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(yùn)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(duì)研制的新能源通用慣量模擬裝置,實(shí)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?yàn)殡娏ο到y(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(duì)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(duì)研制了新能源通用慣量模擬裝置,實(shí)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(shí)現(xiàn),因此裝置整體具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)和高精度的控制能力,可以準(zhǔn)確、實(shí)時地監(jiān)測電力系統(tǒng)頻率變化,根據(jù)實(shí)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(dú)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(yùn)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)。”
來源:科技日報 記者 陳 曦 通訊員 張 華
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