科技日?qǐng)?bào)記者 陳曦 通訊員 張華

(資料圖)

在我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，綠色、清潔、低碳的新能源得到了大力發(fā)展。以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源在逐漸大規(guī)模接入電力系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院教授朱介北團(tuán)隊(duì)研制了新能源通用慣量模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容與電網(wǎng)間交換的慣量響應(yīng)功率的精準(zhǔn)調(diào)控，顯著提升了新型電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性與韌性。該成果近日在第48屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展斬獲金獎(jiǎng)。

解決新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性難題

據(jù)介紹，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要靠利用燃煤、石油和天然氣等化石燃料的旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)來(lái)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，同步發(fā)電機(jī)能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供相對(duì)較高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映了其轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)動(dòng)能的大小，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生發(fā)電機(jī)掉線等嚴(yán)重故障時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可充當(dāng)能量緩沖器抑制電網(wǎng)頻率的變化，從而為其他機(jī)組爭(zhēng)取足夠長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)間重新平衡電網(wǎng)的供需，因此有助于維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

“然而，不同于旋轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)靜止換流器并網(wǎng)的新能源發(fā)電本身不具備慣性，這使得現(xiàn)代電力系統(tǒng)的慣量水平急劇下降，加劇了系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大幅波動(dòng)甚至發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)?！敝旖楸苯榻B。

2019年8月9日，因?yàn)橄到y(tǒng)慣量不足導(dǎo)致的英國(guó)大停電事故，持續(xù)時(shí)間超過(guò)2小時(shí)，波及范圍達(dá)100萬(wàn)人以上，造成了嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。為保障電力的可靠供應(yīng)，迫切需要新能源發(fā)電具備同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)特性，來(lái)保證現(xiàn)代新能源電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

為解決這個(gè)難題，朱介北教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新能源通用慣量模擬方案，將快速響應(yīng)的超級(jí)電容器通過(guò)全控型DC/DC變換器（直流和直流互相變換的變換器）連接到新能源并網(wǎng)逆變器的直流母線，依據(jù)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)超級(jí)電容電壓進(jìn)行有序充放電，來(lái)模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研制了新能源通用慣量模擬裝置，集高性能慣量模擬控制器、DC/DC變換器和超級(jí)電容器于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容與電網(wǎng)間交換的慣量響應(yīng)功率的精準(zhǔn)調(diào)控。

裝置可以穩(wěn)定、有效地模擬慣性時(shí)間常數(shù)達(dá)10秒，慣性時(shí)間常數(shù)較傳統(tǒng)慣量模擬方案提高3倍以上。該技術(shù)應(yīng)用于新能源40%高占比場(chǎng)景時(shí)，在電網(wǎng)故障下較傳統(tǒng)控制降低系統(tǒng)頻率變化率達(dá)30%以上、頻率偏移20%以上、頻率振幅50%以上，顯著提升了新型電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性與韌性。

有效提高新能源利用時(shí)長(zhǎng)

新能源通用慣量模擬技術(shù)在全控型DC/DC變換器中嵌入模擬同步機(jī)慣量響應(yīng)的核心控制算法，依據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)超容電壓實(shí)現(xiàn)有序充放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容與電網(wǎng)間交換的慣量響應(yīng)功率的精準(zhǔn)調(diào)控。

“其慣量響應(yīng)能量來(lái)源由快速響應(yīng)的超級(jí)電容提供，慣量模擬核心算法采用高精度數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，因此裝置整體具有快速的響應(yīng)速度和高精度的控制能力，可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)頻率變化，根據(jù)實(shí)際情況快速、準(zhǔn)確調(diào)整超容電壓充放電，以維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性?！敝旖楸苯榻B。

該新能源通用慣量模擬裝置是成套、獨(dú)立的完整設(shè)備，集成度較高，可以直接接入新能源直流母線側(cè)，而不需要改造新能源發(fā)電的原有電路和控制系統(tǒng)，具有“即插即用”的優(yōu)勢(shì)。這也是世界上首套“即插即用”式的新能源通用慣量模擬裝置，具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

新能源通用慣量模擬裝置的也取得了顯著的應(yīng)用效果，已于2022年應(yīng)用于張北國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范基地，助力2022年北京冬奧會(huì)成為第一屆100%使用新能源的“綠色”奧運(yùn)會(huì)。

華能江蘇能源開(kāi)發(fā)有限公司最先將新能源通用慣量模擬裝置推廣應(yīng)用到了南通電廠、南京電廠、太倉(cāng)電廠、淮陰電廠、金陵電廠、蘇通電廠等地，提升可再生能源并網(wǎng)比例達(dá)13%。

截至目前，該裝置已經(jīng)推廣應(yīng)用到30余座新能源電站，范圍覆蓋全國(guó)10余省份，為解決因慣量缺失造成的棄風(fēng)棄光和斷電的世界性問(wèn)題提供了有效的技術(shù)示范。

哈電風(fēng)能有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“我們公司已經(jīng)將新能源通用慣量模擬裝置應(yīng)用在了甘肅環(huán)縣南湫、新疆達(dá)坂城、青海切吉敦曲、湖南牛排山、安徽符離、貴州順化、廣西風(fēng)門(mén)嶺等幾十個(gè)新能源電站中。特別是對(duì)于負(fù)荷頻繁波動(dòng)的高壓直流輸電系統(tǒng)，用這個(gè)裝置能有效提升新能源與直流輸電的慣量響應(yīng)，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不脫網(wǎng)。裝置的應(yīng)用提升了新能源場(chǎng)站6%的并網(wǎng)比例，同時(shí)減少受制于慣量和電網(wǎng)超載約束的棄風(fēng)現(xiàn)象，有效提高新能源利用小時(shí)數(shù)?！?/p>

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