主力电源型新能源发电关键技术与应用

上海交通大学特聘教授蔡旭2025年7月23日 主要内容 口背景 口构建新型电力系统的几点思考口主力电源型新能源理论问题与关键技术口关键技术实证、测试与商业应用口一些建议与讨论 口问题1：电网的电压强度变弱、系统惯性降低，新能源“限发电”问题突出；口问题2：电力电子装备高渗透，电网电压弱引发电力电子互联系统宽频振荡问题凸显口问题3：送端电网暂态电流支撑能力不足，新能源直流外送通道利用率低口问题3：涌现出各种电网支撑性装备待验证，传统支撑性装备经济性、便利性差。 2019.04-英国“8.9"大停电 2024.09一新能源基地功率振荡凸显 直流送出通道利用率低 全寿命周期1亿元耗电5% 单相接地故障，引发风电场、光伏发电系统相应切机，暂态频率快速降低引发大停电 近年来甘肃、青海、陕西等800万千瓦新能源直流外送通道被追降功率运行。 米东3GW光伏电站，发电功率超60%，引发了75HZ功率振荐 背景一电力系统安全稳定问题日益严峻 口电网的稳定运行需求包括稳态灵活性和暂态安全性两个方面。灵活性是指电源出力和负荷波动时，保证发电-用电平衡的能力，对应于稳态的功率平衡。而安全性是指系统发生故障时能够恢复到稳态的能力，对应于暂态过程的功率平衡 口当前新能源缺少电网支撑能力，其快速发展给电网安全稳定带来重大隐患，已成为制约新能源发展的“卡脖子问题。 驱需具备强暂态支撑能力的主力新能源电源诞生 主要内容 口背景 口构建新型电力系统的几点思考 口主力电源型新能源理论问题与关键技术 口关键技术实证、测试与商业应用 口一些建议与讨论 思考1一构建新型电力系统技术路径问题 口电力系统从同步机主导向新能源主导过渡，构建新型电力系统是一个渐变的过程口同步机电网理论长期主导电力系统运行，形成了成熟的理论体系和坚实的人力、物力基础；口在构建电力系统的渐变过程中，依赖全新的理论体系是不现实的。需要发展和完善同步电网理论，而不是构建全新的理论体系。 自主建立电压、自主频率响应、自主电压响应！ 建立电压、释放惯量、频率响应维持有功功率 思考2一新能源引发的问题还需新能源自身解决 口构建电力系统的核心是电源，配置各种电网支撑装备只能起到辅助和优化作用；口新能源具备支撑电网暂态的潜质，核心是电力电子装备“控制创新+过载能力提升” ?光伏板超配成为普遍事实：35kV高压直挂储能技术已经成熟：电力电子装备具备提供无功的能力。 思考3一以主力电源型新能源为主体构建新型电力系统 ·主力电源型新能源支撑电网暂态；应对功率暂态平衡，解决“电网安全问题”·暂态支撑装置发挥辅助作用：·电力市场、需求响应重塑负荷特性；·电池储能承担短时调峰；应对稳态功率平衡，解决“调峰问题●抽水蓄能、常规电源和长时储能调峰： 构建以新能源为主体，常规电源、少量支撑装备和各类储能辅助的新型电力系统 构建新型电力系统的三个阶段 新型电力系统的未来取决于当前的选择 主要内容 口背景 口构建新型电力系统的儿点思考 口主力电源型新能源理论问题与关键技术 口关键技术实证、测试与商业应用 口一些建议与讨论 承担主体责任的主力电源型新能源发电交流并网 定义：以新能源场站整体为对象，暂态特性（含一次调频）总体达到或超越同步发电机电气特性构成：自同步电压源机组、10%的35kV短时储能（一次调频上调能力）、场站监测与稳定控制系统。 承担主体责任的主力电源型新能源发电直流并网 定义：以新能源场站直流系统整体为对象，暂态特性（含一次调频）达到或超越同步发电机电气特性：构成：自同步电压源型受端换流器、10%的储能、送端换流器频率镜像、自同步电压源发电单元 四种主流发电单元实现自同步电压源的挑战 基础理论问题一风/光/储装备暂态能量自洽与构建电网的基本理论 口硅基电力电子装备暂态能量缓冲能力仅为铁基同步机的“干分之一”，暂态能量自洽难！ 1）发展暂态过程的PACK变换理论，实现有功-无功精准控制：2）发展风电、光伏和储能装备无切换自同步控制理论，统一稳态与暂态控制模型：3）发展风电、光伏和储能装备自同步电压源标准模型，实现大规模稳定运行：4）精准刻画主力电源新能源的暂态特性需求边界，发展经济可行的主力电源型风电场/光伏电站！ 关键技术的突破与形成需要长时间的迭代与坚持！ 1、2011年提出高压直挂储能技术路线，10余年送代实现大规模产业应用：2、2016年~19年，中达科教基金重大项目支持，完成自同步电压源稳态控制3、2020年~22年，国自然重点和周孝信院士专项支持，完成多机并运稳定控制；3、2020年~22年，国网总部项目支持，完成自同步电压源暂态控制和多机示范4、2022年~23年，中国绿发重大项目支持，完成主力电源型风/光变流器装备研发：5、2023年~24年，国家能源局首台套项目推动世界首例主力电源风电场商业运行6、2023年至今，国家重点研发计划项自推动世界首例主力电源光伏电站建设 关键技术1：高压直挂储能及其构网控制技术 口电力电子功率变换单元串联无变压器直接接入高压电网：电池簇分散接入功率单元的直流侧 无变压器缩短电气距离，提升电网支撑能力和效：2、对电池堆管控到族，提升安全性：3、大幅降低电池一致性要求，提升单机容量：4、变换器均衡电池的荷电状态，大幅简化对BMS的要求国家能净海上风电技术装备研发中心 1.1高压直挂储能拓扑结构及其控制技术 口2014年世界首创高压直挂储能应用，循环效率提升6个百分点。2024年实现单机功率/容量从0.5MW/1MWh到50MW/100MWh、电压从690V到35kV的跨越 1.2高压直挂构网型储能技术 口实现了储能对同步机暂态特性的模拟与超越！