在中國(guó)高速增長(zhǎng)的新能源裝機(jī)占比下，平衡能源轉(zhuǎn)型與電網(wǎng)安全的兩大目標(biāo)是當(dāng)下的重大課題。
在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進(jìn)程中，“雙高”特性將進(jìn)一步凸顯，尤其是在電網(wǎng)薄弱的西北區(qū)域，現(xiàn)有的新能源弱支撐特性將加劇系統(tǒng)弱慣量、弱阻尼等問(wèn)題。但我國(guó)的資源稟賦與能源需求又決定了西電東送、北電南送的規(guī)模仍需進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)新能源發(fā)展與電網(wǎng)安全“難兩全”時(shí)，構(gòu)網(wǎng)技術(shù)成為了行業(yè)破局的關(guān)鍵點(diǎn)。
新能源發(fā)展與電網(wǎng)安全背后的技術(shù)迭代
盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)新能源發(fā)展面臨政策調(diào)整的“陣痛期”，但在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建中，新能源仍然是發(fā)展主力。多位行業(yè)專(zhuān)家認(rèn)為，136號(hào)文是新能源走向主力能源的開(kāi)端。
以西北區(qū)域?yàn)槔?，有電?guī)總院相關(guān)人士指出，“十五五”期間仍有超100GW的新能源新增裝機(jī)用于“西電東送”；今年4月國(guó)家林草局報(bào)批了《三北沙漠戈壁荒漠地區(qū)光伏治沙規(guī)劃（2024—2030年）》規(guī)劃，主管部門(mén)為光伏治沙劃出20萬(wàn)平方公里的可利用地，理論裝機(jī)近1000GW。
可以預(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，西北地區(qū)仍是我國(guó)新能源增長(zhǎng)的主力，但若不解決當(dāng)前新能源對(duì)電網(wǎng)的弱支撐問(wèn)題，新能源利用率持續(xù)走低與電網(wǎng)保安全之間的矛盾將愈發(fā)凸顯。
對(duì)于電網(wǎng)而言，電壓和頻率的“平穩(wěn)”是其安全運(yùn)行的先決基石，而發(fā)電和用電電量“平衡”是其根本任務(wù)。傳統(tǒng)火電、水電機(jī)組設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中因其機(jī)械慣性的存在，使得其主導(dǎo)的電力系統(tǒng)頻率不易受到網(wǎng)絡(luò)中其它擾動(dòng)的影響。但隨著新能源裝機(jī)比例的提高，其資源的間歇性與波動(dòng)性，使得電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。
在電網(wǎng)認(rèn)知中，除了弱支撐特性，寬頻負(fù)阻尼特性和低抗擾能力也是當(dāng)前跟網(wǎng)型新能源發(fā)電的典型短板，而為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，新能源“限發(fā)”成為特定條件下的首選手段。
新能源裝機(jī)快速攀升亟待行業(yè)從技術(shù)層面尋找答案來(lái)解決這一問(wèn)題。而構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為問(wèn)題的解決提供了強(qiáng)有力的方案。
一般來(lái)說(shuō)，跟網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行依賴(lài)于電網(wǎng)提供的穩(wěn)定頻率和電壓，對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求比較高，對(duì)電網(wǎng)中的擾動(dòng)響應(yīng)因存在滯后而比較慢，一旦發(fā)生極端情況跟網(wǎng)型設(shè)備會(huì)脫網(wǎng)自保；而構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備則通過(guò)模擬同步機(jī)的運(yùn)行方式以支撐電網(wǎng)的姿態(tài)接入電網(wǎng)，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或擾動(dòng)時(shí)可以主動(dòng)為電網(wǎng)提供電壓、頻率支撐，進(jìn)而提升局部電網(wǎng)的強(qiáng)度。
進(jìn)一步來(lái)看，電網(wǎng)穩(wěn)定了，則可以接受更多的新能源電力，極大提高新能源利用率，減少電網(wǎng)出于安全考量帶來(lái)的限發(fā)問(wèn)題。
另外，新能源大基地、海上光伏、海上風(fēng)電等遠(yuǎn)離同步電源的應(yīng)用場(chǎng)景，均處于電網(wǎng)薄弱的環(huán)境，導(dǎo)致新能源安全穩(wěn)定送出的難度較高，疊加離網(wǎng)、綜合能源園區(qū)和分散式等新能源發(fā)電場(chǎng)景開(kāi)發(fā)需求逐漸增多，新能源已經(jīng)逐漸從支撐電網(wǎng)走向獨(dú)立組網(wǎng)的新階段。
實(shí)際上，主管部門(mén)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題。日前，國(guó)家能源局在《關(guān)于組織開(kāi)展新型電力系統(tǒng)建設(shè)第一批試點(diǎn)工作的通知》中，明確指出構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)為首推試點(diǎn)方向。而國(guó)網(wǎng)冀北公司相關(guān)人員也表示，初步研究表明，未來(lái)電網(wǎng)可能需要配置30%左右的構(gòu)網(wǎng)技術(shù)。
構(gòu)網(wǎng)技術(shù)：“難”在落地
構(gòu)網(wǎng)技術(shù)源自虛擬同步機(jī)，首次用于UPS類(lèi)的電源，在國(guó)外已有過(guò)應(yīng)用經(jīng)歷。1977年，德國(guó)太陽(yáng)能供電技術(shù)研究所首次提出“構(gòu)網(wǎng)型控制”概念，奠定了理論基礎(chǔ)；2016年，澳大利亞發(fā)生大規(guī)模停電事故后，新能源企業(yè)用構(gòu)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)支撐，推動(dòng)了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用；2022年，中國(guó)開(kāi)始加速構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。2023年初，我國(guó)新能源裝備企業(yè)禾望電氣獲得了國(guó)際知名機(jī)構(gòu)DNV頒發(fā)的全球首張構(gòu)網(wǎng)型變流器證書(shū)。
