我国率先攻克虚拟同步机技术 不听话的新能源终被“驯服”

摘要: 近几十年特别是进入21世纪,随着世界各国对清洁能源发展的重视和新能源技术的快速发展,风电、太阳能发电... -->

由于可以有效破解光伏、风电等新能源大规模友好并网的难题,二十年来,发达国家一直在努力攻关虚拟同步机技术,却始终未有实质突破。12月27日,世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站在国家风光储输示范电站建成投运,新能源并网的最大技术难题就此被一举攻克。这对我国推动能源转型,构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重大而深远的意义。

  1月2日,河北张家口气温降到零下14摄氏度。天气虽然寒冷,但张家口风光储示范电站有限公司的员工却非常欣慰:这一天,风力发电365万千瓦时,电网运行非常平稳。当天一大早,电站生产技术部副主任朱斯就来查看刚投运的世界首个具备虚拟同步机功能新能源电站的运行状况。他面前一排排银灰色的柜子就是虚拟同步机的控制装置。这看似不起眼的装置,给不羁的新能源发电加装了一个“调节器”,保障了新能源和大电网的友好相处。

光伏、风电等新能源由于在发电环节不产生污染排放,近年来取得了快速发展,在能源结构不断优化的同时,也给我国电网的安全运行带来了一定挑战。在电力系统里,发电和用电是同时完成的,即用户需要多少电,电厂就要发多少电,如果发电端无法跟大电网的节奏保持一致,就会出现问题。

  难题·全球竞相攻关

在大力发展新能源之前,煤电占据了绝对主力电源的位置,虽然污染较大,但是煤电的纪律性非常强,可以始终服从命令,电力需求大时,电厂就多发电,需求小时,就少发电,与大电网系统配合默契。新能源虽然清洁,但是最大的毛病就是不稳定,比如光伏,在光照足够充足的时候才能发电;而风电,只有风力达到要求时才能正常发电。新能源的步调很难与大电网保持一致,这给其大规模安全并网带来了麻烦。

  近几十年特别是进入21世纪,随着世界各国对清洁能源发展的重视和新能源技术的快速发展,风电、太阳能发电进入规模化开发利用的新阶段。但是,新能源的波动性、间歇性等特点,以及不具备调频、调压等主动支撑能力的特性,给新能源消纳和电网安全运行带来严峻挑战。这一世界性难题一直横亘在各国能源电力行业人士的面前。

保持用电量和发电量的动态平衡是电网安全运行的关键。为了保障新能源大规模安全并网,就必须“驯服”其不羁的个性,这个时候就需要用到新能源虚拟同步机了。“新能源虚拟同步机科技示范工程历时两年,是国家电网公司十大科技创新示范工程之一。”国网冀北电力有限公司科技信通部主任王葆洁介绍说,虚拟同步机技术能够使新能源机组由“我行我素”的“自转”变为“协调统一”的“公转”,主动支撑电网频率、电压波动,有力保障电网安全稳定运行。

  到底有没有一种设备、一项技术能解决这个问题呢?答案是肯定的,有一种听起来很艰涩的技术——虚拟同步发电机,可以较好地解决这个问题。

王葆洁说,虚拟同步发电机技术是一种通过模拟同步发电机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网运行外特性的技术。更重要的是,虚拟同步机并不需要对电网进行大规模改造,不仅实用性很强,还经济实惠。

  虚拟同步发电机技术,是一种通过模拟同步发电机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网运行外特性的技术。具备虚拟同步机功能的新能源电站,可使新能源具备与火电机组接近的外特性,对电力系统的稳定起到支撑作用,是解决新能源发电在并网稳定性方面“先天不足”问题的有效手段。“虚拟同步机技术能够使新能源机组由‘我行我素’地‘自转’变为协调统一地‘公转’,主动支撑电网频率、电压,有力保障电网安全稳定运行。”中国电科院配电研究所微网研究室主任吴鸣说。

为了攻克这一世界级技术难题,国网冀北电力协同中国电科院、许继集团、南瑞集团等单位开展了关键技术攻关和装备研制,全面掌握了虚拟同步机核心技术,为大规模新能源友好并网提供了新的技术手段,进一步巩固了我国在相关领域技术引领地位。

  美国电气和电子工程师协会(IEEE)工作组在1997年就第一次提出了虚拟同步机的概念。对于这样的技术,发展新能源较早的西方国家自然不会放过。1997年之后的20年间,对虚拟同步发电机技术的攻关一直在持续。比利时鲁汶大学、加拿大多伦多大学、英国利物浦大学相继投入研发。但截至目前,国外仍处于理论研究与实验室样机(百千瓦级)研制阶段,尚未有工程应用。

记者了解到,示范工程取得了多个成果:在虚拟同步机抑制系统振荡、大容量变流器低电压穿越等方面取得12项关键技术突破,建成投运风电、光伏和电站式三类虚拟同步机;完成了世界首次基于虚拟同步机的新能源电站黑启动试验,验证了三类虚拟同步机的性能指标和在大规模新能源汇集地区应用的可行性,填补了虚拟同步机技术研究和示范应用空白;基于技术经济对比分析,首次提出储能优化配置方案和风机转速综合恢复策略,解决了实际运行难题,形成了风储配合的应用模式。

