中国储能网讯：2017年4月24-26日，第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开，来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲，中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。
大会期间，南瑞集团公司装置研发中心经理侯凯先生在“储能电站暨微电网专场”，以《MW级储能虚拟同步机的关键技术与工程应用》为题发表演讲，现将演讲主要内容发布，以飨读者。
侯凯：我们的题目是把储能的变流器模拟成电力系统中常用的发电机接口性质的装置，这样使储能的变流器既具有电网的调峰性能，同时也具有调频性能，使新能源更好用，更容易接入电网。
报告主要分为四块，第一，技术背景。南瑞集团是国家电网公司直属的科研单位，也是国内最大的设备供应商和工程服务商，所以我们也致力于解决国家电网公司在面临大容量新能源接入所带来的一些问题，我们对这些问题提供比较好的解决方案。目前来看，我们国家的能源和负荷相对来说不是特别平衡，新能源负荷大多集中在西北部地区，从负荷主要集中在东部、中部、南部地区，所以中国有远距离的新能源的直流输电、交流书店，同时随着电容电子新型的装置接入，使得电网中的新能源出现了刚性比较强，而柔性不足，特别是电力系统的备用容量不足，惯性不足，所以就使得新能源的接入不是非常的友好。所以我们现在认为随着大容量输电，使得电网的稳定性不足，同时由于新能源的柔性不足，所以这些新的能源，无法支持电网的调频和调峰应用。
目前在我们系统内已经充分的挖掘了新能源调频调峰的能力，我们把它捆绑起来综合的发挥效益，同时也有增加一些备用的旋转容量，相当于发电机组，同时根据我们的开发特点，提供优化的调度，包括机群的控制策略，深度的挖掘现在有的新能源机组和常规机组的特点，提高它的调频调峰性能。
这个报告是我们最新的一个科学研究和产业化开发的成果，叫做虚拟同步发电机，就是用虚拟的把电容电子的变流器，相当于光伏的变流器也好，或者风力的变流器也好，或者储腾的PCS逆变器，利用特殊的算法加上一定容量的储能电池，虚拟成常规的发电机组。右边的图就是我给出了一个从常规的发电机组，右边把它模拟成了一个虚拟的发电机组，来做一个对比。简单来看，通过我们用储能电池和我们独特的虚拟同步机的算法，可以实现同样的电网的阻尼特性。而常规机组的阻尼特性是机械的，它的机械参数设定好之后就是一个恒定值，而通过储能电池盒我们的特殊算法，模拟出来这种阻尼特性，参数是可以改变，可以设置的，更加灵活。同时电网调频，两种常规的机组和我们的虚拟同步机组都可以调频，可以参与一次调频，甚至通过电池容量的提升，可以进行长时间的小时级的二次调频。微电网调压，常规机组可以支撑系统的电压，靠自主的被动支撑系统电压。而我们的虚拟机组可以自动的追踪电网的电压变化，来自动的调节。
第二部分介绍我们科研装置的特性。这边给了一个简单的示意图，左下角画的是一个光伏的阵列，中间放的是风机的机组，常规做法是通过DC/AC把光伏产生的直流电逆变成交流电，接入电网，同时风机我们也做一个直交流变换，也通过升压变压器接入电网，这是常规的做法。
而这个项目中最新的做法是我们加入一定的储能，然后把储能通过一个直交流变换器接入电网，我们做的核心的算法就是在这个储能的DC/AC变流器中执行进去的。
我们的控制算法是由储能单位结合电子逆变器的虚拟同步机控制策略，模拟常规的发电机组的一次调频还有励磁控制的特点，主动适应电网的频率，电压的变化，既追踪，又能够响应。这样就可以实现风机和光伏的友好接入电网。
右图是我们一个比较典型的靠虚拟同步发电机接入电网的一个配置图，可以看到这个虚拟同步发电机在中间这边直流侧接入储能电池单元，交流侧接入升压变压器接入电网，这是一个双向的过程。一旦电网有电压的跌落或者频率的变化，升、降，我们的并网点就会检测到这点变化，从而虚拟同步机自主的调动储能的能量，如果电压跌了我们可以输出能量，如果电压升了，我们可以通过储能电池的充电特性，快速的吸收电网中多余的有功或者无功，所以总的来说特点就是快速主动的参与电网的有功调频和无功调压，同时像常规机组一样提供一个虚拟的，相当于编程控制的转能管量，提升系统的鲁棒性或者说抗扰动性。
