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新能源入网,这些变化看得见!

作者:许天骄 来源:亮报 发布时间:2021-12-02 浏览:

中国储能网讯:风光无限,硕果累累。随着碳达峰碳中和目标的提出,一个以新能源为主体的新型电力系统正在加快构建,一个绿色舒适的美好家园正向我们走来。个性十足的新能源如何更好地接入大电网,满足群众日益增长的美好用能需求?本报记者探访国网冀北电力有限公司电力科学研究院智能电网与新能源研究所,带你了解驯服“风光”的前沿科技。

从脱网,到牵手

初冬的张北草原,白雪皑皑,寒风凛冽。在茫茫无际的雪原上,国网冀北电力有限公司电力科学研究院(以下简称“冀北电科院”)的几名工作人员艰难地挪向巨大的风电机组,费力地打开机组设备门,开始进行风电机组高/低电压穿越能力检测。

风电机组为什么要具备高/低电压穿越能力?“就像我们在路上开车一样,平坦的路上也会偶尔遇到坑洼或陡坡,这时汽车需要进行一些操作,才能顺利通过。电网在运行过程中,偶尔也会出现突然的低电压或高电压,风电机组如果不具备高/低电压穿越能力,在电网出现高/低电压扰动时就不能正常地发电,严重时甚至出现大面积风电机组脱网事故,威胁电网安全。”冀北电科院智能电网与新能源研究所所长、教授级高级工程师刘辉从事新能源研究已十余年,曾经,如何让风电机组具备高/低电压穿越能力困扰了很多像刘辉这样的科研人员。

2011年到2012年,国内大规模风电脱网事故频发,严重威胁到电网的安全稳定运行。“主要原因是当时我国并网的风电机组普遍不具备高电压和低电压穿越能力,而且当时国内外的高电压穿越检测装置的研究还停留在论文和实验室阶段。”没有经验可以借鉴,刘辉和同事们只能迎难而上。

“追风的人,无论寒冬酷暑,大风、小风都要捕捉到。”历经无数个不眠之夜,跑遍风机耸立的张北风电场,刘辉和团队成员成功研制了世界上第一台移动式风电机组高/低电压穿越一体化测试系统,帮助风电场成功改造升级,促进新能源更好地并网消纳。

高比例的新能源接入,冲击着传统电力系统的运行方式。为保持安全稳定运行,电力系统需要保持频率和电压稳定。但风电、光伏发电等新能源依托大量电力电子设备进行发电,具有波动性、间歇性等特点,不具备传统发电机调频、调压等主动支撑能力。新能源接入甚至会消耗大量无功,威胁电力系统安全稳定运行。

促进新能源友好并网,成为刘辉科研攻关的重中之重。

为有效提高新能源设备的并网友好性以及对电网的支撑能力,国外学者提出了“虚拟同步机”概念,让新能源机组等效常规同步发电机运行特征,主动支撑电网频率、电压稳定,实现新能源友好并网。

“当新能源占比很小时,传统火电、水电机组可调容量可以完全满足负荷波动;而当新能源大规模并网后,火电机组同步发电机很难平衡负荷侧功率变化和发电侧新能源出力波动。为保证电力系统运行和用户的用电安全,新能源需要具备类似火电机组功能的调频、调压能力。”2012年起,刘辉带领团队开展“支撑新能源电力系统的虚拟同步机关键技术、装备及应用”研究,历时8年终于攻克了难题。该项目构建了电压源型虚拟同步机理论体系,突破了虚拟同步机主动支撑关键技术,自主研制了虚拟同步机系列成套装备,攻克了虚拟同步机集群运行技术,打破了新能源发电和储能设备“被动接受上级指令”进行功率响应的传统控制模式,使新能源发电机组具备主动支撑电力系统频率和电压的功能,提高了新能源并网友好性。

该项目成果已应用于国家风光储输示范工程以及天津、江苏、辽宁、青海等10余个省(区)的多个新能源电站,并在马尔代夫、德国、以色列等海外地区配电网实现大规模推广,整体技术达到国际领先水平,并荣获2020年中国电力科学技术进步奖一等奖。

从“不听话”,到“很可靠”

11月24日19时,冀北电科院“风光储并网运行技术国家电网有限公司重点实验室”灯火通明。几十台电脑闪烁着明暗不同的曲线,各种类型仿真设备发出规律平稳的声波……三四个年轻的工作人员盯着电脑屏幕,对刚刚得出的数据结果进行激烈讨论。

常规电力系统是一个发、输、配、用实时平衡的系统,即用户需要多少电,电厂就要发多少电,电网本身不能大规模储存电量。在传统的电力系统中,火力发电是相对稳定的,用户的需求是不断变化的,电网调度只需要让电厂满足变化的用户需求即可保持电力系统的平衡。而新能源发电是不稳定的,用户需要用电时不一定有风、有光,那么,随机波动的电源如何满足随机波动的负荷需求?