可以看到的是，隨著新能源裝機(jī)的提升，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)在支撐電網(wǎng)、保障電網(wǎng)安全方面的重要性愈發(fā)凸顯。在意識(shí)到這一點(diǎn)之后，本屆SNEC展會(huì)上，有部分逆變器企業(yè)推出了構(gòu)網(wǎng)型相關(guān)產(chǎn)品，其中禾望電氣展出了基于風(fēng)光儲(chǔ)協(xié)同一體化的構(gòu)網(wǎng)型解決方案。
“構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的核心是電氣設(shè)備內(nèi)部的軟件應(yīng)用，存在一定技術(shù)門(mén)檻但并非不可復(fù)制”，禾望電氣的工作人員告訴記者：“但是，技術(shù)層面之后的產(chǎn)品驗(yàn)證、主管部門(mén)的審核以及產(chǎn)品落地應(yīng)用的流程卻極為漫長(zhǎng)?！?/span>
“每個(gè)省內(nèi)之間的電源復(fù)雜程度、負(fù)荷、供需情況是不一樣的，因此也造就了電網(wǎng)企業(yè)面對(duì)新技術(shù)應(yīng)用時(shí)流程方面的差異化。構(gòu)網(wǎng)型相關(guān)產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用之前，要經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)仉娍圃旱鹊闹刂仳?yàn)證”，該工作人員補(bǔ)充到，“如何打通從研發(fā)到產(chǎn)品應(yīng)用的閉環(huán)，才是真正的考驗(yàn)?！?/span>
從2019年啟動(dòng)預(yù)研工作，到2023年完成從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的跨越，禾望電氣憑借深厚的技術(shù)積淀與前瞻性行業(yè)洞察，已率先完成了新能源生態(tài)的戰(zhàn)略布局，成功構(gòu)建出集 “風(fēng)-光-儲(chǔ)”全場(chǎng)景構(gòu)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)及評(píng)估于一體的場(chǎng)站生態(tài)體系，并實(shí)現(xiàn)了構(gòu)網(wǎng)型項(xiàng)目的批量應(yīng)用。
禾望電氣：引領(lǐng)構(gòu)網(wǎng)時(shí)代
據(jù)介紹，禾望電氣自主研發(fā)的構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電變流器功率覆蓋1.5MW~20MW雙饋機(jī)型，1MW~30MW全功率機(jī)型；構(gòu)網(wǎng)型320kW光伏逆變器自主建立電壓、同步電網(wǎng)頻率，可長(zhǎng)期維持端口電壓與頻率穩(wěn)定，具備孤島運(yùn)行及黑啟動(dòng)能力；構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器采用VSG技術(shù)，滿(mǎn)足3倍10s過(guò)載需求，具備慣量響應(yīng)、阻尼特性、一次調(diào)頻以及整站黑啟動(dòng)等能力。
例如在世界首例主力電源型風(fēng)電場(chǎng)中，中國(guó)綠發(fā)聯(lián)合禾望電氣、上海交通大學(xué)等單位共同實(shí)施，系統(tǒng)攻克了自同步電壓源風(fēng)電機(jī)組及場(chǎng)站協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)。項(xiàng)目全部采用禾望電氣提供的3.2MW構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電變流器，現(xiàn)已通過(guò)了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、并網(wǎng)、離網(wǎng)和黑啟動(dòng)等530余項(xiàng)全方位測(cè)試試驗(yàn)，以及全場(chǎng)黑啟動(dòng)、孤網(wǎng)帶負(fù)荷、場(chǎng)內(nèi)人工短路等場(chǎng)站級(jí)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了百M(fèi)W級(jí)整場(chǎng)投運(yùn)。
國(guó)內(nèi)首座主力電源型光伏電站，也是采用了禾望320kW構(gòu)網(wǎng)型組串式逆變器，通過(guò)虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策略，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支撐電網(wǎng)、抑制寬頻振蕩、孤島運(yùn)行及黑啟動(dòng)等核心功能。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用禾望多功能電網(wǎng)模擬裝置，完成涵蓋構(gòu)網(wǎng)型光伏慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、阻抗掃描、短路比適應(yīng)性等10大項(xiàng)、21小項(xiàng)、209個(gè)測(cè)試工況的全維度測(cè)試驗(yàn)證。
日前并網(wǎng)的我國(guó)首個(gè)大型鋰鈉混合儲(chǔ)能站同樣采用了禾望電氣提供的具備構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的組串式儲(chǔ)能變流器，不僅完成了構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)/離網(wǎng)全工況測(cè)試，還率先實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)站多機(jī)協(xié)同黑啟動(dòng)。該項(xiàng)目應(yīng)用的“支撐弱電網(wǎng)的40MWh高低倍率復(fù)合運(yùn)行構(gòu)網(wǎng)型鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”在大容量功率型鈉離子電池、高效強(qiáng)過(guò)載構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器、高低倍率復(fù)合運(yùn)行系統(tǒng)集成等三項(xiàng)技術(shù)取得重大突破，經(jīng)權(quán)威鑒定產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
截止到今年4月底，我國(guó)新能源裝機(jī)已經(jīng)超1500GW，根據(jù)國(guó)家能源局相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)新能源裝機(jī)將保持200GW/年+的增長(zhǎng)速度，水、風(fēng)、光、火、核等電源構(gòu)成的局部電網(wǎng)也將越來(lái)越復(fù)雜，在走向以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的道路上，構(gòu)網(wǎng)技術(shù)有望成為電網(wǎng)安全的“護(hù)城河”。