2024年主力电源型风电场光伏电站关键技术与应用报告

单位：上海交通大学报告人：蔡旭，xucai@sjtu.edu.cn时间：2024.10.28 主要内容 口背景与技术形成过程 口主力电源型风光电场概念 口主力电源型风光场站关键技术 口主力电源型风光场站技术应用 口结论 背景 “双碳”目标下风光发电迎来持续高速发展；截止2024年6月，我国新能源装机占比已达38.4%，预计2030年占比将达49.1%即将成为主体电源 当前风光电源尚不能承担主体电源责任！ 数据来源：《国家能源局2022年全国电力工业统计数据》：《中国“十四五”电力发展规划研究》 背景风光发电单元与同步发电机组的区别 背景常规风光并网比例攀升带来的影响 灵活性与安全性的思考 电网的稳定运行需求分为灵活性（稳态）和安全性（暂态）两个方面。灵活性是指电源出力和用电负荷需求波动时，能保持发电-供电平衡的能力，安全性是指在系统发生故障后，能恢复到稳态的运行！！能力。 灵活性已为广泛认知，比如用电负荷峰谷差变大、调峰难度加大新能源发生弃风弃光等。 自前，电网安全已成为制约新能源发展和高比利消纳的“卡脖子问题。 敬需能承担主体电源责任的风光场站诞生 十年研究历程及对各项支持的裹心感谢！ 1、2015年～2019年，国自然面上项目、中达科教基金重大项目支持；（首次提出风电机组的频率映射同步概念，完成自同步电压源稳态控制理论， 2、2019年1月~22年12月，国自然重点项目、周孝信院士专项国网总部项自支持：完成自同步电压源多机并运小扰动稳定控制理论 3、2020年9月～22年12月，国网总部项自“高比例新能源电力系统的自同步电压源型新能源发电关键技术研究”：（完成自同步电压源机组暂态控制、单机实证 42022年6月～23年12月，中国绿发重大科技项自风力机先进电控系统（主力电源型变流器研发）”；（完成主力电源型风/光变流器装备研发） 5、2023年1月~今，国家能源局首台套项目“100MW主力电源型风电场示范”完成风光场站在线阻尼与控制系统研发，形成主力电源型风电场技术体系 62023年12月～至今，国家重点研发计划项自支撑灵活性提升的数字化风电光犬变流器关键技术与装置研制”（持续升展自同步电压源装备共性关键技术研究 主要内容 口背景与技术形成过程 口主力电源型风光电场概念 口主力电源型风光场站关键技术 口主力电源型风光场站技术应用 口结论 主力电源型风电场结构和技术构成 1）自同步电压源风电机组：2）10%风场容量的35KV高压直挂储能静止同步机（功率型储能） 3）主力电源型场站控制系统（阻尼协同振荡预防、AGC、AVC）。 主力电源型光伏电站结构和技术构成 1）自同步电压源光伏发电单元：2）10%风场容量的35KV高压直挂储能静正同步机（功率型储能） 3）主力电源型场站控制系统 主力电源型风光场概念与关键指标 定义：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。 考虑经济性的技术指标： 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，上升时间小干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，不影响发电量，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）上调响应调节时间小于40ms，下调响应调节时间小于200ms；黑启动并可独立带负载运行 主要内容 口背景与技术形成过程 口主力电源型风光电场概念 口主力电源型风光场站关键技术 口主力电源型风光场站技术应用 口结论 关键技术1：频率映射自同步电压源控制技术 显式映射自同步电压源控制技术隐式映射自同步电压源控制技术 难题： 1.并网变换器的直流侧电压无支撑的电压源构建问题 四种主流发电单元 频率映射自同步电压源控制基本原理 口由于并网变换器的直流侧电容电压与同步机的转子转速具有相的动力学特性，可以采用直流电压等于电网频率的控制率，实现变换器输出电压与电网电压自同步。 1.1“显式”频率映射型自同步电压源控制技术 频率映射型自同步电压源控制技术仿真及实证波形 1.2一“隐式”频率映射型自同步电压源控制技术 口“显式”控制方法将频率波动直接映射到直流侧电压上，当直流侧电容较小时会引发直流电压稳定控制难，提出“隐式频率映射自同步电压源控制方法。 “隐式”频率映射型自同步电压源控制技术仿真波形 应用案例：全功率变换风电机组的自同步电压源控制 2021年首例全功率变换自同步电压源风电机组运行实证 2021年对北京金风科技园区的一台2.3MW永磁直驱风电机组进行自同步电压源控制改造，11月9日正式投入运行，并进行长期运行考验 2022年4月甘肃安陆风电场运行实证 >2022年4月6日对甘肃安北第二风电场的第71号和第75号永磁直驱风电机组（2MW）进行自同步电压源构网控制改造，开展电网适应性、惯量响应等测试，并进行长期运行测试考验 关键技术2：自同步电压源控制下的轴系扭振抑制技术 机组在自同步电压源控制下“转矩控制惯性大”，易引发轴系扭振和机组振动，机组固有惯量释放难！ 关键技术3：并网变换器无超配暂态电流耐受增强技术 功率器件结温精准估计技术暂态电流耐受能力尽限利用技术 难点2：#容量不超配下提升变换器的过电流耐受能力 难点1：功率器件结温难以测量，而在线观测精确度低 3.1功率器件结温精准估计 口提出功率模块“结-壳热流传递函数”的建立方法，结合厂家Foster热路数据，建立结温观测模型，基于电压、电流和散热器温度的检测，实现对IGBT结温和Diode结温的精准在线估计。 