風(fēng)光無限，碩果累累。隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)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(gòu)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(wǎng)，滿足群眾日益增長的美好用能需求？本報記者探訪國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院智能電網(wǎng)與新能源研究所，帶你了解馴服“風(fēng)光”的前沿科技。
從脫網(wǎng)，到牽手
初冬的張北草原，白雪皚皚，寒風(fēng)凜冽。在茫茫無際的雪原上，國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)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(fēng)電機(jī)組，費(fèi)力地打開機(jī)組設(shè)備門，開始進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組高/低電壓穿越能力檢測。
風(fēng)電機(jī)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(jìn)行一些操作，才能順利通過。電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，偶爾也會出現(xiàn)突然的低電壓或高電壓，風(fēng)電機(jī)組如果不具備高/低電壓穿越能力，在電網(wǎng)出現(xiàn)高/低電壓擾動時就不能正常地發(fā)電，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)大面積風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，威脅電網(wǎng)安全。”冀北電科院智能電網(wǎng)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(jīng)，如何讓風(fēng)電機(jī)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(nèi)大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。“主要原因是當(dāng)時我國并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組普遍不具備高電壓和低電壓穿越能力，而且當(dāng)時國內(nèi)外的高電壓穿越檢測裝置的研究還停留在論文和實(shí)驗(yàn)室階段。”沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，劉輝和同事們只能迎難而上。
“追風(fēng)的人，無論寒冬酷暑，大風(fēng)、小風(fēng)都要捕捉到。”歷經(jīng)無數(shù)個不眠之夜，跑遍風(fēng)機(jī)聳立的張北風(fēng)電場，劉輝和團(tuán)隊(duì)成員成功研制了世界上第一臺移動式風(fēng)電機(jī)組高/低電壓穿越一體化測試系統(tǒng)，幫助風(fēng)電場成功改造升級，促進(jìn)新能源更好地并網(wǎng)消納。
高比例的新能源接入，沖擊著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式。為保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，電力系統(tǒng)需要保持頻率和電壓穩(wěn)定。但風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源依托大量電力電子設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，具有波動性、間歇性等特點(diǎn)，不具備傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)調(diào)頻、調(diào)壓等主動支撐能力。新能源接入甚至?xí)拇罅繜o功，威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
促進(jìn)新能源友好并網(wǎng)，成為劉輝科研攻關(guān)的重中之重。
為有效提高新能源設(shè)備的并網(wǎng)友好性以及對電網(wǎng)的支撐能力，國外學(xué)者提出了“虛擬同步機(jī)”概念，讓新能源機(jī)組等效常規(guī)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特征，主動支撐電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)新能源友好并網(wǎng)。
“當(dāng)新能源占比很小時，傳統(tǒng)火電、水電機(jī)組可調(diào)容量可以完全滿足負(fù)荷波動；而當(dāng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)后，火電機(jī)組同步發(fā)電機(jī)很難平衡負(fù)荷側(cè)功率變化和發(fā)電側(cè)新能源出力波動。為保證電力系統(tǒng)運(yùn)行和用戶的用電安全，新能源需要具備類似火電機(jī)組功能的調(diào)頻、調(diào)壓能力。”2012年起，劉輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展“支撐新能源電力系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、裝備及應(yīng)用”研究，歷時8年終于攻克了難題。該項(xiàng)目構(gòu)建了電壓源型虛擬同步機(jī)理論體系，突破了虛擬同步機(jī)主動支撐關(guān)鍵技術(shù)，自主研制了虛擬同步機(jī)系列成套裝備，攻克了虛擬同步機(jī)集群運(yùn)行技術(shù)，打破了新能源發(fā)電和儲能設(shè)備“被動接受上級指令”進(jìn)行功率響應(yīng)的傳統(tǒng)控制模式，使新能源發(fā)電機(jī)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(wǎng)友好性。
該項(xiàng)目成果已應(yīng)用于國家風(fēng)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(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并榮獲2020年中國電力科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(fēng)光儲并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)國家電網(wǎng)有限公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)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(jié)果進(jìn)行激烈討論。
