風光無限，碩果累累。隨著碳達峰碳中和目標的提出，一個以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正在加快構建，一個綠色舒適的美好家園正向我們走來。個性十足的新能源如何更好地接入大電網，滿足群眾日益增長的美好用能需求？本報記者探訪國網冀北電力有限公司電力科學研究院智能電網與新能源研究所，帶你了解馴服“風光”的前沿科技。
從脫網，到牽手
初冬的張北草原，白雪皚皚，寒風凜冽。在茫茫無際的雪原上，國網冀北電力有限公司電力科學研究院（以下簡稱“冀北電科院”）的幾名工作人員艱難地挪向巨大的風電機組，費力地打開機組設備門，開始進行風電機組高/低電壓穿越能力檢測。
風電機組為什么要具備高/低電壓穿越能力？“就像我們在路上開車一樣，平坦的路上也會偶爾遇到坑洼或陡坡，這時汽車需要進行一些操作，才能順利通過。電網在運行過程中，偶爾也會出現(xiàn)突然的低電壓或高電壓，風電機組如果不具備高/低電壓穿越能力，在電網出現(xiàn)高/低電壓擾動時就不能正常地發(fā)電，嚴重時甚至出現(xiàn)大面積風電機組脫網事故，威脅電網安全。”冀北電科院智能電網與新能源研究所所長、教授級高級工程師劉輝從事新能源研究已十余年，曾經，如何讓風電機組具備高/低電壓穿越能力困擾了很多像劉輝這樣的科研人員。
2011年到2012年，國內大規(guī)模風電脫網事故頻發(fā)，嚴重威脅到電網的安全穩(wěn)定運行。“主要原因是當時我國并網的風電機組普遍不具備高電壓和低電壓穿越能力，而且當時國內外的高電壓穿越檢測裝置的研究還停留在論文和實驗室階段。”沒有經驗可以借鑒，劉輝和同事們只能迎難而上。
“追風的人，無論寒冬酷暑，大風、小風都要捕捉到。”歷經無數(shù)個不眠之夜，跑遍風機聳立的張北風電場，劉輝和團隊成員成功研制了世界上第一臺移動式風電機組高/低電壓穿越一體化測試系統(tǒng)，幫助風電場成功改造升級，促進新能源更好地并網消納。
高比例的新能源接入，沖擊著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行方式。為保持安全穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)需要保持頻率和電壓穩(wěn)定。但風電、光伏發(fā)電等新能源依托大量電力電子設備進行發(fā)電，具有波動性、間歇性等特點，不具備傳統(tǒng)發(fā)電機調頻、調壓等主動支撐能力。新能源接入甚至會消耗大量無功，威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
促進新能源友好并網，成為劉輝科研攻關的重中之重。
為有效提高新能源設備的并網友好性以及對電網的支撐能力，國外學者提出了“虛擬同步機”概念，讓新能源機組等效常規(guī)同步發(fā)電機運行特征，主動支撐電網頻率、電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)新能源友好并網。
“當新能源占比很小時，傳統(tǒng)火電、水電機組可調容量可以完全滿足負荷波動；而當新能源大規(guī)模并網后，火電機組同步發(fā)電機很難平衡負荷側功率變化和發(fā)電側新能源出力波動。為保證電力系統(tǒng)運行和用戶的用電安全，新能源需要具備類似火電機組功能的調頻、調壓能力。”2012年起，劉輝帶領團隊開展“支撐新能源電力系統(tǒng)的虛擬同步機關鍵技術、裝備及應用”研究，歷時8年終于攻克了難題。該項目構建了電壓源型虛擬同步機理論體系，突破了虛擬同步機主動支撐關鍵技術，自主研制了虛擬同步機系列成套裝備，攻克了虛擬同步機集群運行技術，打破了新能源發(fā)電和儲能設備“被動接受上級指令”進行功率響應的傳統(tǒng)控制模式，使新能源發(fā)電機組具備主動支撐電力系統(tǒng)頻率和電壓的功能，提高了新能源并網友好性。
該項目成果已應用于國家風光儲輸示范工程以及天津、江蘇、遼寧、青海等10余個省（區(qū)）的多個新能源電站，并在馬爾代夫、德國、以色列等海外地區(qū)配電網實現(xiàn)大規(guī)模推廣，整體技術達到國際領先水平，并榮獲2020年中國電力科學技術進步獎一等獎。
從“不聽話”，到“很可靠”
11月24日19時，冀北電科院“風光儲并網運行技術國家電網有限公司重點實驗室”燈火通明。幾十臺電腦閃爍著明暗不同的曲線，各種類型仿真設備發(fā)出規(guī)律平穩(wěn)的聲波……三四個年輕的工作人員盯著電腦屏幕，對剛剛得出的數(shù)據(jù)結果進行激烈討論。
常規(guī)電力系統(tǒng)是一個發(fā)、輸、配、用實時平衡的系統(tǒng)，即用戶需要多少電，電廠就要發(fā)多少電，電網本身不能大規(guī)模儲存電量。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，火力發(fā)電是相對穩(wěn)定的，用戶的需求是不斷變化的，電網調度只需要讓電廠滿足變化的用戶需求即可保持電力系統(tǒng)的平衡。而新能源發(fā)電是不穩(wěn)定的，用戶需要用電時不一定有風、有光，那么，隨機波動的電源如何滿足隨機波動的負荷需求？
