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引言
冀北电网具有得天独厚的风、光资源优势,在这里新能源建设正全速推进。2025年6月最新数据表明,冀北新能源总装机已突破8000万千瓦,达8167.4万千瓦。新能源装机占比超75.8%,居全国首位。冀北电网已成为全国新能源发展的“排头兵”和“风向标”。
面对高比例新能源接入导致的系统惯量降低与电压失稳风险,构网型新能源技术逐步成为关键解决方案。该技术赋予新能源机组自主构建系统频率与电压的能力,显著提升系统稳定性,助力风光从发电“替补”迈向发电“主力”,应用前景十分广阔。
《绿电漫谈》第2期,我们将深入解读构网型新能源技术的来龙去脉与发展现状,剖析支撑“绿电”成为主力的技术创新。
王耀函 国网冀北电科院智能电网与新能源研究所所长助理
作为 “大规模新能源主动支撑控制技术” 国家电网公司科技攻关团队的骨干成员,长期专注于新能源并网控制与测试技术研究。攻关团队重点围绕千万千瓦级新能源汇集需求分析、构网型新能源装备研制、新能源场站协同控制、100%新能源汇集系统稳定性以及新能源主动支撑试验验证“五大方向”开展攻关,着力突破新能源机组控制与支撑能量来源协同、场站内多支撑源响应时序匹配等核心难题,为构建安全可靠的新型电力系统提供技术支撑。
Q1
这些年,风光发电从“替补”到“主力”经历了什么?
风光发电的发展如同人的成长,其能力与责任随着规模的增加而不断提升。
2010年之前,风光发电处于“幼儿期”,新能源仅具备基发电功能,不承担任何支撑电网责任,当电网发生故障时,发电设备启动自我保护功能进而立刻脱网;2011-2016年,来到“少年期”,因脱网事故频发,风光发电被要求具备故障期间不脱网的低电压穿越能力,相关国家标准陆续出台。
随着新能源占比的进一步提高,新能源汇集送端弱电网强度、暂态电压稳定、宽频振荡风险等问题日益突出,需要风光发电提供更多的支撑电网能力。2017年,冀北建成国际首座虚拟同步机示范电站,掀开了新能源主动支撑技术攻关的序幕。行业在虚拟同步机技术、暂态支撑能力提升、阻抗特性优化等方面开展了广泛技术探索。
2023年,冀北电网成为我国首个新能源装机量和发电量占比过半“双主体”的省级电网,新型电力系统雏形初现。作为主力电源的风光发电需承担相应责任,运行机制必须由被动“跟随”电网向主动“构建”电网转变。构网型新能源技术获得国家政策支持,成为核心发展方向,单机构网已突破,整站构网正攻关。
Q2
构网型新能源技术是什么,有什么用?
简单说,应用构网型新能源技术后,风光发电设备摆脱了“必须等命令”的局限,获得了像传统主力电源一样的自主构建电压/频率、主动支撑和维持系统稳定的能力,尤其在故障时更能“扛事儿”,还能在电网瘫痪时“点火重启”。这大大提升了系统的韧性和接纳新能源的能力。
自主建电网:传统设备就像绿皮火车车厢,必须紧跟系统中火电等“火车头”的电压信号才能运行;而构网型设备则像高铁车厢,自带驱动电机,能主动建立并维持自身的电压基准,自主与电网保持同步运行。
模仿真功夫:构网型设备通过虚拟同步发电机技术、下垂控制等先进算法,以及高过载变流器、直流侧耦合储能等新型硬件拓扑,成功模拟了传统发电机的核心功能——自同步电压源运行。例如,它能提供“虚拟惯量”,让系统在负荷波动时也能从容应对。
故障显担当:构网型新能源技术在故障穿越能力上实现了质的飞跃。在电网出故障时,能主动“顶上去”提供强大的短路电流,帮系统更快稳住局面、恢复供电,不像以前可能自己先“撤”(脱网)了。万一电网全黑,它能像“打火石”一样,独立点燃局部电网,重建电压和频率,加速整个系统重启。
稳定薄弱区:在新能源密集区或孤岛等系统薄弱区域,它通过呈现低阻抗电压源特性(提供更结实的“骨架”)和自适应阻尼(装上“减震器”),主动增强系统“体质”,抑制电压波动、次同步振荡等问题,让新能源在更多地方安全可靠地发电。
Q3
目前,构网型新能源技术都用在哪了,效果如何?
