在我國碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標的驅(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)。天津大學電氣自動化與信息工程學院教授朱介北團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)電機來提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，同步發(fā)電機能夠為電力系統(tǒng)提供相對較高的轉(zhuǎn)動慣量。同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量反映了其轉(zhuǎn)子存儲動能的大小，當電力系統(tǒng)發(fā)生發(fā)電機掉線等嚴重故障時，轉(zhuǎn)動慣量可充當能量緩沖器抑制電網(wǎng)頻率的變化，從而為其他機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，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)超級電容電壓進行有序充放電，來模擬同步發(fā)電機的慣量響應(yīng)。
在此基礎(chǔ)上，團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)功率的精準調(diào)控。裝置可以穩(wěn)定、有效地模擬慣性時間常數(shù)達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棄光和斷電問題提供了有效的技術(shù)示范。
哈電風能有限公司相關(guān)負責人表示：“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)超載約束的棄風現(xiàn)象，有效提高新能源利用小時數(shù)。”
來源：科技日報 記者 陳 曦 通訊員 張 華
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