中國工程院院士劉吉臻說：“隨著大規(guī)模新能源接入電網，電力系統(tǒng)需要在隨機波動的負荷需求與隨機波動的電源之間實現(xiàn)供需平衡，其結構形態(tài)、運行控制方式和規(guī)劃建設將發(fā)生根本性變革，形成新一代電力系統(tǒng)及新能源電力系統(tǒng)。”
新型電力系統(tǒng)在不同時間尺度上面臨系統(tǒng)穩(wěn)定和功率平衡的新挑戰(zhàn)，而風光水儲一體化、源網荷儲一體化是解決該問題的有效手段。“位于張家口的國家風光儲輸示范工程是一項有益探索，當風很大、電網消納不了時，就讓儲能裝置開始充電，等到負荷高峰時，再讓儲能裝置釋放電能，最大限度促進新能源消納。”劉輝介紹說，現(xiàn)在冀北電網新能源裝機規(guī)模已突破3000萬千瓦，居民平均每使用3千瓦時電就有1千瓦時電來自新能源，風光儲實現(xiàn)了完美配合。
今年以來，國家密集出臺各項政策，大力支持儲能發(fā)展。2月26日，國家能源局印發(fā)風電、光伏開發(fā)建設征求意見稿，鼓勵新能源企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展模式，建設一批離網型新能源發(fā)電項目，推進“新能源+儲能”、新能源與氫能融合利用等示范工程。3月5日，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布推進電力源網荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見。7月23日，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見。意見提出，到2025年，新型儲能裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉變。
儲能和新能源如何搭配，才能發(fā)揮更大作用？在冀北電科院智能電網與新能源研究所技術人員劉迪博士看來，儲能具有移峰填谷、主動頻率支撐、功率預測補償?shù)榷喾N用途，不同的應用場景需要不同的儲能功率控制技術。
入職兩年來，劉迪一直堅持儲能方向的研究。“現(xiàn)在國家鼓勵儲能發(fā)展，很多新能源電站儲能需求旺盛。在前期的走訪調研中，我們團隊發(fā)現(xiàn)新能源場站配置儲能面臨為何配、如何配、怎么控、經濟性如何等一系列問題。”劉迪介紹說，針對發(fā)現(xiàn)的問題，他們正在開展“兼顧消納水平提升與主動支撐電網的新能源電站儲能配置關鍵技術研究”項目，希望提出響應多運行場景的新能源—儲能運行控制方法，開發(fā)實用化的儲能配置軟件與能量管控裝置，并進行工程應用實證，為儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用推廣與調度運行提供技術支撐，促進新能源充分消納。
作為新型電力系統(tǒng)的重要一環(huán)，新型儲能將會發(fā)揮更大的作用。“新能源+儲能”的智慧組合將讓不聽話的新能源適應電網調度運行的需要，變得更加可靠。
從經驗管理，到智能運維
當前，新能源正成為我國轉變能源結構、改善環(huán)境質量、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要手段和有力抓手。
在新能源裝機規(guī)模不斷擴大的背景下，新能源場站的智能運維成為業(yè)內人士關注的焦點。
“現(xiàn)在新能源場站基本上都實現(xiàn)了視頻集中監(jiān)控，安裝在風電機組、光伏板上的采集終端會實時回傳各種數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)如果不進行深入分析，就很難發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組存在的問題。等到機組徹底不發(fā)電時才進行檢修，就會影響機組維修效率，造成更大的經濟損失。”冀北電科院智能電網與新能源研究所所長助理張揚帆說，為了讓風電場運行更智慧，他們開展了“風電智能運維定量化決策關鍵技術及大規(guī)模應用”研究。
據(jù)統(tǒng)計，目前我國風電年平均等效利用小時數(shù)較歐美發(fā)達國家低30%以上，機組年平均故障停運時間、修復時間和維護時間合計超過450小時。深入研究風電智能化運維技術，提升發(fā)電效益，降低運維成本，是全國風電產業(yè)保持高質量發(fā)展的迫切需求。
在研究過程中，張揚帆和同事們發(fā)現(xiàn)研發(fā)風電機組關鍵部件故障前早期預測技術、故障后快速識別技術和風電場集群運維全局定量化決策技術，是行業(yè)面臨的共同難題。