当前,构网型设备已取得显著进展,构网型储能、风电、SVG等装备相继研制成功,并在不同场景落地应用;冀北康保构网型风电项目,是国内首座商业化构网型风电项目,主要用于支撑弱送端系统电压;成都构网型SVG项目,用于保障负荷中心电压稳定;额济纳旗构网型储能项目,用于维持弱联系系统稳定运行。这些示范项目充分验证了构网型技术的可行性。
▲康保卧龙山构网型风电场
Q4
规模化应用构网型新能源技术,挑战在哪?
构网型设备性能尚未与系统需求良好匹配。当前设备厂商对于构网型技术的理解并未达成一致,部分厂家过分追求示范设备指标的先进性,在装备研制中忽略了经济性;部分厂商虽宣称其设备具备构网功能,但运行中其特性不符合电网的实际需求。因此,如何在保证经济性和安全性的同时,最大程度发挥构网型装备的支撑能力,是需要解决的重要问题。
场站构网配置与运行缺乏依据。场站是新能源参与调度的最小单元,电网需要它整体表现出“构网”能力。而实际情况是,站内设备数量多、类型多,构网型设备与跟网型设备之间交互复杂,该如何经济、高效地配置这些设备,从而表现出“整站”构网能力,目前仍缺乏理论指导。这正是冀北张承地区新型电力系统科技创新示范工程子工程一——“构网型风光储主动支撑与汇集组网示范工程”的攻关目标。
构网型电源接入电网的稳定机理复杂。100%新能源汇集系统中,多种电力电子设备与电网深度耦合,使得稳定性问题更为复杂。目前,缺乏高精度手段验证系统运行特性,难以明确系统对主动支撑功能的需求,系统同步稳定性、宽频带振荡分析与调度控制技术尚不成熟。
针对构网型技术的测试评价体系尚不完善。现有物理扰动测试手段在面对构网型场站时,犹如用“小秤”称大象,难以评估百兆瓦级构网型场站在真实复杂电网中的表现。另一方面,现有并网检测标准体系存在系统性缺失,无法覆盖到构网型技术的本质技术特征和潜在新风险,这就导致无法有效评价构网型设备和场站的支撑性能和健康水平。
▲国家风光储输示范电站构网型风机测试现场
Q5
下一步在构网型技术方面,还将开展哪些探索?
我们正依托风光储主动支撑与汇集组网科技示范工程、张雄特高压100%新能源汇集系统场景,开展场站级构网“装备配置-运行控制-试验实证”全链条技术攻关与工程示范,探明适用于不同系统场景的构网型技术的集成应用模式,有效应对冀北电网送端过电压、宽频振荡以及调频特性劣化问题,保障冀北清洁能源基地安全稳定运行,带动新能源并网技术代际升级。
▲风光储主动支撑与汇集组网示范工程
持续加强电力系统柔性调节能力。通过燃煤发电机组灵活性改造,灵活调节出力:新能源充足时,快速降功率腾出发电空间;新能源不足时,迅速提功率保电网安全。截至目前,该基地已有38台、1356万千瓦容量燃煤发电机组完成灵活性改造,新增调峰能力136万千瓦,相当于为新能源“腾挪”了同等规模的发电空间。
持续加大电网投资建设力度。强化骨干网架, 先后建成投产张北至胜利、北京东扩建工程2项1000千伏特高压交流工程;提升配套工程,建设承德牌楼、张家口白土窑等10项500千伏新能源配套电网工程。从而构建起以特高压为支撑、交直流深度融合的新能源外送体系,满足3400万千瓦新能源送出需求。
开展高比例新能源接入下的电力系统运行仿真。依托电力仿真平台,精准解析上百种风光设备的运行机理,准确把握机组特性,从而构建重要输电通道和新能源汇集站的全场站仿真模型,全面提升电网安全水平。基于仿真结果,持续深入构网型新能源技术攻关,提升新能源主动支撑与自主稳定能力,使新能源从被动“跟随”电网向主动“构建”电网转变。
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