中国工程院院士刘吉臻说:“随着大规模新能源接入电网,电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现供需平衡,其结构形态、运行控制方式和规划建设将发生根本性变革,形成新一代电力系统及新能源电力系统。”

新型电力系统在不同时间尺度上面临系统稳定和功率平衡的新挑战,而风光水储一体化、源网荷储一体化是解决该问题的有效手段。“位于张家口的国家风光储输示范工程是一项有益探索,当风很大、电网消纳不了时,就让储能装置开始充电,等到负荷高峰时,再让储能装置释放电能,最大限度促进新能源消纳。”刘辉介绍说,现在冀北电网新能源装机规模已突破3000万千瓦,居民平均每使用3千瓦时电就有1千瓦时电来自新能源,风光储实现了完美配合。

今年以来,国家密集出台各项政策,大力支持储能发展。2月26日,国家能源局印发风电、光伏开发建设征求意见稿,鼓励新能源企业创新发展模式,建设一批离网型新能源发电项目,推进“新能源+储能”、新能源与氢能融合利用等示范工程。3月5日,国家发改委、能源局联合发布推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见。7月23日,国家发改委、国家能源局发布关于加快推动新型储能发展的指导意见。意见提出,到2025年,新型储能装机规模达3000万千瓦以上,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。

储能和新能源如何搭配,才能发挥更大作用?在冀北电科院智能电网与新能源研究所技术人员刘迪博士看来,储能具有移峰填谷、主动频率支撑、功率预测补偿等多种用途,不同的应用场景需要不同的储能功率控制技术。

入职两年来,刘迪一直坚持储能方向的研究。“现在国家鼓励储能发展,很多新能源电站储能需求旺盛。在前期的走访调研中,我们团队发现新能源场站配置储能面临为何配、如何配、怎么控、经济性如何等一系列问题。”刘迪介绍说,针对发现的问题,他们正在开展“兼顾消纳水平提升与主动支撑电网的新能源电站储能配置关键技术研究”项目,希望提出响应多运行场景的新能源—储能运行控制方法,开发实用化的储能配置软件与能量管控装置,并进行工程应用实证,为储能技术在电力系统中的应用推广与调度运行提供技术支撑,促进新能源充分消纳。

作为新型电力系统的重要一环,新型储能将会发挥更大的作用。“新能源+储能”的智慧组合将让不听话的新能源适应电网调度运行的需要,变得更加可靠。

从经验管理,到智能运维

当前,新能源正成为我国转变能源结构、改善环境质量、实现碳达峰碳中和目标的重要手段和有力抓手。

在新能源装机规模不断扩大的背景下,新能源场站的智能运维成为业内人士关注的焦点。

“现在新能源场站基本上都实现了视频集中监控,安装在风电机组、光伏板上的采集终端会实时回传各种数据,但这些数据如果不进行深入分析,就很难发现发电机组存在的问题。等到机组彻底不发电时才进行检修,就会影响机组维修效率,造成更大的经济损失。”冀北电科院智能电网与新能源研究所所长助理张扬帆说,为了让风电场运行更智慧,他们开展了“风电智能运维定量化决策关键技术及大规模应用”研究。

据统计,目前我国风电年平均等效利用小时数较欧美发达国家低30%以上,机组年平均故障停运时间、修复时间和维护时间合计超过450小时。深入研究风电智能化运维技术,提升发电效益,降低运维成本,是全国风电产业保持高质量发展的迫切需求。

