1月2日，河北張家口氣溫降到零下14攝氏度。天氣雖然寒冷，但張家口風光儲示范電站有限公司的員工卻非常欣慰：這一天，風力發(fā)電365萬千瓦時，電網(wǎng)運行非常平穩(wěn)。當天一大早，電站生產(chǎn)技術部副主任朱斯就來查看剛投運的世界首個具備虛擬同步機功能新能源電站的運行狀況。他面前一排排銀灰色的柜子就是虛擬同步機的控制裝置。這看似不起眼的裝置，給不羈的新能源發(fā)電加裝了一個“調(diào)節(jié)器”，保障了新能源和大電網(wǎng)的友好相處。
難題·全球競相攻關
近幾十年特別是進入21世紀，隨著世界各國對清潔能源發(fā)展的重視和新能源技術的快速發(fā)展，風電、太陽能發(fā)電進入規(guī)?；_發(fā)利用的新階段。但是，新能源的波動性、間歇性等特點，以及不具備調(diào)頻、調(diào)壓等主動支撐能力的特性，給新能源消納和電網(wǎng)安全運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。這一世界性難題一直橫亙在各國能源電力行業(yè)人士的面前。
到底有沒有一種設備、一項技術能解決這個問題呢？答案是肯定的，有一種聽起來很艱澀的技術——虛擬同步發(fā)電機，可以較好地解決這個問題。
虛擬同步發(fā)電機技術，是一種通過模擬同步發(fā)電機組的機電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步發(fā)電機組的慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無功調(diào)壓等并網(wǎng)運行外特性的技術。具備虛擬同步機功能的新能源電站，可使新能源具備與火電機組接近的外特性，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定起到支撐作用，是解決新能源發(fā)電在并網(wǎng)穩(wěn)定性方面“先天不足”問題的有效手段。“虛擬同步機技術能夠使新能源機組由‘我行我素’地‘自轉(zhuǎn)’變?yōu)閰f(xié)調(diào)統(tǒng)一地‘公轉(zhuǎn)’，主動支撐電網(wǎng)頻率、電壓，有力保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行?！敝袊娍圃号潆娧芯克⒕W(wǎng)研究室主任吳鳴說。
美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）工作組在1997年就第一次提出了虛擬同步機的概念。對于這樣的技術，發(fā)展新能源較早的西方國家自然不會放過。1997年之后的20年間，對虛擬同步發(fā)電機技術的攻關一直在持續(xù)。比利時魯汶大學、加拿大多倫多大學、英國利物浦大學相繼投入研發(fā)。但截至目前，國外仍處于理論研究與實驗室樣機（百千瓦級）研制階段，尚未有工程應用。
在西方國家全力攻關這一技術的同時，中國也瞄準了這一領域。作為全球并網(wǎng)風電、光伏發(fā)電最大的電網(wǎng)，中國國家電網(wǎng)迫切需要解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納、保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的問題。然而，這一世界級難題并沒有任何經(jīng)驗可以借鑒，必須從零開始，自己摸索出一條路來。
2012年，公司依托千人計劃專項，啟動虛擬同步機技術研究；
2013年，中國電科院成功研制世界首臺50千瓦虛擬同步機樣機；
2014年，南瑞集團、許繼集團成功研制500千瓦虛擬同步機樣機；
2017年12月，世界首個具備虛擬同步機功能的新能源電站正式投運，標志著新能源友好并網(wǎng)關鍵技術被中國攻克。
研發(fā)·何以率先突破
“后來居上”區(qū)區(qū)四個字，背后是無數(shù)科研和一線人員的努力和付出。國家電網(wǎng)公司能在短短五年里一舉攻克西方國家20年未能突破的技術，絕非偶然。
