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虚拟同步机在新能源电站中的应用前景探讨——记CNESA第二十五期公益主题沙龙
2018-06-20

5月29日,由中关村储能产业技术联盟(以下简称“联盟”)与上海电力设计院、阳光三星储能公司联合主办的CNESA第二十五期公益主题沙龙——“虚拟同步机在新能源电站中的应用前景探讨”在上海召开。


本次沙龙吸引了储能技术厂商、光伏设备厂商、电力企业等近百位专业人士参与交流。上海电力设计院副总经理兼总工程师叶军为本次沙龙致辞,而后国网冀北电力科学研究院新能源研究所所长刘辉、合肥工业大学电气与自动化工程学院教授张兴、上海电力设计院高级设计师于童、阳光三星(合肥)储能电源有限公司副总余勇分别分享了新能源虚拟同步机科技示范工程建设及技术研究、虚拟同步机控制及其在新能源发电中的应用、国网风光储输示范电站虚拟同步机项目介绍、虚拟同步机在储能系统中实践与应用的发言。并与与会嘉宾就虚拟同步机与光伏/风电发电系统结合的必要性、相关行业标准、市场机制建设等问题展开了深度探讨。


刘辉主要从张北风光储输虚拟同步机示范工程和冀北电科院就虚拟同步机相关科研工作两个方面进行了介绍。


随着新能源装机的比例不断提高(截至2017年底风光的装机量已经达到16%左右),承担一定的系统调节职能已经成为了义务,虚拟同步机也是在这样的背景下被提出来。以冀北区域为例新能源装机已经超过50%,并且随着张家口可再生能源示范区的批准,未来新能源装机占比还将进一步提升。因此冀北电科院以及风光储输工程也比较早就开展了兆瓦级虚拟同步机相关的工作。


示范项目于2016年启动,分为三个部分:一是对59台2MW风电机组进行改造,使其具备虚拟同步功能(验证了转子惯量支撑和预留备用容量支撑);二是对24台500kW光伏逆变器进行改造,借助储能使其具备虚拟同步功能(配置了超级电容和锂离子电池两种储能介质);三是新建了两台5MW基于储能的电站式虚拟同步机。2017年12月实现全部并网。


借助示范工程,冀北电科院从虚拟同步机的理论、设备和系统三个方面持续开展了研究工作。涉及虚拟同步机控制理论、并网稳定性研究、与常规机组如何配合、设备试验平台、电力系统仿真等方面。当然针对虚拟同步机的研究还在不断深入中,也希望有识之士和我们共同开展攻关研究。


对于虚拟同步机推广的问题,风电相比光伏多一个惯量支撑的手段,但是单纯利用惯量很容易造成频率的二次跌落,而预留备用方式又极大影响电站本身的收益,因此结合储能的虚拟同步机可能是比较好的方式。此外,从经济性、易维护性以及测量技术方面考虑集中式部署要优于分散式部署。


张兴结合其所带博士生团队多年对虚拟同步机理论研究工作,向与会嘉宾介绍了广义惯性控制理论、虚拟同步机结合产油发电机组/光伏电站/风电机组的控制技术研究以及对未来虚拟同步机技术的展望。


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针对虚拟同步机的理论研究,也被成为虚拟惯量研究,主要有三种应用形式:一是独立运行时输出工频特性;二是并网运行时响应指令兼顾调频;三是组网独立运行满足功率均分条件下的稳定性,这也是三种情景中附加条件最多,运行最复杂的一种,因此虚拟同步机是微网系统中最精彩的篇章。


结合本次沙龙的主题张教授重点讲解了并网运行的特性以及国际上主流的控制算法。根据功率特征方程解释了稳态调频和动态调频特性,进而提到了惯性和阻尼的孪生性以及对调频特性的影响,从理论上完整的阐述了虚拟惯量技术的作用机理。


依据上述理论,张教授又结合虚拟同步机应用于柴油发电机组、光伏系统、风电机组的应用实证进行了讲解。从实际来看,光储/风储一体化的虚拟同步技术已经相对成熟而且整体改动最小;而不带储能介质时在光伏/风电也可以通过调整相应的控制逻辑实现虚拟惯量的功能。


张教授总结认为虚拟同步机是新能源发电稳定运行的重要手段;虚拟同步机应用的最简形式是虚拟惯量、虚拟阻尼、一次调频和跳压;虚拟同步机具备比一般同步电机更灵活的控制策略优化系统调节性能;独立微电网适合分布式虚拟同步机的部署策略而大电网中适合集中式的虚拟同步机部署策略(事实上对于大电网集中式部署的系统就相当于分布式)。


于童主要从张北风光储输虚拟同步机示范项目的工程设计角度向与会专家汇报了上海院开展的具体工作,同时对工程建设情况进行了简要说明。


余勇主要从阳光三星在实际项目案例中的应用情况和存在的一些关键问题给大家分享。


阳光三星近些年参与了全球范围内多个典型项目的工作,具体包括:


西藏项目,与当地小水电并列运行的光储虚拟同步机应用,可并网运行也可以单独组网运行,能够改善小水电输出特性,同时当负荷增加时不受联络线路限制方便扩容;


英国调频项目,参与英国EFR调频市场的同时还要起到保证工程负荷及不间断供电的功能;


柬埔寨绿色工厂项目,实现光储一体化与微网柴油发电机组无缝切换。

 

在沙龙的讨论环节,与会代表就电网对于系统惯量的指标要求甚至行业标准、虚拟同步机在光伏和风电领域的市场空间及市场机制、虚拟同步机与储能技术结合的必要性、结合电力市场化改革和电力市场建设开展虚拟同步机的推广等方面展开了热烈的探讨和交流。

编者按:

通过此次沙龙,首先应正确认识虚拟同步机是一种技术手段,是使发电系统具备惯量支撑和一次调频能力的一种控制技术,而惯量的来源可以是储能介质也可以是发电系统本身。并且结合储能介质使得虚拟同步控制更灵活、能力更强劲、性能更优化;其次风光等可再生能源大规模并网造成的对电力系统的调节能力(主要是一次调频)可以借助虚拟同步机技术来缓解;第三风光电站进行虚拟同步机技术改造会有一定的成本投入,当然也存在一定的技术局限性,因此一刀切式的行政指令方式不容易执行,也不合理;第四可否考虑参考“两个细则”对二次调频的方式,在可再生能源占比大的区域试点将一次调频能力纳入准市场范畴,借助市场手段调动风光电站进行改造的积极性,也摸索合理的付费衡量付费标准;第五在具有一定的市场运行数据和管控经验的基础上,结合虚拟同步机技术自身的发展情况,适时将其纳入辅助服务市场当中,借助真正市场化的手段为虚拟同步机打开市场空间,同时也为储能创造应用空间。