風(fēng)電并網(wǎng)從“跟隨式”到“形成式”
我國是新能源裝機(jī)最多、發(fā)展最快的國家，如何構(gòu)建以新能源發(fā)電為主力電源的新型電力系統(tǒng)已成為能源領(lǐng)域面臨的重大科學(xué)與工程問題。
“2019年全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)2574萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)2.1億千瓦。風(fēng)電已成為多個(gè)省網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的第二大電源，正經(jīng)歷由補(bǔ)充性能源向替代性能源的角色轉(zhuǎn)變。”中國電科院新能源中心副主任秦世耀在接受記者采訪時(shí)表示，隨著風(fēng)電穿透率不斷提高以及特高壓輸電項(xiàng)目的逐步投運(yùn)，電力系統(tǒng)的網(wǎng)源結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式正發(fā)生著深刻變化，高比例風(fēng)電接入電力系統(tǒng)增大了系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻壓力，風(fēng)電大規(guī)模集中接入地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大，安全裕度降低，提升大規(guī)模風(fēng)電的“電網(wǎng)友好型”控制水平已迫在眉睫。
為滿足大規(guī)模風(fēng)電接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需求，圍繞高滲透率風(fēng)電電力系統(tǒng)高度電力電子化伴生的系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定等的核心問題，中國電科院依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大容量風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)友好型控制技術(shù)”，聯(lián)合整機(jī)制造企業(yè)運(yùn)達(dá)風(fēng)電、風(fēng)電變流器制造企業(yè)陽光電源、合肥工業(yè)大學(xué)等形成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了電壓源型風(fēng)電機(jī)組，擺脫了傳統(tǒng)電流源型風(fēng)電機(jī)組“跟隨式”的控制思維束縛，開拓了電壓源型風(fēng)電機(jī)組“形成式”的新格局。
為百分之百新能源電力系統(tǒng)提供支撐
“電壓源型風(fēng)電機(jī)組的成功研發(fā)，突破了傳統(tǒng)控制模式下電網(wǎng)的風(fēng)電極限裝機(jī)容量限制，拓展了風(fēng)電的市場(chǎng)容量和應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)百分之百新能源電力系統(tǒng)提供了重要的裝備與技術(shù)支撐，對(duì)構(gòu)建我國清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系意義重大。”秦世耀強(qiáng)調(diào)。
“不同于跟隨式并網(wǎng)控制，電壓源型風(fēng)電機(jī)組通過模擬同步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，直接控制其輸出電壓幅值和相位，具有自同步電網(wǎng)特性，屬于‘形成式’并網(wǎng)控制。”秦世耀介紹，其能夠主動(dòng)支撐電網(wǎng)頻率/電壓穩(wěn)定，并對(duì)系統(tǒng)提供慣量/阻尼支撐，對(duì)外呈現(xiàn)電壓源控制特性，特別適用于新能源占比較高的弱電網(wǎng)環(huán)境，甚至是獨(dú)立組網(wǎng)運(yùn)行。
此外，據(jù)中國電科院新能源中心相關(guān)負(fù)責(zé)人解釋，一直以來，風(fēng)電等新能源發(fā)電通過快速控制的電力電子變流裝置并網(wǎng)，屬于電網(wǎng)“跟隨式”控制，其不主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率/電壓變化，缺乏主動(dòng)支撐能力，僅適用于以同步機(jī)為主導(dǎo)的電網(wǎng)環(huán)境。隨著風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組被風(fēng)電機(jī)組大量替代，高比例風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定水平持續(xù)下降，在大功率缺失或系統(tǒng)故障情況下，極易引發(fā)系統(tǒng)解列與崩潰事故。而在以新能源發(fā)電為主導(dǎo)電源的新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電若要取代常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的主導(dǎo)地位，就將必須承擔(dān)起建立系統(tǒng)電壓和維持系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量平衡的義務(wù)。
使風(fēng)電具備組網(wǎng)和調(diào)節(jié)電網(wǎng)能力
“電壓源型控制改變了原有的風(fēng)電機(jī)組控制邏輯，需要從變流、主控電控系統(tǒng)以及機(jī)械載荷優(yōu)化等角度開展全面攻關(guān)。”秦世耀告訴記者，在電壓源型風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了多個(gè)技術(shù)難關(guān)。
針對(duì)如何化解電壓源型風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的調(diào)節(jié)矛盾，秦世耀表示，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)召開了多次技術(shù)研討，部署了從“機(jī)理研究—數(shù)字仿真—半實(shí)物試驗(yàn)”研究路線，最終通過優(yōu)化控制環(huán)節(jié)，加快功率響應(yīng)，補(bǔ)償系統(tǒng)阻尼，增加動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自由度，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組有功輸出動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的解耦。又比如，電流源和電壓源無縫切換問題，頻率大擾動(dòng)下的功率超限問題等，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)都逐一突破，并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。
“此次研發(fā)的電壓源型風(fēng)電機(jī)組順利并網(wǎng)，標(biāo)志著世界首臺(tái)電壓源型風(fēng)電機(jī)組橫空出世，我國具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電裝備已引領(lǐng)世界科技前沿。”秦世耀坦言，電壓源型風(fēng)電機(jī)組是面向高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主力裝備，具有自主支撐電網(wǎng)頻率、電壓的天然優(yōu)勢(shì)，在未來以新能源為主力電源的電力系統(tǒng)中將承擔(dān)組網(wǎng)及調(diào)節(jié)任務(wù)，此外，在微電網(wǎng)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
