在中國高速增長的新能源裝機占比下，平衡能源轉(zhuǎn)型與電網(wǎng)安全的兩大目標是當下的重大課題。
在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進程中，“雙高”特性將進一步凸顯，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、弱阻尼等問題。但我國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)模仍需進一步擴大，當新能源發(fā)展與電網(wǎng)安全“難兩全”時，構(gòu)網(wǎng)技術(shù)成為了行業(yè)破局的關(guān)鍵點。
新能源發(fā)展與電網(wǎng)安全背后的技術(shù)迭代
盡管當前國內(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)專家認為，136號文是新能源走向主力能源的開端。
以西北區(qū)域為例，有電規(guī)總院相關(guān)人士指出，“十五五”期間仍有超100GW的新能源新增裝機用于“西電東送”；今年4月國家林草局報批了《三北沙漠戈壁荒漠地區(qū)光伏治沙規(guī)劃（2024—2030年）》規(guī)劃，主管部門為光伏治沙劃出20萬平方公里的可利用地，理論裝機近1000GW。
可以預見的是，在未來一段時間內(nèi)，西北地區(qū)仍是我國新能源增長的主力，但若不解決當前新能源對電網(wǎng)的弱支撐問題，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。
對于電網(wǎng)而言，電壓和頻率的“平穩(wěn)”是其安全運行的先決基石，而發(fā)電和用電電量“平衡”是其根本任務(wù)。傳統(tǒng)火電、水電機組設(shè)備在運行過程中因其機械慣性的存在，使得其主導的電力系統(tǒng)頻率不易受到網(wǎng)絡(luò)中其它擾動的影響。但隨著新能源裝機比例的提高，其資源的間歇性與波動性，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)認知中，除了弱支撐特性，寬頻負阻尼特性和低抗擾能力也是當前跟網(wǎng)型新能源發(fā)電的典型短板，而為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行，新能源“限發(fā)”成為特定條件下的首選手段。
新能源裝機快速攀升亟待行業(yè)從技術(shù)層面尋找答案來解決這一問題。而構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為問題的解決提供了強有力的方案。
一般來說，跟網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運行依賴于電網(wǎng)提供的穩(wěn)定頻率和電壓，對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求比較高，對電網(wǎng)中的擾動響應(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)備會脫網(wǎng)自保；而構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備則通過模擬同步機的運行方式以支撐電網(wǎng)的姿態(tài)接入電網(wǎng)，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或擾動時可以主動為電網(wǎng)提供電壓、頻率支撐，進而提升局部電網(wǎng)的強度。
進一步來看，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)出于安全考量帶來的限發(fā)問題。
另外，新能源大基地、海上光伏、海上風電等遠離同步電源的應(yīng)用場景，均處于電網(wǎng)薄弱的環(huán)境，導致新能源安全穩(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)電場景開發(fā)需求逐漸增多，新能源已經(jīng)逐漸從支撐電網(wǎng)走向獨立組網(wǎng)的新階段。
實際上，主管部門已經(jīng)認識到這一問題。日前，國家能源局在《關(guān)于組織開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)第一批試點工作的通知》中，明確指出構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)為首推試點方向。而國網(wǎng)冀北公司相關(guān)人員也表示，初步研究表明，未來電網(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，首次用于UPS類的電源，在國外已有過應(yīng)用經(jīng)歷。1977年，德國太陽能供電技術(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)進行電網(wǎng)支撐，推動了該技術(shù)的實際應(yīng)用；2022年，中國開始加速構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。2023年初，我國新能源裝備企業(yè)禾望電氣獲得了國際知名機構(gòu)DNV頒發(fā)的全球首張構(gòu)網(wǎng)型變流器證書。
可以看到的是，隨著新能源裝機的提升，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。在意識到這一點之后，本屆SNEC展會上，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光儲協(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)門檻但并非不可復制”，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)品驗證、主管部門的審核以及產(chǎn)品落地應(yīng)用的流程卻極為漫長。”
“每個省內(nèi)之間的電源復雜程度、負荷、供需情況是不一樣的，因此也造就了電網(wǎng)企業(yè)面對新技術(shù)應(yīng)用時流程方面的差異化。構(gòu)網(wǎng)型相關(guān)產(chǎn)品在實際應(yīng)用之前，要經(jīng)過當?shù)仉娍圃旱鹊闹刂仳炞C”，該工作人員補充到，“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?！?/span>
從2019年啟動預研工作，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-光-儲”全場景構(gòu)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)及評估于一體的場站生態(tài)體系，并實現(xiàn)了構(gòu)網(wǎng)型項目的批量應(yīng)用。
禾望電氣：引領(lǐng)構(gòu)網(wǎng)時代
據(jù)介紹，禾望電氣自主研發(fā)的構(gòu)網(wǎng)型風電變流器功率覆蓋1.5MW~20MW雙饋機型，1MW~30MW全功率機型；構(gòu)網(wǎng)型320kW光伏逆變器自主建立電壓、同步電網(wǎng)頻率，可長期維持端口電壓與頻率穩(wěn)定，具備孤島運行及黑啟動能力；構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器采用VSG技術(shù)，滿足3倍10s過載需求，具備慣量響應(yīng)、阻尼特性、一次調(diào)頻以及整站黑啟動等能力。
例如在世界首例主力電源型風電場中，中國綠發(fā)聯(lián)合禾望電氣、上海交通大學等單位共同實施，系統(tǒng)攻克了自同步電壓源風電機組及場站協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)。項目全部采用禾望電氣提供的3.2MW構(gòu)網(wǎng)型風電變流器，現(xiàn)已通過了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、并網(wǎng)、離網(wǎng)和黑啟動等530余項全方位測試試驗，以及全場黑啟動、孤網(wǎng)帶負荷、場內(nèi)人工短路等場站級試驗，成功實現(xiàn)了百MW級整場投運。
國內(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，通過虛擬同步發(fā)電機（VSG）控制策略，可以實現(xiàn)主動支撐電網(wǎng)、抑制寬頻振蕩、孤島運行及黑啟動等核心功能。同時，現(xiàn)場試驗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、21小項、209個測試工況的全維度測試驗證。
日前并網(wǎng)的我國首個大型鋰鈉混合儲能站同樣采用了禾望電氣提供的具備構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的組串式儲能變流器，不僅完成了構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)/離網(wǎng)全工況測試，還率先實現(xiàn)了場站多機協(xié)同黑啟動。該項目應(yīng)用的“支撐弱電網(wǎng)的40MWh高低倍率復合運行構(gòu)網(wǎng)型鈉離子電池儲能系統(tǒng)”在大容量功率型鈉離子電池、高效強過載構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器、高低倍率復合運行系統(tǒng)集成等三項技術(shù)取得重大突破，經(jīng)權(quán)威鑒定產(chǎn)品性能指標達到國際領(lǐng)先水平。
截止到今年4月底，我國新能源裝機已經(jīng)超1500GW，根據(jù)國家能源局相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源裝機將保持200GW/年+的增長速度，水、風、光、火、核等電源構(gòu)成的局部電網(wǎng)也將越來越復雜，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“護城河”。