風電并網從“跟隨式”到“形成式”

我國是新能源裝機最多、發展最快的國家，如何構建以新能源發電為主力電源的新型電力系統已成為能源領域面臨的重大科學與工程問題。

“2019年全國風電新增并網裝機2574萬千瓦，累計裝機2.1億千瓦。風電已成為多個省網區域內的第二大電源，正經歷由補充性能源向替代性能源的角色轉變。”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，電力系統的網源結構與運行方式正發生著深刻變化，高比例風電接入電力系統增大了系統調壓、調頻壓力，風電大規模集中接入地區電網運行風險加大，安全裕度降低，提升大規模風電的“電網友好型”控制水平已迫在眉睫。

為滿足大規模風電接入后電網的安全穩定運行需求，圍繞高滲透率風電電力系統高度電力電子化伴生的系統頻率和電壓穩定等的核心問題，中國電科院依托國家重點研發計劃項目“大容量風電機組電網友好型控制技術”，聯合整機制造企業運達風電、風電變流器制造企業陽光電源、合肥工業大學等形成產學研聯合攻關團隊，開發了電壓源型風電機組，擺脫了傳統電流源型風電機組“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提供支撐

“電壓源型風電機組的成功研發，突破了傳統控制模式下電網的風電極限裝機容量限制，拓展了風電的市場容量和應用前景，為實現百分之百新能源電力系統提供了重要的裝備與技術支撐，對構建我國清潔低碳、安全高效的現代能源體系意義重大。”秦世耀強調。

“不同于跟隨式并網控制，電壓源型風電機組通過模擬同步發電機組轉子運動方程，直接控制其輸出電壓幅值和相位，具有自同步電網特性，屬于‘形成式’并網控制。”秦世耀介紹，其能夠主動支撐電網頻率/電壓穩定，并對系統提供慣量/阻尼支撐，對外呈現電壓源控制特性，特別適用于新能源占比較高的弱電網環境，甚至是獨立組網運行。

此外，據中國電科院新能源中心相關負責人解釋，一直以來，風電等新能源發電通過快速控制的電力電子變流裝置并網，屬于電網“跟隨式”控制，其不主動響應系統頻率/電壓變化，缺乏主動支撐能力，僅適用于以同步機為主導的電網環境。隨著風電的進一步發展，系統的常規同步發電機組被風電機組大量替代，高比例風電系統穩定水平持續下降，在大功率缺失或系統故障情況下，極易引發系統解列與崩潰事故。而在以新能源發電為主導電源的新型電力系統中，風電若要取代常規同步發電機組的主導地位，就將必須承擔起建立系統電壓和維持系統實時能量平衡的義務。

使風電具備組網和調節電網能力

“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、主控電控系統以及機械載荷優化等角度開展全面攻關。”秦世耀告訴記者，在電壓源型風電機組的研發過程中，項目團隊攻克了多個技術難關。

針對如何化解電壓源型風電機組輸出有功功率的穩態和動態特性的調節矛盾，秦世耀表示，項目團隊召開了多次技術研討，部署了從“機理研究—數字仿真—半實物試驗”研究路線，最終通過優化控制環節，加快功率響應，補償系統阻尼，增加動態調節自由度，實現了風電機組有功輸出動態和穩態特性的解耦。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，并積累了豐富經驗。

“此次研發的電壓源型風電機組順利并網，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權的風電裝備已引領世界科技前沿。”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設計的主力裝備，具有自主支撐電網頻率、電壓的天然優勢，在未來以新能源為主力電源的電力系統中將承擔組網及調節任務，此外，在微電網領域也有廣闊的應用前景。