現(xiàn)在，隨著虛擬同步機(jī)技術(shù)的突破，這一難題有望得到解決。
虛擬同步機(jī)技術(shù)——自1997年提出以來，因其對大規(guī)模新能源友好并網(wǎng)具有顛覆性支撐作用，而為全球業(yè)界期待了20年，發(fā)達(dá)國家一直在努力攻關(guān)十余年，一直未有實(shí)質(zhì)突破。
近日，世界首個(gè)具備虛擬同步機(jī)功能的新能源電站在國家風(fēng)光儲輸示范電站建成投運(yùn)——新能源并網(wǎng)的最大技術(shù)難題就此被一舉攻克。這對我國推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重大而深遠(yuǎn)的意義。
我國率先攻克虛擬同步機(jī)技術(shù)
光伏、風(fēng)電等新能源因清潔環(huán)保得到快速發(fā)展，但在不斷優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也為我國電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了一定挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)里，發(fā)電和用電是同時(shí)完成的，即用戶需要多少電，電廠就要發(fā)多少電，如果發(fā)電端無法與大電網(wǎng)的節(jié)奏保持一致，就會出現(xiàn)問題。
在我國大力發(fā)展新能源之前，煤電占據(jù)了絕對主力電源的位置。雖然污染較大，但是煤電的“紀(jì)律性”非常強(qiáng)，可以始終服從命令：電力需求大時(shí)，電廠就多發(fā)電;需求小時(shí)，就少發(fā)電，始終與大電網(wǎng)系統(tǒng)“配合默契”。
反觀新能源，它雖然清潔，但最大的毛病就是不“聽話”。比如光伏發(fā)電，需要光照足夠充足;風(fēng)電發(fā)電，又需要風(fēng)力達(dá)到足夠要求。新能源的步調(diào)很難與大電網(wǎng)保持一致，導(dǎo)致其大規(guī)模安全并網(wǎng)成為長期難題。
保持用電量和發(fā)電量的動(dòng)態(tài)平衡是電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。為保障新能源大規(guī)模安全并網(wǎng)，就需要用到新能源虛擬同步機(jī)——這一“馴服”新能源的好幫手。
此前，虛擬同步機(jī)技術(shù)的研究主要停留在理論和微電網(wǎng)應(yīng)用層面，此次國家電網(wǎng)公司建成世界首個(gè)具備虛擬同步機(jī)功能的新能源電站，研制大容量新能源虛擬同步機(jī)，填補(bǔ)了虛擬同步機(jī)技術(shù)在大電網(wǎng)應(yīng)用方面的空白。
預(yù)計(jì)到2030年，張家口可再生能源示范區(qū)內(nèi)風(fēng)電、光伏和光熱裝機(jī)將分別達(dá)2000萬、2400萬和600萬千瓦。
何謂虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)?
據(jù)國網(wǎng)冀北電力公司相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是一種通過模擬同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步發(fā)電機(jī)組的慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無功調(diào)壓等并網(wǎng)運(yùn)行外特性的技術(shù)。更為重要的是，虛擬同步機(jī)并不需要對電網(wǎng)大規(guī)模改造，不僅實(shí)用性強(qiáng)，還經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
“新能源虛擬同步機(jī)科技示范工程歷時(shí)兩年，是國家電網(wǎng)公司十大科技創(chuàng)新示范工程之一。”這一技術(shù)能夠使新能源機(jī)組由“我行我素”的“自轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡f(xié)調(diào)統(tǒng)一”的“公轉(zhuǎn)”，主動(dòng)支撐電網(wǎng)頻率、電壓波動(dòng)，有力保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
為攻克這一世界級難題，國網(wǎng)冀北電力協(xié)同中國電科院、南瑞集團(tuán)等單位開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和裝備研制，最終全面掌握了虛擬同步機(jī)核心技術(shù)，為大規(guī)模新能源友好并網(wǎng)提供了新技術(shù)手段，鞏固了我國在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)地位。
示范工程取得了多個(gè)成果
相繼在虛擬同步機(jī)抑制系統(tǒng)振蕩、大容量變流器低電壓穿越等方面取得12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破，建成投運(yùn)風(fēng)電、光伏和電站式三類虛擬同步機(jī);
完成了世界首次基于虛擬同步機(jī)的新能源電站黑啟動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了三類虛擬同步機(jī)的性能指標(biāo)，以及在大規(guī)模新能源匯集地區(qū)應(yīng)用的可行性，填補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)研究和示范應(yīng)用空白;
此外，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析，首次提出儲能優(yōu)化配置方案和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速綜合恢復(fù)策略，解決了實(shí)際運(yùn)行難題，形成了風(fēng)儲配合的應(yīng)用模式。
截至目前，國網(wǎng)公司已成功研制了光伏、風(fēng)電、電站式三類虛擬同步機(jī)裝置，主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。
其中，世界首套500千瓦光伏虛擬同步機(jī)已于2016年12月全部建成投運(yùn)。采用增加超級電容、磷酸鐵鋰電池兩種技術(shù)路線，研發(fā)了光伏發(fā)電最大功率跟蹤與虛擬同步機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使光伏發(fā)電單元具備了慣量支撐、一次調(diào)頻和主動(dòng)電壓調(diào)節(jié)等功能。
世界首套2兆瓦風(fēng)電虛擬同步機(jī)于2017年11月全部建成投運(yùn)，基于原控制系統(tǒng)，通過增加控制環(huán)節(jié)、優(yōu)化控制策略，采用預(yù)留備用、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量兩種調(diào)頻支撐技術(shù)路線，使風(fēng)機(jī)能夠主動(dòng)感知并適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行變化，具備自動(dòng)有功調(diào)頻、無功調(diào)壓、阻尼系統(tǒng)振蕩等能力。
此外，在實(shí)體工程建設(shè)過程中，國家電網(wǎng)還探索建立了虛擬同步機(jī)裝備試驗(yàn)檢測體系，全面驗(yàn)證了虛擬同步機(jī)的性能并提出了應(yīng)用推廣建議。按照“先示范、后推廣”原則，在后續(xù)推廣階段，將在示范工程改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對國家風(fēng)光儲輸示范電站內(nèi)剩余117臺各型風(fēng)機(jī)進(jìn)行虛擬同步機(jī)改造，總?cè)萘窟_(dá)到317.5兆瓦。
截至2017年11月，我國風(fēng)電裝機(jī)容量約達(dá)1.82億千瓦，光伏裝機(jī)容量達(dá)1.26億千瓦，規(guī)模均居世界第一。新能源已成為17個(gè)省級電網(wǎng)的第二大電源，其中冀北、甘肅、寧夏等省級電網(wǎng)新能源裝機(jī)占比已超過40%，大規(guī)模、高比例新能源將成為我國新一代電力系統(tǒng)的重要特征。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國冀北區(qū)域新能源裝機(jī)容量1474.81萬千瓦，統(tǒng)調(diào)裝機(jī)占比達(dá)到53.09%，是我國第一個(gè)新能源裝機(jī)占比超過50%的省級電網(wǎng)。
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