常規(guī)電力系統(tǒng)是一個發(fā)、輸、配、用實(shí)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(wǎng)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(wǎng)調(diào)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(fēng)、有光，那么，隨機(jī)波動的電源如何滿足隨機(jī)波動的負(fù)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(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動的電源之間實(shí)現(xiàn)供需平衡，其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式和規(guī)劃建設(shè)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(fēng)光水儲一體化、源網(wǎng)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(fēng)光儲輸示范工程是一項(xiàng)有益探索，當(dāng)風(fēng)很大、電網(wǎng)消納不了時，就讓儲能裝置開始充電，等到負(fù)荷高峰時，再讓儲能裝置釋放電能，最大限度促進(jìn)新能源消納。”劉輝介紹說，現(xiàn)在冀北電網(wǎng)新能源裝機(jī)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(fēng)光儲實(shí)現(xiàn)了完美配合。
今年以來，國家密集出臺各項(xiàng)政策，大力支持儲能發(fā)展。2月26日，國家能源局印發(fā)風(fēng)電、光伏開發(fā)建設(shè)征求意見稿，鼓勵新能源企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展模式，建設(shè)一批離網(wǎng)型新能源發(fā)電項(xiàng)目，推進(jìn)“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(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見。7月23日，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見。意見提出，到2025年，新型儲能裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上，實(shí)現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)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(wǎng)與新能源研究所技術(shù)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(yù)測補(bǔ)償?shù)榷喾N用途，不同的應(yīng)用場景需要不同的儲能功率控制技術(shù)。
入職兩年來，劉迪一直堅(jiān)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(diào)研中，我們團(tuán)隊(duì)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(jīng)濟(jì)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(wǎng)的新能源電站儲能配置關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，希望提出響應(yīng)多運(yùn)行場景的新能源—儲能運(yùn)行控制方法，開發(fā)實(shí)用化的儲能配置軟件與能量管控裝置，并進(jìn)行工程應(yīng)用實(shí)證，為儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣與調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支撐，促進(jìn)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(yīng)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的需要，變得更加可靠。
從經(jīng)驗(yàn)管理，到智能運(yùn)維
當(dāng)前，新能源正成為我國轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要手段和有力抓手。
在新能源裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，新能源場站的智能運(yùn)維成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。
“現(xiàn)在新能源場站基本上都實(shí)現(xiàn)了視頻集中監(jiān)控，安裝在風(fēng)電機(jī)組、光伏板上的采集終端會實(shí)時回傳各種數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行深入分析，就很難發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組存在的問題。等到機(jī)組徹底不發(fā)電時才進(jìn)行檢修，就會影響機(jī)組維修效率，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。”冀北電科院智能電網(wǎng)與新能源研究所所長助理張揚(yáng)帆說，為了讓風(fēng)電場運(yùn)行更智慧，他們開展了“風(fēng)電智能運(yùn)維定量化決策關(guān)鍵技術(shù)及大規(guī)模應(yīng)用”研究。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國風(fēng)電年平均等效利用小時數(shù)較歐美發(fā)達(dá)國家低30%以上，機(jī)組年平均故障停運(yùn)時間、修復(fù)時間和維護(hù)時間合計(jì)超過450小時。深入研究風(fēng)電智能化運(yùn)維技術(shù)，提升發(fā)電效益，降低運(yùn)維成本，是全國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求。
在研究過程中，張揚(yáng)帆和同事們發(fā)現(xiàn)研發(fā)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件故障前早期預(yù)測技術(shù)、故障后快速識別技術(shù)和風(fēng)電場集群運(yùn)維全局定量化決策技術(shù)，是行業(yè)面臨的共同難題。
