中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
什么是構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)？
構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)是指通過電力電子設(shè)備形成一個(gè)具有穩(wěn)定電壓、頻率的電網(wǎng)，進(jìn)而為負(fù)載提供可靠電力的一種技術(shù)，包含構(gòu)網(wǎng)型控制和構(gòu)網(wǎng)型裝備兩個(gè)方面。其中，構(gòu)網(wǎng)型控制是為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)構(gòu)建而采取的一種控制策略，采用該控制策略可以在不同工況下具備主動(dòng)構(gòu)建并維持電網(wǎng)電壓和頻率的能力，提供類似于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的支撐功能以增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性；構(gòu)網(wǎng)型裝備是指用于電網(wǎng)構(gòu)建并塑造同步機(jī)特性的涉網(wǎng)裝備，如風(fēng)電機(jī)組、光伏變流器、儲(chǔ)能變流器、靜止同步調(diào)相機(jī)、柔性直流換流站等。一般地，采用構(gòu)網(wǎng)型控制的電力電子設(shè)備也被稱為構(gòu)網(wǎng)型裝備。
02
系統(tǒng)需求視角下構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的演進(jìn)歷程
系統(tǒng)需求是推動(dòng)構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)發(fā)展的源頭，通過對控制策略、構(gòu)網(wǎng)能力、能量來源的不斷探索改進(jìn)，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)先后經(jīng)歷了調(diào)差外特性塑造、慣量調(diào)頻特性塑造、內(nèi)電勢特性塑造等演進(jìn)過程，以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)在各種應(yīng)用場景下的穩(wěn)定運(yùn)行需求，如圖1所示，簡要?dú)w納如下。
圖1 全有功功率范圍內(nèi)構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)無功功率和臨界占比
調(diào)差外特性塑造：2006年，美國CERTS學(xué)會(huì)和AEP公司為實(shí)現(xiàn)分布式電源即插即用，通過模擬同步機(jī)的下垂特性，解決100%逆變器接口的多機(jī)并聯(lián)問題，建設(shè)了三機(jī)并聯(lián)60 kW試驗(yàn)系統(tǒng)，通過并離網(wǎng)無縫切換等研究，驗(yàn)證了獨(dú)立供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。
阻尼特性塑造：2014年，針對西藏、青海等偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)大規(guī)模離網(wǎng)電站建設(shè)面臨振蕩失穩(wěn)、黑啟動(dòng)頻繁、可靠供電難以保障的問題，國家863計(jì)劃立項(xiàng)《光伏微電網(wǎng)核心設(shè)備與控制系統(tǒng)研制及示范應(yīng)用》，提出了虛擬同步機(jī)（VSG）技術(shù)，通過虛擬阻抗模擬同步機(jī)阻尼特性，解決VSG分布式并聯(lián)問題，實(shí)現(xiàn)新能源微電網(wǎng)擴(kuò)容至10 MW以上，并穩(wěn)定運(yùn)行。
慣量調(diào)頻特性塑造：以2015年9月19日錦蘇直流雙極閉鎖事件為標(biāo)志，電網(wǎng)對新能源提出了慣量響應(yīng)和快速調(diào)頻的功能需求。國家電網(wǎng)公司啟動(dòng)張北虛擬同步發(fā)電機(jī)示范工程，首次采用配置超級電容的光伏VSG技術(shù)，以及通過風(fēng)輪動(dòng)能釋放實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)慣量響應(yīng)，解決了新能源機(jī)組層面慣量高頻次響應(yīng)的能量來源拓展問題。
端口電壓特性塑造：祁韶直流投運(yùn)初期暫態(tài)過電壓制約新能源外送消納，電網(wǎng)對新能源提出了暫態(tài)電壓支撐的系統(tǒng)功能需求。2019年，國家電網(wǎng)公司立項(xiàng)開展“高比例新能源電力系統(tǒng)的自同步電壓源型新能源發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究”，重點(diǎn)解決新能源電壓源升級或改造，配置儲(chǔ)能成本高、風(fēng)機(jī)改造難度大、場站響應(yīng)慢等難題。
內(nèi)電勢幅頻特性塑造：針對沙漠、戈壁、荒灘地區(qū)大型新能源基地缺乏就地同步電源支撐，電網(wǎng)提出了交直流故障下基地安全穿越的功能需求。2022年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃立項(xiàng)《無常規(guī)電源支撐的大規(guī)模新能源發(fā)電基地穩(wěn)定運(yùn)行及直流送出關(guān)鍵技術(shù)》，通過塑造內(nèi)電勢幅頻特性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)/光/儲(chǔ)并網(wǎng)裝備從次暫態(tài)到暫態(tài)的全工況構(gòu)網(wǎng)。
