在我國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的驅(qū)動下，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，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)。天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院教授朱介北團(tuán)隊研制的新能源通用慣量模擬裝置，實現(xiàn)了對超級電容與電網(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)瓦國際發(fā)明展斬獲金獎。
據(jù)介紹，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要靠使用燃煤、石油和天然氣等化石燃料的旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)來提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，同步發(fā)電機(jī)能夠為電力系統(tǒng)提供相對較高的轉(zhuǎn)動慣量。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量反映了其轉(zhuǎn)子存儲動能的大小，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生發(fā)電機(jī)掉線等嚴(yán)重故障時，轉(zhuǎn)動慣量可充當(dāng)能量緩沖器抑制電網(wǎng)頻率的變化，從而為其他機(jī)組爭取足夠長的動作時間重新平衡電網(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)大幅波動甚至發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險。”朱介北介紹。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。
為解決這個難題，朱介北教授團(tuán)隊提出了一種新能源通用慣量模擬方案，將快速響應(yīng)的超級電容器通過全控型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)頻率動態(tài)調(diào)節(jié)超級電容電壓進(jìn)行有序充放電，來模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊研制了新能源通用慣量模擬裝置，實現(xiàn)對超級電容與電網(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、有效地模擬慣性時間常數(shù)達(dá)10秒，慣性時間常數(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%高占比場景時，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。
“其慣量響應(yīng)能量由快速響應(yīng)的超級電容提供，慣量模擬核心算法采用高精度數(shù)字控制器實現(xiàn)，因此裝置整體具有響應(yīng)速度快的特點和高精度的控制能力，可以準(zhǔn)確、實時地監(jiān)測電力系統(tǒng)頻率變化，根據(jù)實際情況快速、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。”朱介北介紹。
該新能源通用慣量模擬裝置是成套、獨立的完整設(shè)備，集成度較高，可以直接接入新能源直流母線側(cè)，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。
新能源通用慣量模擬裝置取得了顯著的應(yīng)用效果。2022年已應(yīng)用于張北國家風(fēng)光儲輸示范基地，助力2022年北京冬奧會成為第一屆100%使用新能源的“綠色”奧運會；華能江蘇能源開發(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10余省份，為解決因慣量缺失造成的棄風(fēng)棄光和斷電問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、青海切吉敦曲等幾十個新能源電站中。裝置的應(yīng)用提升了新能源場站6%的并網(wǎng)比例，同時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數(shù)。”