“風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合特征，早期準(zhǔn)確識別關(guān)鍵部件劣化特征極其困難；機(jī)組故障因果關(guān)系復(fù)雜，故障后診斷和維修嚴(yán)重依賴個人經(jīng)驗(yàn)，高效診斷非常困難；風(fēng)電運(yùn)維涉及多對象、多目標(biāo)、多流程、多約束條件，全局定量化統(tǒng)籌決策難度極大。”張揚(yáng)帆說，研究初期困難重重，但辦法總比困難多，項(xiàng)目成員歷時8年，終于突破了風(fēng)電機(jī)組傳動鏈等大部件故障預(yù)測、智能故障診斷、風(fēng)電場運(yùn)維優(yōu)化決策三方面關(guān)鍵技術(shù)，項(xiàng)目成果榮獲2020年河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎，已成功應(yīng)用于國家風(fēng)光儲輸示范工程，并在全國24個省區(qū)、14個發(fā)電集團(tuán)推廣應(yīng)用，對推動風(fēng)電場高質(zhì)量發(fā)展及新能源消納具有重要意義。
“基于項(xiàng)目成果，我們還開發(fā)了新能源大數(shù)據(jù)精細(xì)化分析與創(chuàng)新服務(wù)平臺，深度融合國家電網(wǎng)有限公司、新能源場站、第三方廠家等多源數(shù)據(jù)，應(yīng)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(yùn)維、風(fēng)光資源評估與氣象預(yù)警、新能源場站涉網(wǎng)性能分析和區(qū)域新能源消納分析等功能，促進(jìn)了新能源運(yùn)營商數(shù)字化運(yùn)行管理水平和發(fā)電效益的提升，同時有效支撐了電網(wǎng)對新能源的高效消納。”張揚(yáng)帆透露，現(xiàn)在與他們簽約服務(wù)的新能源場站可以定期收到分析報告，提前了解設(shè)備運(yùn)行情況，不斷進(jìn)行設(shè)備改造升級，單機(jī)平均發(fā)電能力可提升2%～3%，推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。
加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，科研攻關(guān)將永無止境?？梢灶A(yù)見，有了先進(jìn)電力技術(shù)的保駕護(hù)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(jī)關(guān)鍵技術(shù)、裝備與應(yīng)用
★2020年中國電力科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎
★2019年國家電網(wǎng)有限公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎
主要技術(shù)創(chuàng)新
●建立了電壓源型虛擬同步機(jī)的“基本原理-數(shù)學(xué)模型-支撐機(jī)理”理論體系。提出了可完整反映定轉(zhuǎn)子間電磁關(guān)系的電力電子裝備自同步并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制，建立了虛擬同步機(jī)高階數(shù)學(xué)模型，揭示了虛擬同步機(jī)支撐電網(wǎng)頻率的動力學(xué)作用機(jī)理，為虛擬同步機(jī)裝備研制和工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
●突破了虛擬同步機(jī)主動支撐關(guān)鍵技術(shù)。提出了自適應(yīng)慣量支撐與一次調(diào)頻協(xié)同控制策略、適應(yīng)三相電壓不平衡等復(fù)雜工況下的無功電壓支撐控制策略、考慮暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)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(fù)雜工況適應(yīng)性和并網(wǎng)穩(wěn)定性三個維度，實(shí)現(xiàn)了虛擬同步機(jī)從“被動調(diào)節(jié)”到“自主運(yùn)行”的轉(zhuǎn)變。
●自主研制了虛擬同步機(jī)系列成套裝備。突破了虛擬同步機(jī)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、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(fēng)電、光伏、儲能及負(fù)荷側(cè)虛擬同步機(jī)在內(nèi)的26款裝備，填補(bǔ)了兆瓦級新能源虛擬同步機(jī)和負(fù)荷側(cè)虛擬同步機(jī)國際空白。暫態(tài)電壓支撐響應(yīng)時間可達(dá)20毫秒，一次調(diào)頻響應(yīng)時間可達(dá)100毫秒，性能指標(biāo)處于國際引領(lǐng)地位。
●攻克了虛擬同步機(jī)組網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)。發(fā)明了虛擬同步機(jī)異構(gòu)機(jī)群協(xié)調(diào)運(yùn)行技術(shù)，提出了基于虛擬同步機(jī)的新能源電站自啟動技術(shù)，建立了“控制器-單機(jī)-電站”多維互補(bǔ)的試驗(yàn)檢測手段，編制了首個虛擬同步機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，首次實(shí)現(xiàn)了虛擬同步機(jī)在新能源電力系統(tǒng)的全場景集成應(yīng)用，為支撐新能源電力系統(tǒng)自主運(yùn)行提供了解決方案。
風(fēng)電智能運(yùn)維定量化決策關(guān)鍵技術(shù)及大規(guī)模應(yīng)用
★2020年河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎
主要技術(shù)創(chuàng)新
●提出基于多元數(shù)據(jù)驅(qū)動和堆疊自編碼深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的傳動系統(tǒng)故障預(yù)測方法，建立基于油液監(jiān)測多指標(biāo)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(guān)鍵部件早期失效故障準(zhǔn)確識別的難題，準(zhǔn)確度達(dá)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(jì)、控制邏輯驅(qū)動和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組智能故障診斷方法，大幅提升診斷效率，故障修復(fù)時間降低63%。
●提出基于缺陷定級的風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件檢修決策規(guī)則，首創(chuàng)以健康度為核心、多因素復(fù)雜約束條件下的風(fēng)電運(yùn)維定量化決策體系，解決了檢修計(jì)劃與實(shí)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(wù)的智能算法插件式部署技術(shù)，開發(fā)出集成大部件故障預(yù)測、機(jī)組故障診斷、運(yùn)維優(yōu)化決策等多類型算法的風(fēng)電智能運(yùn)維決策平臺，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)維全過程的數(shù)字化、智能化決策。
原標(biāo)題：新能源入網(wǎng)，這些變化看得見！
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