2024年主力电源型风电场光伏电站关键技术与应用报告

背景与技术形成过程

在“双碳”目标下，风光发电迎来高速发展，但当前尚不能承担主体电源责任。常规风光并网比例攀升带来的影响主要体现在电网的灵活性和安全性方面。电网稳定运行需求分为灵活性和安全性两个方面，而电网安全已成为制约新能源发展和高比例消纳的“卡脖子问题”。经过十年研究历程，包括多项国家自然科学基金、国网总部项目及中国绿发重大科技项目支持，形成了主力电源型风光电场技术体系。

主力电源型风光电场概念与关键指标

主力电源型风光电场以新能源场站整体为对象，具备自同步电压源特征和黑启动、孤网运行能力，使新能源场站具备承担主体电源责任的能力。关键指标包括：不超配提供持续时间不小于625ms的3倍额定电流的暂态电流输出能力，无延迟自主响应暂态电压，上升时间小于20ms；惯量响应：可自主、无延时释放风电机组的“物理惯量”、虚拟光伏发电系统惯量，惯性时间常数不小于8s；一次调频能力不小于±10%风光场站额定功率（持续时间不小于5min）；黑启动并可独立带负载运行。

关键技术

1. 频率映射自同步电压源控制技术：包括显式和隐式两种方法，通过直流电压与电网频率的相动力学特性实现变换器输出电压与电网电压自同步。
2. 自同步电压源控制下的轴系扭振抑制技术：解决机组在自同步电压源控制下转矩控制惯性大引发的轴系扭振和机组振动问题。
3. 并网变换器无超配暂态电流耐受增强技术：通过功率器件结温精准估计和暂态电流耐受能力尽限利用技术，提升变换器的过电流耐受能力。
4. 干台级电压源集群稳定控制技术：包括在线阻尼协同控制和暂态同步稳定控制，解决千台数量级电压源集群的稳定问题。
5. 35kV高压直挂构网型储能技术：基于电力电子的电池簇分散接入，提升效率和安全性，大幅降低电池一致性要求。

技术应用

• 主力电源型风电场：2023年11月，甘肃干河口南北风电场投入运行，通过530项测试，包括电网适应性、惯量响应、一次调频、高低电压穿越、黑启动、孤网运行和金属性短路等。
• 主力电源型光伏电站：2024年7月，新疆尼勒克主力电源型光伏电站运行，含1575台320kW自同步电压源发电单元，装机容量500MW，35kV汇集母线三相金属性短路试验稳定运行。

控制系统

• 主力电压型风光场站控制系统：提出控制参数在线修订安全机制，同时部署了在线稳定裕度评估和阻尼协同控制系统。
• 阻尼协同稳定控制系统：在黑启动、小风大风等多种运行工况下开展裕度评估，实现裕度提升。
• 一次调频能力：用10%的储能容量配置，经济性解决风光场站的双向一次调频。
• 暂态电压支撑能力：不超配暂态电流输出能力达3In，持续时间625ms，电压支撑能力无延时响应，等效短路比不小于5.0。

研究结论

1. 主力电源型风光场站与常规同步机电源相比，在一次调频及以下的时间尺度上具备更优的电网支撑能力。
2. 变换器控制下的风光发电系统具备高度灵活的可塑特性，使大规模构网型设备在理论上存在稳定运行的可能。
3. 建设主力电源型风光场站对成本的增加可以忽略不计。
4. 主力电源型风光场站支撑电网暂态，电力市场重塑负荷特性、宫常规电源和各种储能进行调峰，是一种构建新型电力系统经济可行的途径。