3.2一暂态电流耐受能力尽限利用 口在线观测IGBT结温，调整开关频率、适配直流电压，精准控制驱动电压，控制输出电流逼近结温边界电流。无需扩容，提升暂态电流至3倍额定值以上，持续625ms。 关键技术4：干台级电压源集群稳定控制技术 电压源集群阻尼在线协同控制技术电压源集群暂态稳定控制技术 针对的难题： 1.千台数量级电压源集群复杂工况下的小扰动稳定控制： 2.千台数量级电压源集群，电网暂态故障扰动下的暂态同步稳定控制 4.1一电压源集群在线阻尼协同控制 口基于场站实时运行数据，在线刷新场站闭环模型，进而定量评估整场稳定裕度口依据稳定性模态信息在线修正各机组的阻尼参数提升稳定裕度实现电压源集群的阻尼协同控制 4.2一电压源集群暂态同步稳定控制 口依据就地信息，实时动态调整出力、阻尼功角运动速度和护展稳定边界限制状态转移轨迹在稳定边界内，实现多机暂态同步稳定 关键技术5：35kV高压直挂构网型储能技术 针对的难题： 1.单电感变换器的构网控制2.安全性、可靠性问题 高压直挂储能技术原理基于电力电子的电池簇分散接入 口电力电子功率变换单元串联直接接入6kV以上高压电网：电池族分散接入功率单元的直流侧 无变压器提升效率：对电池堆分割管控提升安全性：2、大幅降低电池一致性要求，提升单机容量2、变换器主动均衡各电池簇的荷电水平，大幅简化对电池管理系统的需求。 35KV高压直挂储能的自同步电压源构网控制技术 高压直挂储能装备经单电抗并网滤波器中“不存在电容器”，接入点电压无电容器支撑，自同步电压源控制难度大! 主要内容 口背景与技术形成过程 口主力电源型风光电场概念 口主力电源型风光场站关键技术 口主力电源型风光场站技术应用 口结论 2023年12月世界首例主力电源型风电场运行 口2023年11月，世界首例主力电源型风电场-甘肃干河口南北风电场投入运行，截止24年8月通过了电网适应性、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530项测试。 2024年7月世界首例主力电源型光伏电站运行 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，电站稳定运行！ 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运行情况 口在黑启动，小风大风等多种运行工况下开展裕度评估，振荡模式运动轨迹如下，结果良好口若裕度评估结果超限，阻尼控制系统动作在线更新各机组阻尼参数，实现裕度提升 3.0MW风力发电机惯量计算表 单机惯量响应实测波形 口电网频率变化率0.1~0.5Hz/s，机组惯量响应功率0.02~0.12p.u.等效惯性时间常数约12s 主力电源型风光场站一次调频曲线 35kV高压直挂功率型储能是上调功率的能量来源，新能源发电单元是下调功率的能量来源 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。 火电机组的一次调频能量来源于锅炉和蒸汽蓄热。火电机组具备双向一次调频能力。 主力电源型风光场站暂态电压支撑能力 等效短路比=5 产不超配暂态电流输出能力一一3In，持续时间625ms，超配20%容量，持续时间1.25S。 >电压支撑能力一一无延时响应，等效短路比不小于5.0 3倍的耐受达到5倍的支撑能力 单机低电压支撑实测波形 口电网电压跌落至0.2~0.9p.u.时，无延时响应，输出3~0.33p.u.短路电流，上升时间小于20ms 单机高电压支撑波形和量化指标 口电网电压升至1.2~1.3p.u.时，无延时响应，吸收0.2~0.5p.u.无功电流，上升时间小于20ms 带330kV系统黑启动、孤网运行 带330kV主变和全场集电线路、箱变完成零起升压“黑启动” 储能、15台风机（每台限功率450kW）和4MWRLC负载构成孤网运行，稳态频率为50.5Hz。 投切阻性/感性负载，3MW、3Mvar、1MW/3Mvar、3MW/1Mvar，在负载不断发生变化时，储能和风电机组自主调节有功/无功功率，保持孤网频率/电压稳定。 电压源设备集群暂态稳定控制技术实证 甘肃于河口实证1：孤网运行金属性三相短路实验（储能+15台风机限功率450kW/台+3MW负载）自同步电压源风机和储能装置均未发生脱网，输出波形光滑平稳，整场保持暂态稳定。 电压源设备集群暂态稳定控制技术实证 甘肃干河口实证2：并网运行金属性三相短路实验（储能+24台风机）自同步电压源风机和储能装置均未发生脱网，输出波形光滑平稳，整场保持暂态稳定 故障过程中全场站的风电机组输出电流平均值达到3.0ln，上升时间小于15ms 电压源设备集群暂态稳定控制技术实证 新疆尼勒克实证：孤网运行金属性三相短路实验（198台光伏逆变器+3MW负载）短路期间电流快速响应，基本无超调，电压电流波形平稳过渡，无暂态失稳现象 主力电源型风电场与同步发电机机性能对比 暂态电压支撑能力优于同步机；惯量响应能力与运行工况相关，总体上优于同步机；一次调频能力比同步机更快；仅具备单向二次调频能力，工作点PO随风况波动 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。 谢谢！