各位专家比较熟悉的储能机组常规的削峰填谷的特点在这里面都是可以实现的。
这种虚拟同步机我们开发了三种产品，一种是光伏虚拟同步机，就是在常规的光伏的逆变器上，并入一定能量的储能单元，相当于是分布式的做成虚拟同步机特性的光伏逆变器，同时还有风机虚拟同步机，我们现在做的是不并储能单元，主要靠风机叶片本身所具有的旋转备用容量，把类似于风能储能挖掘出来，靠我们的控制算法来实现一定容量的调频调压特性。然后这边的工作主要介绍的是集中式的储能式的虚拟同步机，我们又叫电站式或者叫整场式，一定容量的光伏也好，风机也好，比如说几十个兆瓦的光伏阵列或者风机阵列，我们可以装一台10兆瓦或者5兆瓦的虚拟同步机往上一并，这样比较适合整站式的改造，我们叫虚拟同步性改造。不需要单台改造，直接接入，很方便，而且可以统一协调控制，比较容易实现。因为有了储能单元，可以保证每台风机或者每台光伏逆变器都可以最大程度出力，使新能源发电站的经济效益实现最好。
这边对储能装置，储能变流器在国网公司提出的智能电网中的特性进行了总结，我们认为储能装置可以实现需求侧管理，对负荷可以进行平滑，消除峰谷差，降低我们的供电成本。同时依靠虚拟同步机特性可以跟踪电网的频率或者电压的变化，实现调频调压。同时也可以实现对于负荷波动的补充和平滑，这都是储能应用于电网的特点，所以我们的虚拟同步特性主要基于第四点，针对电网的快速频率变化去补偿它。
第三部分介绍我们产品相应的开发工作。这张图给出了虚拟同步机从科研上来看，或者从产业上来看，给了一个路线图，大家可以看到，97年从IEEE的工作组，一直到欧洲的一些科学家和一些研究院所，对虚拟同步机特性进行了一些比较深度的研究，也发表了相应的工作组报告，和一些学术论文。然后到近年来，英国、美国的一些科学家，也提出了一些实践的方案，但是主要停留在学术上面，南瑞集团在2016年，是世界上首次把这个方案进行产业化的，而且提出了自己的虚拟同步机方案，也进行了产业化应用。
这一部分汇报一下我们自己提出的一些关键技术，对虚拟同步机的特性，我们在研发的过程中主要实现了一些对鲁棒性和间歇性的控制技术，同时对建模包括融合的过程中实现常规控制策略，和虚拟同步机的控制策略的一些自主的、同步的、快速的切换，包括电压原型或者电流原型的一些输出特性需求，我们都可以在使用过程中快速的切换，根据用户、根据场景的不同，来自主无缝的切换。对有归无功可以自主的均分，对于虚拟阻抗都可以自主的设定。
在使用过程中，用户可以实现电网的电压频率的自动调整，有功无功可以自己均衡，并行运行自整步。
这张图是我们最新研究的一个5兆瓦的单机的虚拟同步机，本身它也是一台5兆瓦的双向的储能变流器，整个装置并不大，集成度非常高，这个装置总体上宽是三米四，前后深是一米二，高度是一个标准的两米二的机柜。在不到五平方的占地下，就实现了一个储能变流器，左边是控制部分，中间是电容电子的变流单位，下面红色的是并网的滤波变换器。第三个柜子是直流的和储能连接的直流的断路器或者直流滤波器的柜子，最右边是我们水冷控制的柜子。从装置的测试来看，整个运行效率可以达到98.5%，是国内目前最大的储能变流器产品。使用过程中用户也可以自主选择进行削峰填谷的应用，同时也可以作为虚拟同步机自动的设定好，然后放那边不用管了，可以自动跟踪频率电压变化，一旦有变化就反向的补偿它，从而使电压的频率保持稳定。
在研发过程中，我们对整个的从系统级的，包括源程序级的都进行了仿真和系统化的设计，同时也对单机包括虚拟同步机接入电网之后，对电网的影响分析，都做了比较详细的仿真验证，后面有我们的一些运行结果。
左边这个图是我们的虚拟同步机，前面是开机部分，中间是接收电网的频率调度，实现了功率响应的过程。在这个图中我们还人为的加入了一些电池的变化差异，虽然单台是5兆瓦的，实际上接入4路电池，每个电池是1.5兆瓦，我们人为的在电池上接入了一些电压差异，然后靠我们的自己控制技术，虽然有一些分布不均匀的差异，可以在虚拟同步机之后，自动的把电压进行均衡，从而实现稳定可靠的储能的工作。
右边这张图就是虚拟同步机对电网频率电压的响应特性。上面一部分是电网频率，我们做的一个系统接入仿真，一旦频率增加0.2赫兹之后，虚拟同步机会自动的吸收这个频率的变化，吸收有功，这边叫惯性调频，可以有一个快速的调频响应，如果我们需要它进行长时间的调频的话，我们还可以把它设置为吸收一部分频率变化之后，再长时间缓慢的对频率变化进行吸收，从而保持频率的稳定。
