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(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司的員工卻非常欣慰：這一天，風(fēng)力發(fā)電365萬(wàn)千瓦時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行非常平穩(wěn)。當(dāng)天一大早，電站生產(chǎn)技術(shù)部副主任朱斯就來(lái)查看剛投運(yùn)的世界首個(gè)具備虛擬同步機(jī)功能新能源電站的運(yùn)行狀況。他面前一排排銀灰色的柜子就是虛擬同步機(jī)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(gè)“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(jìng)相攻關(guān)
近幾十年特別是進(jìn)入21世紀(jì)，隨著世界各國(guó)對(duì)清潔能源發(fā)展的重視和新能源技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電進(jìn)入規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用的新階段。但是，新能源的波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)，以及不具備調(diào)頻、調(diào)壓等主動(dòng)支撐能力的特性，給新能源消納和電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這一世界性難題一直橫亙?cè)诟鲊?guó)能源電力行業(yè)人士的面前。
到底有沒(méi)有一種設(shè)備、一項(xiàng)技術(shù)能解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案是肯定的，有一種聽(tīng)起來(lái)很艱澀的技術(shù)——虛擬同步發(fā)電機(jī)，可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。
虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，是一種通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步發(fā)電機(jī)組的慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓等并網(wǎng)運(yùn)行外特性的技術(shù)。具備虛擬同步機(jī)功能的新能源電站，可使新能源具備與火電機(jī)組接近的外特性，對(duì)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(wèn)題的有效手段。“虛擬同步機(jī)技術(shù)能夠使新能源機(jī)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(dòng)支撐電網(wǎng)頻率、電壓，有力保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。”中國(guó)電科院配電研究所微網(wǎng)研究室主任吳鳴說(shuō)。
美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）工作組在1997年就第一次提出了虛擬同步機(jī)的概念。對(duì)于這樣的技術(shù)，發(fā)展新能源較早的西方國(guó)家自然不會(huì)放過(guò)。1997年之后的20年間，對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的攻關(guān)一直在持續(xù)。比利時(shí)魯汶大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)、英國(guó)利物浦大學(xué)相繼投入研發(fā)。但截至目前，國(guó)外仍處于理論研究與實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)（百千瓦級(jí)）研制階段，尚未有工程應(yīng)用。
在西方國(guó)家全力攻關(guān)這一技術(shù)的同時(shí)，中國(guó)也瞄準(zhǔn)了這一領(lǐng)域。作為全球并網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電最大的電網(wǎng)，中國(guó)國(guó)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(wèn)題。然而，這一世界級(jí)難題并沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，必須從零開(kāi)始，自己摸索出一條路來(lái)。
2012年，公司依托千人計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)，啟動(dòng)虛擬同步機(jī)技術(shù)研究；
2013年，中國(guó)電科院成功研制世界首臺(tái)50千瓦虛擬同步機(jī)樣機(jī)；
2014年，南瑞集團(tuán)、許繼集團(tuán)成功研制500千瓦虛擬同步機(jī)樣機(jī)；
2017年12月，世界首個(gè)具備虛擬同步機(jī)功能的新能源電站正式投運(yùn)，標(biāo)志著新能源友好并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)被中國(guó)攻克。
研發(fā)·何以率先突破
“后來(lái)居上”區(qū)區(qū)四個(gè)字，背后是無(wú)數(shù)科研和一線人員的努力和付出。國(guó)家電網(wǎng)公司能在短短五年里一舉攻克西方國(guó)家20年未能突破的技術(shù)，絕非偶然。
新能源虛擬同步機(jī)科技示范工程是攻克新能源虛擬同步機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。公司高度重視示范工程建設(shè)，將其列為國(guó)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(guān)單位深入研究，反復(fù)論證，周密籌備，確定改造施工方案，以專(zhuān)業(yè)化支撐和精益化落實(shí)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(kāi)始，公司就以明確的時(shí)間表、路線圖和任務(wù)池，集全公司之力、聚全公司之智開(kāi)展研發(fā)。