縱觀構(gòu)網(wǎng)型裝備的演進(jìn)歷程，以滿足系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)與電壓支撐為核心需求，通過同步機(jī)特性塑造促進(jìn)了構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的發(fā)展。未來隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)不斷建設(shè)，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)多應(yīng)用場景交織、多電網(wǎng)形態(tài)并存的格局，需要站在未來視角來審視構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)發(fā)展方向、標(biāo)志性裝備研發(fā)，也更需要用系統(tǒng)的視角思考構(gòu)網(wǎng)型的功能定位。
03
不同形態(tài)電網(wǎng)場景下構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的功能定位
以電網(wǎng)形態(tài)劃分，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的應(yīng)用可分為微電網(wǎng)、獨(dú)立供電系統(tǒng)、區(qū)域弱電網(wǎng)、互聯(lián)大電網(wǎng)這4種場景，如圖2所示。微電網(wǎng)場景的系統(tǒng)規(guī)模通常在100 MW以內(nèi)，新能源裝機(jī)占比可接近100%，該場景構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)較為成熟；獨(dú)立供電系統(tǒng)場景的系統(tǒng)規(guī)模通常為100~1 000 MW，新能源裝機(jī)占比通常在70%以上，該場景構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)已取得小規(guī)模應(yīng)用；區(qū)域弱電網(wǎng)場景的系統(tǒng)規(guī)模通常在1~100 GW，新能源裝機(jī)占比通常在60%以上，該場景構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)已有部分示范試點(diǎn)，尚未規(guī)模應(yīng)用；互聯(lián)大電網(wǎng)場景的系統(tǒng)規(guī)模通常在100 GW以上，新能源裝機(jī)占比通常在50%上下，該場景構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)仍處于探索階段，僅有零星示范試點(diǎn)，不同場景的典型案例如圖3所示。
圖2 不同電網(wǎng)形態(tài)下的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)應(yīng)用案例及其新能源占比
圖3 不同電網(wǎng)形態(tài)下構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)應(yīng)用的典型案例
不同電網(wǎng)形態(tài)有不同的需求，決定了構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)不同的功能定位：
對于微電網(wǎng)場景，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)應(yīng)具備在供電可靠性要求不苛刻場合下，實(shí)現(xiàn)完全取代同步機(jī)，發(fā)揮頻率電壓穩(wěn)定的“主心骨”作用。在海上油氣平臺微電網(wǎng)、礦山提升機(jī)微電網(wǎng)等高可靠供電要求的場合下，一般建議配備燃油/氣機(jī)組，以確保供電連續(xù)性、穩(wěn)定性。
對于獨(dú)立供電系統(tǒng)場景，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)應(yīng)具備在部分時(shí)段替代同步電源，發(fā)揮頻率、電壓支撐的主導(dǎo)作用。由于獨(dú)立供電系統(tǒng)已具有小型電網(wǎng)特征，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)還需考慮與N-1安全校核、繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定裝置等安全防線的協(xié)調(diào)。
對于區(qū)域弱電網(wǎng)場景，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)尚不具備全面替代同步機(jī)的能力，其定位應(yīng)是在電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)發(fā)揮支撐作用，以提升局部電網(wǎng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，促進(jìn)新能源的消納和保障電力供應(yīng)。
對于互聯(lián)大電網(wǎng)場景，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)仍處于探索階段，未來其發(fā)展定位應(yīng)從降低系統(tǒng)慣量需求水平、提高系統(tǒng)強(qiáng)度和頻率快速響應(yīng)、對同步調(diào)相機(jī)的工程替代、提升負(fù)荷中心城市電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、在主配電網(wǎng)中發(fā)揮節(jié)點(diǎn)電壓控制作用等方面考慮。