  在西方国家全力攻关这一技术的同时,中国也瞄准了这一领域。作为全球并网风电、光伏发电最大的电网,中国国家电网迫切需要解决新能源大规模并网消纳、保障大电网安全稳定的问题。然而,这一世界级难题并没有任何经验可以借鉴,必须从零开始,自己摸索出一条路来。

王葆洁表示,此次虚拟同步机大规模实际应用成功,共改造59台风机、容量118兆瓦,改造24台500千瓦光伏逆变器、容量12兆瓦,新建2套5兆瓦电站式虚拟同步机。工程建成投运后,提升了电网安全稳定运行水平,为新能源友好并网提供标准典范,对建设国家张家口可再生能源示范区和我国清洁能源大规模开发利用具有重要意义。

  2012年,公司依托千人计划专项,启动虚拟同步机技术研究;

(责任编辑:畅帅帅)

  2013年,中国电科院成功研制世界首台50千瓦虚拟同步机样机;

  2014年,南瑞集团、许继集团成功研制500千瓦虚拟同步机样机;

  2017年12月,世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站正式投运,标志着新能源友好并网关键技术被中国攻克。

  研发·何以率先突破

  “后来居上”区区四个字,背后是无数科研和一线人员的努力和付出。国家电网公司能在短短五年里一举攻克西方国家20年未能突破的技术,绝非偶然。

  新能源虚拟同步机科技示范工程是攻克新能源虚拟同步机技术的关键。公司高度重视示范工程建设,将其列为国家电网公司十大科技创新示范工程之一。为确保工程质量,公司科技部组织相关单位深入研究,反复论证,周密筹备,确定改造施工方案,以专业化支撑和精益化落实为保障,多维度搭建“统筹总揽、上下协同、分工明确”联合工作组织体系。从一开始,公司就以明确的时间表、路线图和任务池,集全公司之力、聚全公司之智开展研发。

  这的确是一块难啃的硬骨头。而具体承担研发的国网冀北电力协同中国电科院、许继集团、南瑞集团等单位,决心协力啃下这块硬骨头。

  几家单位分工协作,迅速研发关键技术和装备。中国电科院在关键技术攻关、标准制定和试验检测等方面做了大量工作。南瑞集团着重开展虚拟同步机关键技术攻关,实现了光伏、储能、风电多领域虚拟同步机装备产品化。许继集团则承担了虚拟同步机工程中三种虚拟同步机设备的研究开发与设备供货。

  一项新兴技术的研发应用过程中,问题总会不断出现。就在2017年12月,距离新能源虚拟同步机科技示范工程启动的日子越来越近,许继集团新能源技术开发团队在调频过程中遇到了一个棘手的问题:频率波动太大、控制精度达不到。对此,大家意见不一。有人说,这应该是控制参数设置不合理造成的,需要优化控制参数;有人则认为,是电网本身频率波动太大。整整三天三夜,大家都在讨论这个问题。突然有人说,要不,试试增加滤波处理?顺着这个思路,多次试验之后,问题终于得到解决。在示范工程建设过程中,这种情况很常见。各个单位的研发团队咬定青山不放松,攻克了一个又一个难题。

  经过艰苦努力,虚拟同步机核心技术在两年之内得以全面掌握:构建了虚拟同步机应用理论;成功研制了三类虚拟同步机装置;建立了虚拟同步机装备试验检测体系;全面验证了虚拟同步机的性能;提出了虚拟同步机应用推广建议。

  技术人员攻克了由理论到实践的诸多难题,成功改造了现有风力发电机的控制软件、光伏发电的逆变器和控制系统。示范工程共改造59台风机、容量11.8万千瓦,改造24台500千瓦光伏逆变器、容量1.2万千瓦,新建2套0.5万千瓦电站式虚拟同步机。

  未来·应用前景可期

  新能源虚拟同步机科技示范工程的建成投运,是加快打造广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控的新一代电力系统的重大举措。示范工程能很好地实现发电效益与电网支撑的平衡,提升了电网安全稳定运行水平,为新能源友好并网提供标准典范。虚拟同步机技术能很好地满足新一代电力系统所需的智能、可控、灵活等要求。

  一项新兴技术是否具有实用性、经济性,决定了它能否大规模推广利用。那么,这种高大上的技术,应用推广的前景会怎样?

  南瑞集团装置研发中心四部经理王彤从最初研发起,就一直在考虑这个问题:“虚拟同步机是一种算法上的改良,不需要对电网进行大规模改造。实践证明,虚拟同步机技术可以助力新能源友好并网,有效控制工程改造和建设成本,具有良好的推广和应用前景。”

  更重要的是,通过建设新能源虚拟同步机科技示范工程,国家电网公司实现了理论架构、装置研发、实验检测手段、并网接入标准等完全自主化。这项技术深深打上了“中国创造”的烙印,进一步巩固了我国在相关领域的技术引领地位。

  如今,与示范工程同在张家口可再生能源智能电网示范区的,还有±500千伏柔性直流电网、低碳冬奥智能电网、电动汽车智能互动充电等科技示范工程,正在孕育、成长。放眼更广阔的科技创新领域、更长远的未来,更多科研人员仍在持续研究和探索。未来,在新能源的发展进程中,我国将有更多新的突破。

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