构网型风电技术能否推动风电高比例发展

2023年7―9月，河北建投康宝“以大代小”风电平价示范项目连续公布了风电机组设备及附属设备、预装式变电站设备等采购的中标结果。因20万千瓦的总装机容量中有3万千瓦采用了构网型风电机组，其成为首个实现构网型机组批量商业化的项目。

2023年9月27日，国家能源局发布《关于组织开展可再生能源发展试点示范的通知》，提出支持构网型风电、构网型光伏发电、构网型储能、新能源低频组网送出等技术研发与工程示范，显著提高新能源接入弱电网的电压、频率等稳定支撑能力，大幅提升风电光伏大基地项目输电通道的安全稳定送电能力。

在2023年10月16日开幕的2023北京国际风能大会暨展览会（CWP2023）上，有多家整机与变流器企业，推出了与构网型技术相关的产品或取得了认证证书，使其成为本届CWP的技术焦点之一。

构网型技术已被视为未来新型电力系统稳定性重要技术之一，并有望实现风电机组从“被动适应”转变为“主动支撑”电网。

提高风电占比

在某种程度上，构网型技术更多着眼于解决未来以风电、光伏等新能源为主体的新型电力系统所面临的挑战。

我国大多数新能源富集区域均邻近电网末端，新能源场站送出并网点短路比普遍较低，一般低到1.5~1.8仍可以稳定运行。当短路比更低时，新能源电站的并网就可能存在次同步振荡等稳定性问题，进而引起弃风、弃光等不利于新能源消纳的局面。在采用构网型风电机组后，能够在更弱的电网环境下实现新能源场站与电网的耦合稳定性，并网点短路比技术边界可降低到1.2，甚至是1.0，实现稳定运行。因此，从技术和系统安全角度来看，构网型机组所具备的同步电压源外特性，使其在规模化利用后能够大幅提高风电在电力系统中的占比，且充分发挥在电力系统中的支撑作用。

“一方面，构网型机组能够提升同等电网强度下可开发风电的容量；另一方面，可在同等开发条件下，降低电网稳定电源所付出的代价与成本，如减少对调相机和储能的需求。”金风科技研发中心副总经理杨志千向《风能》表示。

之所以能够具备这样的能力，是因为与随网型机组相比，构网型机组的控制逻辑发生了根本性改变。它通过模拟同步发电机组转子运动方程，基于控制特性的映射等技术手段，对外呈现出电压源控制和自同步构网特性，直接控制输出电压幅值和相位，从而支撑电网频率和电压稳定，并对系统提供惯量及阻尼支撑，具备孤岛运行能力，适用于强度弱、惯量低的高比例新能源电力系统。

一个更易理解的比喻是，随网型与构网型机组的区别，如同普通火车的车厢与动车车厢的差异。普通火车车厢没有动力系统，而动车车厢既可以独立载客运行，也能够与其他动车、火车车厢组合。当火车拉载的车厢越来越多时，就需要提高动车车厢占比，以提供动力支持。

在杨志千看来，构网型风电机组的应用范围相当广泛，尤其是沙戈荒、深远海与分散式场景。对通过特高压或柔性直流送出的沙戈荒大基地项目与深远海项目而言，需要确保一定的系统安全稳定性，让构网型机组有了用武之地。而分散式风电项目一般分布在配电网弱连接的区域中，同样可以体现出构网型机组的技术优势。

也就是说，构网型机组在各类应用场景中的技术本质是相同的，但从电网特点上来看，大基地与深远海风电项目体现为集中送出，在电源和电网协同上，电源影响很大。分散式电网较弱，变相地使电源影响也很大。一个是由于源的量大，导致源网变化；另一个是网弱，导致源网变化。

“不管是特高压，还是弱电网，在新能源占比较高的场景中构网技术都更适合。”杨志千进一步解释，“从技术底层特征来讲，只要是电源和电网相对强度发生变化的地方，都可以采用构网型机组。”

拓展技术价值

虽然构网型风电机组目前仍很难在市场中占据主流，但国内外不少企业已经对其进行了研发布局。据了解，维斯塔斯基于双馈技术路线，已在英国和澳大利亚完成了构网型机组的一系列场站级仿真验证工作。我国风电企业开始将目光聚焦于构网型技术则是在2017年前后。当时，一些出口项目在国外遇到了高比例风电接入电网的挑战，却缺乏应对措施与技术储备。