這的確是一塊難啃的硬骨頭。而具體承擔(dān)研發(fā)的國(guó)網(wǎng)冀北電力協(xié)同中國(guó)電科院、許繼集團(tuán)、南瑞集團(tuán)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(guān)鍵技術(shù)和裝備。中國(guó)電科院在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)制定和試驗(yàn)檢測(cè)等方面做了大量工作。南瑞集團(tuán)著重開(kāi)展虛擬同步機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了光伏、儲(chǔ)能、風(fēng)電多領(lǐng)域虛擬同步機(jī)裝備產(chǎn)品化。許繼集團(tuán)則承擔(dān)了虛擬同步機(jī)工程中三種虛擬同步機(jī)設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)與設(shè)備供貨。
一項(xiàng)新興技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用過(guò)程中，問(wèn)題總會(huì)不斷出現(xiàn)。就在2017年12月，距離新能源虛擬同步機(jī)科技示范工程啟動(dòng)的日子越來(lái)越近，許繼集團(tuán)新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在調(diào)頻過(guò)程中遇到了一個(gè)棘手的問(wèn)題：頻率波動(dòng)太大、控制精度達(dá)不到。對(duì)此，大家意見(jiàn)不一。有人說(shuō)，這應(yīng)該是控制參數(shù)設(shè)置不合理造成的，需要優(yōu)化控制參數(shù)；有人則認(rèn)為，是電網(wǎng)本身頻率波動(dòng)太大。整整三天三夜，大家都在討論這個(gè)問(wèn)題。突然有人說(shuō)，要不，試試增加濾波處理？順著這個(gè)思路，多次試驗(yàn)之后，問(wèn)題終于得到解決。在示范工程建設(shè)過(guò)程中，這種情況很常見(jiàn)。各個(gè)單位的研發(fā)團(tuán)隊(duì)咬定青山不放松，攻克了一個(gè)又一個(gè)難題。
經(jīng)過(guò)艱苦努力，虛擬同步機(jī)核心技術(shù)在兩年之內(nèi)得以全面掌握：構(gòu)建了虛擬同步機(jī)應(yīng)用理論；成功研制了三類(lèi)虛擬同步機(jī)裝置；建立了虛擬同步機(jī)裝備試驗(yàn)檢測(cè)體系；全面驗(yàn)證了虛擬同步機(jī)的性能；提出了虛擬同步機(jī)應(yīng)用推廣建議。
技術(shù)人員攻克了由理論到實(shí)踐的諸多難題，成功改造了現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(tái)風(fēng)機(jī)、容量11.8萬(wàn)千瓦，改造24臺(tái)500千瓦光伏逆變器、容量1.2萬(wàn)千瓦，新建2套0.5萬(wàn)千瓦電站式虛擬同步機(jī)。
未來(lái)·應(yīng)用前景可期
新能源虛擬同步機(jī)科技示范工程的建成投運(yùn)，是加快打造廣泛互聯(lián)、智能互動(dòng)、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(shí)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(yùn)行水平，為新能源友好并網(wǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)典范。虛擬同步機(jī)技術(shù)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(xiàng)新興技術(shù)是否具有實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)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(shù)，應(yīng)用推廣的前景會(huì)怎樣？
南瑞集團(tuán)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(gè)問(wèn)題：“虛擬同步機(jī)是一種算法上的改良，不需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造。實(shí)踐證明，虛擬同步機(jī)技術(shù)可以助力新能源友好并網(wǎng)，有效控制工程改造和建設(shè)成本，具有良好的推廣和應(yīng)用前景。”
更重要的是，通過(guò)建設(shè)新能源虛擬同步機(jī)科技示范工程，國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)了理論架構(gòu)、裝置研發(fā)、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段、并網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)等完全自主化。這項(xiàng)技術(shù)深深打上了“中國(guó)創(chuàng)造”的烙印，進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)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(dòng)汽車(chē)智能互動(dòng)充電等科技示范工程，正在孕育、成長(zhǎng)。放眼更廣闊的科技創(chuàng)新領(lǐng)域、更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，更多科研人員仍在持續(xù)研究和探索。未來(lái)，在新能源的發(fā)展進(jìn)程中，我國(guó)將有更多新的突破。
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