面向新型电力系统的构网型储能技术：原理、应用与发展趋势

面向新型电力系统的构网型储能技术：原理、应用与发展趋势 王雄飞，兴华讲席教授，清华大学电机工程与应用电子技术系 自我介绍 王雄飞 ·清华大学兴华讲席教授，国家级高层次人才，IEEEFellow·清华大学电机系大容量电力电子与新型电力传输团队负责人，客座教授，瑞典皇家理工学院，日立能源研发中心高被引学者，WebofScience，Clarivate；ScholarGPS主编，电力电子领域国际顶刊TEEETransactionsonPowerElectronics 从事电力电子与电力系统交叉领域的研究，主要方向涵盖电力电子变流器的建模与控制、新型电力系统动态稳定性、电能质量与谐波抑制、大容量电力电子技术等。曾主持政府科学基金项目、企业科技攻关与咨询项目逾40项，多项核心成果已在新能源场站、柔性交直流输电装备、大规模独立运行电网及弱电网接入等关键应用场景成功落地，其中，构网型变流器的研究为内蒙古额济纳、沙特红海新城等多个构网储能项目的建设与稳定运行提供了有力支撑。研发并商业化的电力电子装备阻抗测量与稳定性分析软件已被全球多家电网公司和高校采购使用。 现任IEEETransactionsonPowerElectronics主编、中国电机工程学会CSEEJPES编委，IEEE电力电子学会电力电子化电力系统专委会主席、IEEE现代能源电网大容量电力电子国际技术路线图主席。先后获得IEEE/IET论文奖12项2016年入选丹麦奥尔堡大学战略人才管理计划，2018年lEEE电力电子学会RichardM.Bass杰出青年电力电子工程师奖，2019年lEEE电力电子学会可再生能源系统技术成就奖，2022年日本lsaoTakahash电力电子奖。 新型电力系统 高比例新能源，高比例电力电子装备() 超大容量（GW级）有源负荷重构电力系统形态由“物理主导”转向“软件定义”的电力系统动态特性装备动态交互异质化，系统运行方式多样化，新型稳定问题涌现多时间尺度耦合互动的电力电子控制与电力系统保护惯量中心同步区域收缩，局部惯量主导，区域间频率振荡加剧系统支撑强度（短路容量和惯量）和装备支撑能力驱需重新定义 新型电力系统 新型电力系统 全电力电子化电力系统－海上直流电网 电力系统安全稳定性挑战 低频振荡、）次/超同步振荡、宽频振荡等问题不断涌现 电力系统安全稳定性挑战 异构装备集群的故障穿越、电网支撑能力不足，引入新型暂态同步、电压失稳风险 2019年，伦敦因海上风电场脱网发生停电事故，110万电力用户失去供电，其中包括医院、铁路，机场等关键设施世界最大海上风电场运营商（Orsted)被处以450万英镑罚款 电力系统安全稳定性挑战 电力系统稳定性问题定义和分类的演变 电力系统安全稳定性挑战 电力系统稳定性问题定义和分类的演变 构网型电力电子装备 构网能力取决于电力系统稳定需求，而非电力电子技术本身 构网型电力电子装备一基本定义 核心需求：近似恒定的电压源 -在次暂态至暂态时间尺度内可视为恒定或近似恒定的电压源[1]-有效阻抗由硬件阻抗和软件控制作用阻抗构成[2] GRIDFORMINGCAPABILITYOFPOWERPARKMODULES FIRSTINTERIMREPORTONTECHNICALREQUIREMENTS 构网型电力电子装备一同步机制 构网同步机制：“弹性”连接 有功功率随频率/相角变化呈摆动/下垂式响应 跟网同步机制：“刚性”连接 有功功率对频率/相角变化保持恒定响应 构网型电力电子装备一控制实现 超越同步机一灵活配置惯量、阻尼和下垂系数 构网型储能技术一团队支撑多个构网标志性工程与电网导则 英国电网构网标准导则 额济纳“源网荷储”微电网工程 全球最大的光储微网系统华为集团级科研合作优秀奖（华为数字能源历史首个，全球1800项目18个入选）多项美国专利 国内首个广域新能源电力系统构网型储能实现100%新能源供电、黑启动、稳定离网运行支撑构网型储能系统核心控制算法 构网能力要求与性能评估框架深度参与构网装备建模、稳定性分析工具与电网要求修订英国外唯一高校团队 构网型储能技术一团队支撑多个构网标志性工程与电网导则 带超级电容储能的静止同步调相机（E-STATCOM） 构网型储能技术一团队支撑多个构网标志性工程与电网导则 对比：带飞轮储能的同步调相机（SC-FW) 频率变化时的惯量响应 ·响应与SC-FW相似·可通过控制灵活调整惯量和阻尼 构网型储能技术一团队支撑多个构网标志性工程与电网导则 构网型储能支撑海上风电场稳定运行 面向长电缆送出型风电场的集成储能系统（IBESS） 一体化解决方案：1）高稳定性鲁棒性，2）主动谐波抑制，3）黑启动能力，4）惯量支撑 构网型储能技术一新能源区域电网 构网型储能稳定100%新能源区域电网一额济纳工程 构网型储能技术一新能源区域电网 构网型储能稳定100%新能源区域电网－额济纳工程 100%新能源发电，全部采用跟网控制通过442km单回架空线与主网相连 弱电网，稳定性风险高区域内无电压源，无法孤网运行 无缝切换离网模式黑启动 构网型储能技术一新能源区域电网 "旧”控制，新期待 “旧”控制：传统控制架构为下垂控制，30多年前就已被提出[1] 新期待：和同步机一样可靠（甚至更可靠、性能更优），成为新型电力系统稳定运行的基石。 构网型储能为11.4万km²额济纳电网的唯一电压源，若不能可靠运行则存在系统停电风险[2] 离网运行期间系统经受了10干伏线路接地故障、超过负荷总功率30%的大负荷双向大范围波动冲击、大风速风电切机等严苟考验，验证了构网型储能支撑100%新能源连续运行能力[2]。 构网型储能技术一发展趋势 短路电流全过程可控自适应内电势调节，极端电网条件不失步故障恢复阶段有效抑制反向有功电流 跟/构网统一同步控制架构高效灵活配置系统阻尼最大化跟/构网变流器的控制优势 适应继电保护的内电势和输出阻抗适应继电保护的故障穿越控制重构电力电子控制与继电保护的协同 Thank You谢谢 Xiongfei Wangxiongfei@tsinghua.edu.cn