“我们用1~2年时间完成了初步研究工作，在2019年形成整个技术构型，到2021年提出构网型机组1.0版本。”杨志千说，“主要目的是将它与传统技术进行对比验证测试，确认其是否具备一定优势。我们初步得出结论，构网型风电机组在解决传统问题的同时，新的问题和挑战也可以被解决和克服。”

2022―2023年，金风科技先后在北京亦庄园区进行了单机改造及示范运行，联合甘肃电网和上海交通大学进行了构网型机组馈线级别的示范运行，并在湖北广水进行了整场机组的改造和示范运行。2023年4月，新疆电网对外宣布，携手金风科技完成国内首次构网型风电场接入大电网全电磁暂态仿真研究。据了解，完成该研究的天润木垒风电一场，是目前全国在送端直流近区接入构网型机组规模最大的风电场。

“对于构网型机组的研究，很多依然是以单机控制策略，包括特性的优化，还有局域小电网分析为主。天润木垒风电一场项目将场景范围进行升级和拓展，以整个新疆电网为背景开展系统验证，不仅仅是体现在单机局部性能上，还体现在对整片区域电网运行的影响上。”杨志千表示。

构网型风电机组的关键挑战，在于不仅仅需实现其比例支撑能力、弱短路比的实用性、暂态特性等单一能力的突破，更要确保其在工程化应用层面的平衡。

“我们已经在天润木垒风电一场项目上成功验证了构网型机组对区域电网的影响，未来将进一步拓展了解其在更大的电力系统场景下的系统价值和特点。”杨志千坦言，“同时，构网型技术不仅能运用在风电机组上，也可拓展至光伏、储能、SVG等相关技术领域。除了构网型机组外，我们也在做构网型储能，研究构网型机组与随网型机组间的配合，构网型储能与普通储能间的配合。”

场景决定成本

构网型技术的主要价值在于支撑电网稳定。这可分为几个维度，包括频率的稳定、电压的稳定、次同步振荡的抑制等。因此，目前整机商推出的构网型机组，需要同时考量应用场景需求与成本，并不能简单地归结为单一产品，而是一套有针对性的解决方案。

事实上，构网型机组的构网能力有深有浅，如果只是针对短路比适应性的提升，那么仅需采用最基本的构网型技术，在机组的控制系统上进行提升，并不需要大的功率性硬件的升级。该类方案可用在大基地特高压和深远海风电等场景，一定程度上解决由于安全稳定裕度所带来的弃风、弃光等问题，助力消纳比例的提升。因此，其不会对机组采购成本产生太大影响。

还有一些应用场景，除短路比适应性外，对频率稳定性、机组惯量、有功出力等提出要求，就需要为构网型机组配置储能模块。它的成本相对更高，但仍比单独配置其他储能设备拥有优势。

“要放在具体场景下看构网型机组的成本价值。并不是所有场景都需配置这种深度的构网型机组。如果一定要配储能，那就是在电网极弱或需要特别强频率支撑的情况下，这种情况即使风电机组不配储能模块，外部也需要单独去配储能设备。”杨志千表示。

河北建投康保“以大代小”风电平价示范项目，所采用的正是这种被称为PLUS版的构网型机组。据公开的中标信息显示，该项目17万千瓦的随网型风电机组中标单位报价为1720元/千瓦；3万千瓦构网型机组中标单位报价较前者高出一倍有余，达到3990元/千瓦。

据了解，该项目的构网型机组成本之所以高，一是配备了储能模块的构网型机组本身设备成本就高；二是其作为一个示范项目，分摊了一部分科研与试验投入成本。在构网型机组实现大规模应用后，仍有较大降本空间。

“一个项目到底需要配置几台构网型机组、几台随网型机组，必须结合实际情况来研究，并非全部采用构网型机组就一定更好。”杨志千向《风能》坦承，“构网型机组是解决当下和未来新能源高比例接入电网所面临的挑战的关键路径之一，但在不同场景下的配置方案和比例还需要更多、更大规模应用实践的验证。”