“風電機組傳動系統(tǒng)具有非線性、強耦合特征，早期準確識別關鍵部件劣化特征極其困難；機組故障因果關系復雜，故障后診斷和維修嚴重依賴個人經驗，高效診斷非常困難；風電運維涉及多對象、多目標、多流程、多約束條件，全局定量化統(tǒng)籌決策難度極大。”張揚帆說，研究初期困難重重，但辦法總比困難多，項目成員歷時8年，終于突破了風電機組傳動鏈等大部件故障預測、智能故障診斷、風電場運維優(yōu)化決策三方面關鍵技術，項目成果榮獲2020年河北省科學技術進步獎一等獎，已成功應用于國家風光儲輸示范工程，并在全國24個省區(qū)、14個發(fā)電集團推廣應用，對推動風電場高質量發(fā)展及新能源消納具有重要意義。
“基于項目成果，我們還開發(fā)了新能源大數(shù)據(jù)精細化分析與創(chuàng)新服務平臺，深度融合國家電網有限公司、新能源場站、第三方廠家等多源數(shù)據(jù)，應用大數(shù)據(jù)和人工智能手段開展數(shù)據(jù)價值挖掘，開發(fā)了新能源發(fā)電精益化運維、風光資源評估與氣象預警、新能源場站涉網性能分析和區(qū)域新能源消納分析等功能，促進了新能源運營商數(shù)字化運行管理水平和發(fā)電效益的提升，同時有效支撐了電網對新能源的高效消納。”張揚帆透露，現(xiàn)在與他們簽約服務的新能源場站可以定期收到分析報告，提前了解設備運行情況，不斷進行設備改造升級，單機平均發(fā)電能力可提升2%～3%，推動風電產業(yè)數(shù)字化轉型發(fā)展。
加快構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，科研攻關將永無止境?？梢灶A見，有了先進電力技術的保駕護航，我們的用電將更清潔、更高效、更智慧。
支撐新能源電力系統(tǒng)的虛擬 同步機關鍵技術、裝備與應用
★2020年中國電力科學技術進步獎一等獎
★2019年國家電網有限公司科學技術進步獎一等獎
主要技術創(chuàng)新
●建立了電壓源型虛擬同步機的“基本原理-數(shù)學模型-支撐機理”理論體系。提出了可完整反映定轉子間電磁關系的電力電子裝備自同步并網運行機制，建立了虛擬同步機高階數(shù)學模型，揭示了虛擬同步機支撐電網頻率的動力學作用機理，為虛擬同步機裝備研制和工程應用奠定了理論基礎。
●突破了虛擬同步機主動支撐關鍵技術。提出了自適應慣量支撐與一次調頻協(xié)同控制策略、適應三相電壓不平衡等復雜工況下的無功電壓支撐控制策略、考慮暫態(tài)穩(wěn)定運行邊界約束的阻尼優(yōu)化控制策略，從有功支撐持續(xù)性、復雜工況適應性和并網穩(wěn)定性三個維度，實現(xiàn)了虛擬同步機從“被動調節(jié)”到“自主運行”的轉變。
●自主研制了虛擬同步機系列成套裝備。突破了虛擬同步機拓撲設計、載荷約束和大功率電壓源并聯(lián)集成等難題，成功研制出含風電、光伏、儲能及負荷側虛擬同步機在內的26款裝備，填補了兆瓦級新能源虛擬同步機和負荷側虛擬同步機國際空白。暫態(tài)電壓支撐響應時間可達20毫秒，一次調頻響應時間可達100毫秒，性能指標處于國際引領地位。
●攻克了虛擬同步機組網運行技術。發(fā)明了虛擬同步機異構機群協(xié)調運行技術，提出了基于虛擬同步機的新能源電站自啟動技術，建立了“控制器-單機-電站”多維互補的試驗檢測手段，編制了首個虛擬同步機國家標準，首次實現(xiàn)了虛擬同步機在新能源電力系統(tǒng)的全場景集成應用，為支撐新能源電力系統(tǒng)自主運行提供了解決方案。
風電智能運維定量化決策關鍵技術及大規(guī)模應用
★2020年河北省科學技術進步獎一等獎
主要技術創(chuàng)新
●提出基于多元數(shù)據(jù)驅動和堆疊自編碼深度學習網絡的傳動系統(tǒng)故障預測方法，建立基于油液監(jiān)測多指標聚類的齒輪箱磨損程度量化評估模型，發(fā)明傳動鏈低頻振動信號特征辨識方法，解決了傳動系統(tǒng)關鍵部件早期失效故障準確識別的難題，準確度達96.3%。
●建立基于故障原因概率量化賦值的故障樹系統(tǒng)，提出基于歷史概率統(tǒng)計、控制邏輯驅動和概率神經網絡融合應用的風電機組智能故障診斷方法，大幅提升診斷效率，故障修復時間降低63%。
●提出基于缺陷定級的風電機組關鍵部件檢修決策規(guī)則，首創(chuàng)以健康度為核心、多因素復雜約束條件下的風電運維定量化決策體系，解決了檢修計劃與實施全局統(tǒng)籌決策的難題，可利用率提升5.59%。
●攻克基于微服務的智能算法插件式部署技術，開發(fā)出集成大部件故障預測、機組故障診斷、運維優(yōu)化決策等多類型算法的風電智能運維決策平臺，實現(xiàn)風電運維全過程的數(shù)字化、智能化決策。
原標題：新能源入網，這些變化看得見！
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