统对可靠性的需求。

（二）控制策略与系统调度的协调

构网型变流器控制策略需与电力系统调度机制相协调，制定惯量模拟、下垂控制参数时，结合系统整体备用容量配置情况，避免与调度指令冲突。通过建立策略与调度系统的信息交互通道，使变流器实时获取负荷变化、新能源出力预测等信息，动态优化控制参数，实现局部调节与全局调度的协同，提升系统整体频率稳定控制效果。

（三）策略与现有电力设备的兼容性

控制策略需考虑与现有电力设备的兼容性，技术实现上适配传统同步机组、无功补偿设备的运行特性，避免策略运行时对现有设备产生干扰。针对不同型号电力电子器件的性能差异，优化控制算法的响应速度与调节精度，确保策略在不同硬件配置下均能稳定运行，降低高比例新能源电力系统改造升级的技术难度和成本。

结论

本文围绕高比例新能源电力系统频率稳定问题及构网型变流器控制策略展开研究，明确了新能源发电特性、系统惯量降低对频率稳定的影响机制，揭示了频率稳定问题的表现形式与成因；阐述了构网型变流器的工作原理、与并网型变流器的差异及在系统中的作用；提出了惯量模拟、下垂优化及抗扰动控制策略，并分析了策略在不同场景的适配性，证明策略可有效提升系统频率稳定性。研究未深入探讨多构网型变流器协同控制，后续可围绕该方向及策略与新型设备适配展开研究，为系统安全运行提供更完善方案。

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