風電并網(wǎng)從“跟隨式”到“形成式”
我國是新能源裝機最多、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)域面臨的重大科學與工程問題。
“2019年全國風電新增并網(wǎng)裝機2574萬千瓦，累計裝機2.1億千瓦。風電已成為多個省網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的第二大電源，正經(jīng)歷由補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表示，隨著風電穿透率不斷提高以及特高壓輸電項目的逐步投運，電力系統(tǒng)的網(wǎng)源結(jié)構(gòu)與運行方式正發(fā)生著深刻變化，高比例風電接入電力系統(tǒng)增大了系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻壓力，風電大規(guī)模集中接入地區(qū)電網(wǎng)運行風險加大，安全裕度降低，提升大規(guī)模風電的“電網(wǎng)友好型”控制水平已迫在眉睫。
為滿足大規(guī)模風電接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行需求，圍繞高滲透率風電電力系統(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研發(fā)計劃項目“大容量風電機組電網(wǎng)友好型控制技術(shù)”，聯(lián)合整機制造企業(yè)運達風電、風電變流器制造企業(yè)陽光電源、合肥工業(yè)大學等形成產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)團隊，開發(fā)了電壓源型風電機組，擺脫了傳統(tǒng)電流源型風電機組“跟隨式”的控制思維束縛，開拓了電壓源型風電機組“形成式”的新格局。
為百分之百新能源電力系統(tǒng)提供支撐
“電壓源型風電機組的成功研發(fā)，突破了傳統(tǒng)控制模式下電網(wǎng)的風電極限裝機容量限制，拓展了風電的市場容量和應(yīng)用前景，為實現(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。”秦世耀強調(diào)。
“不同于跟隨式并網(wǎng)控制，電壓源型風電機組通過模擬同步發(fā)電機組轉(zhuǎn)子運動方程，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，其能夠主動支撐電網(wǎng)頻率/電壓穩(wěn)定，并對系統(tǒng)提供慣量/阻尼支撐，對外呈現(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，甚至是獨立組網(wǎng)運行。
此外，據(jù)中國電科院新能源中心相關(guān)負責人解釋，一直以來，風電等新能源發(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，其不主動響應(yīng)系統(tǒng)頻率/電壓變化，缺乏主動支撐能力，僅適用于以同步機為主導(dǎo)的電網(wǎng)環(huán)境。隨著風電的進一步發(fā)展，系統(tǒng)的常規(guī)同步發(fā)電機組被風電機組大量替代，高比例風電系統(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，風電若要取代常規(guī)同步發(fā)電機組的主導(dǎo)地位，就將必須承擔起建立系統(tǒng)電壓和維持系統(tǒng)實時能量平衡的義務(wù)。
使風電具備組網(wǎng)和調(diào)節(jié)電網(wǎng)能力
“電壓源型控制改變了原有的風電機組控制邏輯，需要從變流、主控電控系統(tǒng)以及機械載荷優(yōu)化等角度開展全面攻關(guān)。”秦世耀告訴記者，在電壓源型風電機組的研發(fā)過程中，項目團隊攻克了多個技術(shù)難關(guān)。
針對如何化解電壓源型風電機組輸出有功功率的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的調(diào)節(jié)矛盾，秦世耀表示，項目團隊召開了多次技術(shù)研討，部署了從“機理研究—數(shù)字仿真—半實物試驗”研究路線，最終通過優(yōu)化控制環(huán)節(jié)，加快功率響應(yīng)，補償系統(tǒng)阻尼，增加動態(tài)調(diào)節(jié)自由度，實現(xiàn)了風電機組有功輸出動態(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，頻率大擾動下的功率超限問題等，項目團隊都逐一突破，并積累了豐富經(jīng)驗。
“此次研發(fā)的電壓源型風電機組順利并網(wǎng)，標志著世界首臺電壓源型風電機組橫空出世，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的風電裝備已引領(lǐng)世界科技前沿。”秦世耀坦言，電壓源型風電機組是面向高比例風電電力系統(tǒng)設(shè)計的主力裝備，具有自主支撐電網(wǎng)頻率、電壓的天然優(yōu)勢，在未來以新能源為主力電源的電力系統(tǒng)中將承擔組網(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。