在研究过程中,张扬帆和同事们发现研发风电机组关键部件故障前早期预测技术、故障后快速识别技术和风电场集群运维全局定量化决策技术,是行业面临的共同难题。

“风电机组传动系统具有非线性、强耦合特征,早期准确识别关键部件劣化特征极其困难;机组故障因果关系复杂,故障后诊断和维修严重依赖个人经验,高效诊断非常困难;风电运维涉及多对象、多目标、多流程、多约束条件,全局定量化统筹决策难度极大。”张扬帆说,研究初期困难重重,但办法总比困难多,项目成员历时8年,终于突破了风电机组传动链等大部件故障预测、智能故障诊断、风电场运维优化决策三方面关键技术,项目成果荣获2020年河北省科学技术进步奖一等奖,已成功应用于国家风光储输示范工程,并在全国24个省区、14个发电集团推广应用,对推动风电场高质量发展及新能源消纳具有重要意义。

  “基于项目成果,我们还开发了新能源大数据精细化分析与创新服务平台,深度融合国家电网有限公司、新能源场站、第三方厂家等多源数据,应用大数据和人工智能手段开展数据价值挖掘,开发了新能源发电精益化运维、风光资源评估与气象预警、新能源场站涉网性能分析和区域新能源消纳分析等功能,促进了新能源运营商数字化运行管理水平和发电效益的提升,同时有效支撑了电网对新能源的高效消纳。”张扬帆透露,现在与他们签约服务的新能源场站可以定期收到分析报告,提前了解设备运行情况,不断进行设备改造升级,单机平均发电能力可提升2%~3%,推动风电产业数字化转型发展。

加快构建以新能源为主体的新型电力系统,科研攻关将永无止境。可以预见,有了先进电力技术的保驾护航,我们的用电将更清洁、更高效、更智慧。

支撑新能源电力系统的虚拟 同步机关键技术、装备与应用

★2020年中国电力科学技术进步奖一等奖

★2019年国家电网有限公司科学技术进步奖一等奖

主要技术创新

●建立了电压源型虚拟同步机的“基本原理-数学模型-支撑机理”理论体系。提出了可完整反映定转子间电磁关系的电力电子装备自同步并网运行机制,建立了虚拟同步机高阶数学模型,揭示了虚拟同步机支撑电网频率的动力学作用机理,为虚拟同步机装备研制和工程应用奠定了理论基础。

●突破了虚拟同步机主动支撑关键技术。提出了自适应惯量支撑与一次调频协同控制策略、适应三相电压不平衡等复杂工况下的无功电压支撑控制策略、考虑暂态稳定运行边界约束的阻尼优化控制策略,从有功支撑持续性、复杂工况适应性和并网稳定性三个维度,实现了虚拟同步机从“被动调节”到“自主运行”的转变。

●自主研制了虚拟同步机系列成套装备。突破了虚拟同步机拓扑设计、载荷约束和大功率电压源并联集成等难题,成功研制出含风电、光伏、储能及负荷侧虚拟同步机在内的26款装备,填补了兆瓦级新能源虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机国际空白。暂态电压支撑响应时间可达20毫秒,一次调频响应时间可达100毫秒,性能指标处于国际引领地位。

●攻克了虚拟同步机组网运行技术。发明了虚拟同步机异构机群协调运行技术,提出了基于虚拟同步机的新能源电站自启动技术,建立了“控制器-单机-电站”多维互补的试验检测手段,编制了首个虚拟同步机国家标准,首次实现了虚拟同步机在新能源电力系统的全场景集成应用,为支撑新能源电力系统自主运行提供了解决方案。

风电智能运维定量化决策关键技术及大规模应用

★2020年河北省科学技术进步奖一等奖

主要技术创新

●提出基于多元数据驱动和堆叠自编码深度学习网络的传动系统故障预测方法,建立基于油液监测多指标聚类的齿轮箱磨损程度量化评估模型,发明传动链低频振动信号特征辨识方法,解决了传动系统关键部件早期失效故障准确识别的难题,准确度达96.3%。

●建立基于故障原因概率量化赋值的故障树系统,提出基于历史概率统计、控制逻辑驱动和概率神经网络融合应用的风电机组智能故障诊断方法,大幅提升诊断效率,故障修复时间降低63%。

●提出基于缺陷定级的风电机组关键部件检修决策规则,首创以健康度为核心、多因素复杂约束条件下的风电运维定量化决策体系,解决了检修计划与实施全局统筹决策的难题,可利用率提升5.59%。

●攻克基于微服务的智能算法插件式部署技术,开发出集成大部件故障预测、机组故障诊断、运维优化决策等多类型算法的风电智能运维决策平台,实现风电运维全过程的数字化、智能化决策。

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