下面两个图是针对电网频率如果有跌落的话，我们可以出现一个正电峰，靠快速的吐出一部分的功率，来支撑电网频率的变化。
这两张图是我们根据电网的实际做的一个在线仿真，把虚拟同步机接入电网之后，模拟电网故障，当电网有一个线路故障，有30%的用户或者负荷脱网了，这个时候如果没有采用虚拟同步机控制策略的话，左边这条蓝线，新能源发电机也好，或者风力变流器也好，它的有功保持输出不变，而如果采用了新能源发电机，在旁边并上了我们的虚拟同步发电机，相当于储能变流器，采用我们的虚拟同步控制策略之后，它就会快速的实现有功的降低输出，从而基本降到0，这样的话既然负荷掉了，我的发电机出力也跟着掉了，从而保持系统的频率稳定。如果我出力不减少的话，这边的负荷脱了之后，整个系统频率会快速的往上升。
所以结果就是如果不采用储能虚拟同步发电机的话，最高频率右边可以升到52.7赫兹，而采用了虚拟同步发电机，最高点大概到51.4赫兹左右，也就是小于51.5赫兹，基本上两个图相比的话可以比较好的稳定系统频率的变化。
下图是对新能源如果并网故障产生的无功补偿的退出，对电压的无功补偿没有了。如果不采用储能虚拟同步机的话，整个无功输出是保持不变的，而采用了储能虚拟同步机的话，惧色的线就会看到，快速的无功输出的响应，后面长时间内保持无功输出的稳定支撑。所以在右边这张图上就会看到，同样蓝线和橘线，如果不采用储能虚拟同步机的话，蓝线电压会陡降到0.83个pu稳态会降到0.94个pu。如果采用了储能虚拟同步机之后，降可以最多降到0.9个pu，稳态的话可以稳到0.96个pu，可能比较好的支撑电压跌落。
除了常规的大电网，针对小电网、微电网，或者区域性电网，我们的虚拟同步发电机也可以实现黑启动，这边我们也对黑启动进行了仿真，大概300毫秒的时间内，整个电网可以从0直接启动到系统的设定电压，右边频率也可以从0直接启动到50赫兹。比较完好的在很短的时间内实现把小孤网带起来。
最后一部分是应用示范。从我们的分析来看，这种储能虚拟同步技术，主要可以用于新能源的并网消化，对新能源的接入进行一个平滑的输入输出响应，以及系统的一次调频，同时对区域性的负荷，我们同样可以兼顾储能变流器的削峰填谷的功能，对于大型的电站，如果需要备用溶，我们的虚拟储能发电机也可以进行调频的备用，因为我们的开机速度只需要300毫秒就可以把一个机组带起来，这也是依赖于在座各位专家研究出来的高性能电池来实现这种快速的响应特性。
在2016年，国家电网公司在张北风光储示范基地也开展了虚拟同步机大范围的示范工程，有12兆瓦的光伏变流器，也配备了10%容量的电池进行分布式的虚拟同步机改造对于435兆瓦的风机，这个主要是利用它自己叶片的特性进行虚拟同步机控制器的技术改造，同时由单列了两台每台5兆瓦的储能电站式的虚拟同步机并在电网上，进行整场式的虚拟同步机改造。
上个月我到英国去也和英国的Energy Circle进行洽谈，他们目前也是把储能用在天然气发电并网的调频调峰项目上，他们在国外有比较好的调频的政策补助，所以电力系统的运营商更愿意做这些事情。也在积极的和其他的网厂公司进行积极的虚拟同步机的示范应用。
从目前来看，整个新能源发电电网中，比例是不断上升的，而且有减小煤炭发电和取代常规能源发电的特性，这个是毋庸置疑的，我们认为储能技术和虚拟同步及技术是目前解决新能源消化，平滑功率以及友好并网的关键技术，国网公司也把虚拟同步机技术列为当下十大重点科技创新技术，组织技术攻关，从而推出一些比较好的解决新能源并网的产品。
借助本次储能大会的契机，我们希望跟各位专家，各位科研院所合作，为新能源的发展作出更大贡献。
谢谢大家。
（本文根据现场录音整理，未经本人审核）
发言人简介：
侯凯，南瑞集团公司装置研发中心经理，作为联合培养博士研究生在英国剑桥大学公派留学一年，师从皇家工程院W. I. Milne 院士。近年来主要从事电力电子专业的研究工作，任全国电力电子学标委会输配电系统分委员(SAC/TC60/SC2)委员，主持和参与了多项国家、省和国家电网公司级科技项目，在IGBT 串联控制、电动汽车充电模块、可调电抗器、新能源虚拟同步技术等领域进行了深入的研究。近来年发表论文20 余篇，其中SCI 索引11 篇，EI 索引5 篇，ISTP 索引3 篇。申请发明专利10 项，其中国外专利1 项。