黑启动，孤网和井离网切换：零延时响应，惯性时间常数2~25s可调，无超配过载能力提升3倍，电气距离缩短5倍：各项技术指标世界领先 1.3安全可靠运行技术 口在线扫描10万电芯动态阻抗谱，提前20个循环周期预警电芯故障：保证30%电芯或子模块故障下整机仍可靠运行，首次实现高压直挂储能装备局部故障不停运 阻抗谱测量 关键技术2：并网变换器暂态电流耐受能力尽限利用技术 口在线观测GBT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3.1一风电机组自同步电压源构建技术 提出直流电压实时映射电网频率的自同步电压源控制原理（惯性同步），多控制模式融合，攻克双变换器系统电压源控制难关，实现风电机组“启动-稳态运行-暂态支撑”全状态电压源特性 关键技术3.2一组串式光伏自同步电压源构建技术 口双模并行-竞争主导的电压源控制技术：直流侧无储能、无卸荷电路、电容小、直流电压稳定控制难，并网变换器工作状态多变，光伏板无物理惯量，惯量响应需要虚拟实现， 关键技术4：干台数量级自同步电压源装备集群的稳定控制技术 实时评估稳定边界，动态调整阻尼参数，保持充足的稳定裕度，实现干台数量级电压源发电装备稳定运行：通过约束有功出力、阻尼运动速度、扩展稳定边界等手段实现暂态同步稳定。 产品1：自同步电压源型光伏发电逆变器 自同步电压源组串式光伏逆变器 产品特点 可自主为电用受供票量及参与电网一次调摄可控送行于路比小于1.1的服男电用其品高低电压热费报力，提供拍上的态电池图MPPT，适技爱染发电环发电效率>99%，支持45'C行不得股，减少发电量损失 自同步电压源型集中式光伏逆变器 产品特点 可自主为电网提供续量及参与电网一次品用备高电穿联动，预供以上的能电池可格定范行于拍题此小于1.1的股期电网，发电效率>99%，变持45C诺行不降器，减少发电量费失 产品2：自同步电压源型风电变流器 CG2中国理R品大 自同步电压源组串式光伏逆变器 产品特点 可自主为电用授供受量及参与电网一次通，其品高低电压放限穿力，提供推以上的后电究可特控适行于滋比小于1.1感男电间，发电效率>99%，支得45'C图行不得服，减少发电量费失 自同步电压源型集中式光伏逆变器 产品特点 可自主为电网提供续量及参电界一次调品用务高电压究能力，温格以上的电究可摄感适行于拍器比小于1.1的股特电，发电效率>9%，变持45C送行不降器，减少发电量摄失 产品3：主力电源型新能源场站控制与振荡阻尼系统产品4：35kV高压直挂静止同步机（构网型储能） 生力电源型风光场站控制与振荡阻尼系统 产品特点 实时净结光状逆变造行状态，实现稳逆提量化分板用控制计精图量，买摄实时份分配下发， CG中国保发品大会 自同步电压源35kV高压直挂式储能（静止同步机） 产晶特点 具备四象限选行期力，通行热国广有物和无能的否期感速官在吸以内，反感速型失实一次调预的快速确店，电网膜率有保膜，电网媒9器供1.2维超器电信，有效支净电网电压 主要内容 口背景 口构建新型电力系统的几点思考 口主力电源型新能源理论问题与关键技术 口关键技术实证、测试与商业应用 口一些建议与讨论 在国家电网有限公司西北分部、甘肃公司和新疆公司的指导下，分别由甘肃电科院和新疆电科院主持完成了世界首例主力电源型风电场和光伏电站的全面测试，下面是主力电源型风电场/光伏电站的测试结果 23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、孤网运行和三相短路等53C项测试。 32台自同步电压源机组，华锐3MW风电机组、禾望变流器 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 主力电源型风电场一次调频曲线 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 配置10%的储能容量/分钟级持续时间，经济性解决风电场的向上一次调频问题。 ●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。 与同步发电机组频率响应的对比分析负荷突增 主力电源型风电场比同步发电机组的暂态频率响应性能更优，但无向上的二次调频能力！ 与同步发电机组频率响应的对比分析负荷突减 主力电源型风电场一暂态电压支撑能力 不超配经济性输出暂态电流一一3In，持续实践625ms 电压支撑能力无延时响应，等效短路比不小于5.0 单机低、高电压支撑实测波形和量化指标 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口电网电压升高至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 带330kV系统35kV近母线三相金属性短路试验 主力电源型风电场与同步发电机组暂态特性对比 结论： 世界首例主力电源光伏电站 口2025年4月，世界首例主力电源型光伏电站-新疆尼勒克250MW光伏电站完成自同步电压源光伏惯量响应、一次调频、阻抗扫描、短路比适应性等10大项、21小项、209个测试工况的全维度测试验证，测试结果验证了主力电源型光伏电站的技术可行性。 光伏子阵（3.2MW）频域阻抗波形 光伏子阵稳态电压响应波形 口电网电压相位跳变10°时，光伏逆变器可自主调节有功和无功出力，保持稳定运行 口电网电压幅值动0.02p.u.光伏逆变器可自主调节无功出力减