让清洁能源稳定传输——沧州公司探索研究含虚拟惯量新能源并网系统的区域协同控制及应用技术

近年来，新能源增长迅猛，截至2021年，河北南部新能源装机突破2000万千瓦，占比超过40%。国网沧州供电公司以构建新能源传输新体系为目标，探索出助力新能源稳定并网发电的方法。

今年，此项成果《含虚拟惯量新能源并网系统的区域协同控制及应用》荣获河北省科学技术进步奖三等奖。该成果的推广应用，助力光伏、风电等清洁能源稳定并网传输，通过电网，这些新能源照亮了千家万户。

新能源稳定并网传输问题亟需解决

相对于火力发电“发电厂—电网—用户”的传统模式，新能源的传输模式却大不相同。无论是国家级的光伏项目，还是一家一户零散安装的光伏板，都可以参与发电并网。

“传统的火力发电，依靠设备旋转产生的机械能转化为电能，具有强大的惯性。因此，个别线路上的扰动并不会对电力输送产生什么影响。”沧州公司发展部专责、该成果项目组主要成员宋文乐介绍。

而大规模风机、光伏并网，会导致电网系统整体惯性下降，当电网受到扰动或故障时，系统频率会面临不同程度的跌落过程。随着新能源并网占比的增加，系统频率跌落幅度越大，频率恢复用时越长。这样多点开花的传输模式，对电网的稳定性产生了极大的挑战。

为了更好地解决这个问题，沧州公司攻关团队探索研究含虚拟惯量新能源并网系统的区域协同控制及应用技术。

突破瓶颈创新成果初步完成

2013年，宋文乐和同事们提出构建风电、光储虚拟惯量和区域电网惯量的量化评估体系，完善含虚拟惯量新能源并网系统的动态稳定机理，“这样能够为衡量高比例新能源电力系统的频率支撑能力提供科学依据。”沧州公司调度控制中心副主任李治说。从那时起，沧州公司攻关团队就开始探索清洁能源传输新体系。

在项目研发过程中，如何解决风电、光储因调频能力欠缺无法实现高比例消纳是一道难题。

“为此，我们研发风电、光储并网系统的虚拟同步耦合控制技术，建立风机、蓄电池及超级电容与系统频率间的虚拟同步耦合关系，来提升高比例新能源并网系统的惯量支撑能力。”宋文乐介绍。

沧州公司项目组提出基于功率跟踪优化的虚拟惯量控制技术，通过切换功率跟踪曲线迅速提供有功支持，将虚拟惯量控制集成于功率跟踪控制之中，使两种控制可平滑切换，这一技术使最大频率跌幅明显降低，对系统频率支持作用明显，效果优于常规同步机组。

同时，项目组制定可整定风电机组静调差系数的频率控制策略，并研发出一种基于混合储能的变惯量虚拟同步耦合控制技术，减少一次调频后的静态频差，可整定的调频性能便于风机融入常规同步机组调频控制之中，使系统频率跌落幅度降低，频率恢复速度提升。

此外，在多区域协同控制系统方面，沧州公司项目组发明多区域风电、光储虚拟惯量的协同控制优化运行系统，掌握惯量、频率调整及低频振荡多重控制目标之间的规律，通过多区域协同惯量控制，提高含高比例新能源电力系统的稳定性。

2019年，沧州公司历经六年科技攻关，《含虚拟惯量新能源并网系统的区域协同控制及应用》成果初步完成，构建起稳定可靠的新能源传输系统，丰富和发展了新能源消纳理论、技术及系统。

实际应用助力新能源稳定并网发电

4月24日，春风和煦，笔者驱车行驶在沧州市海兴县蜿蜒漫长的渤海湾西岸，只见一片片光伏板在太阳照射下闪着蓝色光芒，这是海兴258兆瓦渔光互补光伏发电项目。

2020年底投用的海兴258兆瓦渔光互补光伏发电项目，是在7000亩盐洼子上建起光伏板，水下用于鱼虾养殖，经济与生态协调发展共赢的新模式。含虚拟惯量新能源并网技术在此光伏项目上得到示范应用，助力光伏年发电4.69亿千瓦时，节约标准燃煤14.55万吨，每年可减少二氧化碳排放36.38万吨。

宋文乐介绍说，这项技术不但适用于光伏发电，也适用于风电等清洁能源传输设备。随着项目不断深化应用，沧州市已连续3年实现新能源全额消纳，促进了新能源与电网协调发展，保障了“光伏+煤改电”和“光伏乡村振兴”工程顺利推进，对改善民生和促进京津冀绿色低碳发展具有重大的社会效益。

目前，这项技术已覆盖新能源场站12座，助力2021年沧州新能源发电量5.06亿千瓦时，折合减少标煤消耗16.2万吨，减排二氧化碳42万吨，减排氮氧化物、二氧化硫0.26万吨，相当于种植1200公顷阔叶林产生的减排效果。（陶然）