新能源虛擬同步機科技示范工程是攻克新能源虛擬同步機技術的關鍵。公司高度重視示范工程建設，將其列為國家電網(wǎng)公司十大科技創(chuàng)新示范工程之一。為確保工程質(zhì)量，公司科技部組織相關單位深入研究，反復論證，周密籌備，確定改造施工方案，以專業(yè)化支撐和精益化落實為保障，多維度搭建“統(tǒng)籌總攬、上下協(xié)同、分工明確”聯(lián)合工作組織體系。從一開始，公司就以明確的時間表、路線圖和任務池，集全公司之力、聚全公司之智開展研發(fā)。
這的確是一塊難啃的硬骨頭。而具體承擔研發(fā)的國網(wǎng)冀北電力協(xié)同中國電科院、許繼集團、南瑞集團等單位，決心協(xié)力啃下這塊硬骨頭。
幾家單位分工協(xié)作，迅速研發(fā)關鍵技術和裝備。中國電科院在關鍵技術攻關、標準制定和試驗檢測等方面做了大量工作。南瑞集團著重開展虛擬同步機關鍵技術攻關，實現(xiàn)了光伏、儲能、風電多領域虛擬同步機裝備產(chǎn)品化。許繼集團則承擔了虛擬同步機工程中三種虛擬同步機設備的研究開發(fā)與設備供貨。
一項新興技術的研發(fā)應用過程中，問題總會不斷出現(xiàn)。就在2017年12月，距離新能源虛擬同步機科技示范工程啟動的日子越來越近，許繼集團新能源技術開發(fā)團隊在調(diào)頻過程中遇到了一個棘手的問題：頻率波動太大、控制精度達不到。對此，大家意見不一。有人說，這應該是控制參數(shù)設置不合理造成的，需要優(yōu)化控制參數(shù)；有人則認為，是電網(wǎng)本身頻率波動太大。整整三天三夜，大家都在討論這個問題。突然有人說，要不，試試增加濾波處理？順著這個思路，多次試驗之后，問題終于得到解決。在示范工程建設過程中，這種情況很常見。各個單位的研發(fā)團隊咬定青山不放松，攻克了一個又一個難題。
經(jīng)過艱苦努力，虛擬同步機核心技術在兩年之內(nèi)得以全面掌握：構建了虛擬同步機應用理論；成功研制了三類虛擬同步機裝置；建立了虛擬同步機裝備試驗檢測體系；全面驗證了虛擬同步機的性能；提出了虛擬同步機應用推廣建議。
技術人員攻克了由理論到實踐的諸多難題，成功改造了現(xiàn)有風力發(fā)電機的控制軟件、光伏發(fā)電的逆變器和控制系統(tǒng)。示范工程共改造59臺風機、容量11.8萬千瓦，改造24臺500千瓦光伏逆變器、容量1.2萬千瓦，新建2套0.5萬千瓦電站式虛擬同步機。
未來·應用前景可期
新能源虛擬同步機科技示范工程的建成投運，是加快打造廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代電力系統(tǒng)的重大舉措。示范工程能很好地實現(xiàn)發(fā)電效益與電網(wǎng)支撐的平衡，提升了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，為新能源友好并網(wǎng)提供標準典范。虛擬同步機技術能很好地滿足新一代電力系統(tǒng)所需的智能、可控、靈活等要求。
一項新興技術是否具有實用性、經(jīng)濟性，決定了它能否大規(guī)模推廣利用。那么，這種高大上的技術，應用推廣的前景會怎樣？
南瑞集團裝置研發(fā)中心四部經(jīng)理王彤從最初研發(fā)起，就一直在考慮這個問題：“虛擬同步機是一種算法上的改良，不需要對電網(wǎng)進行大規(guī)模改造。實踐證明，虛擬同步機技術可以助力新能源友好并網(wǎng)，有效控制工程改造和建設成本，具有良好的推廣和應用前景?！?/p>
更重要的是，通過建設新能源虛擬同步機科技示范工程，國家電網(wǎng)公司實現(xiàn)了理論架構、裝置研發(fā)、實驗檢測手段、并網(wǎng)接入標準等完全自主化。這項技術深深打上了“中國創(chuàng)造”的烙印，進一步鞏固了我國在相關領域的技術引領地位。
如今，與示范工程同在張家口可再生能源智能電網(wǎng)示范區(qū)的，還有±500千伏柔性直流電網(wǎng)、低碳冬奧智能電網(wǎng)、電動汽車智能互動充電等科技示范工程，正在孕育、成長。放眼更廣闊的科技創(chuàng)新領域、更長遠的未來，更多科研人員仍在持續(xù)研究和探索。未來，在新能源的發(fā)展進程中，我國將有更多新的突破。
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