中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)在蘇州香格里拉酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場(chǎng)參會(huì)。大會(huì)共邀請(qǐng)140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲(chǔ)能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會(huì)最具價(jià)值的聲音。
大會(huì)期間，南瑞集團(tuán)公司裝置研發(fā)中心經(jīng)理侯凱先生在“儲(chǔ)能電站暨微電網(wǎng)專場(chǎng)”，以《MW級(jí)儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
侯凱：我們的題目是把儲(chǔ)能的變流器模擬成電力系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)接口性質(zhì)的裝置，這樣使儲(chǔ)能的變流器既具有電網(wǎng)的調(diào)峰性能，同時(shí)也具有調(diào)頻性能，使新能源更好用，更容易接入電網(wǎng)。
報(bào)告主要分為四塊，第一，技術(shù)背景。南瑞集團(tuán)是國家電網(wǎng)公司直屬的科研單位，也是國內(nèi)最大的設(shè)備供應(yīng)商和工程服務(wù)商，所以我們也致力于解決國家電網(wǎng)公司在面臨大容量新能源接入所帶來的一些問題，我們對(duì)這些問題提供比較好的解決方案。目前來看，我們國家的能源和負(fù)荷相對(duì)來說不是特別平衡，新能源負(fù)荷大多集中在西北部地區(qū)，從負(fù)荷主要集中在東部、中部、南部地區(qū)，所以中國有遠(yuǎn)距離的新能源的直流輸電、交流書店，同時(shí)隨著電容電子新型的裝置接入，使得電網(wǎng)中的新能源出現(xiàn)了剛性比較強(qiáng)，而柔性不足，特別是電力系統(tǒng)的備用容量不足，慣性不足，所以就使得新能源的接入不是非常的友好。所以我們現(xiàn)在認(rèn)為隨著大容量輸電，使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性不足，同時(shí)由于新能源的柔性不足，所以這些新的能源，無法支持電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)峰應(yīng)用。
目前在我們系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)充分的挖掘了新能源調(diào)頻調(diào)峰的能力，我們把它捆綁起來綜合的發(fā)揮效益，同時(shí)也有增加一些備用的旋轉(zhuǎn)容量，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)組，同時(shí)根據(jù)我們的開發(fā)特點(diǎn)，提供優(yōu)化的調(diào)度，包括機(jī)群的控制策略，深度的挖掘現(xiàn)在有的新能源機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的特點(diǎn)，提高它的調(diào)頻調(diào)峰性能。
這個(gè)報(bào)告是我們最新的一個(gè)科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的成果，叫做虛擬同步發(fā)電機(jī)，就是用虛擬的把電容電子的變流器，相當(dāng)于光伏的變流器也好，或者風(fēng)力的變流器也好，或者儲(chǔ)騰的PCS逆變器，利用特殊的算法加上一定容量的儲(chǔ)能電池，虛擬成常規(guī)的發(fā)電機(jī)組。右邊的圖就是我給出了一個(gè)從常規(guī)的發(fā)電機(jī)組，右邊把它模擬成了一個(gè)虛擬的發(fā)電機(jī)組，來做一個(gè)對(duì)比。簡(jiǎn)單來看，通過我們用儲(chǔ)能電池和我們獨(dú)特的虛擬同步機(jī)的算法，可以實(shí)現(xiàn)同樣的電網(wǎng)的阻尼特性。而常規(guī)機(jī)組的阻尼特性是機(jī)械的，它的機(jī)械參數(shù)設(shè)定好之后就是一個(gè)恒定值，而通過儲(chǔ)能電池盒我們的特殊算法，模擬出來這種阻尼特性，參數(shù)是可以改變，可以設(shè)置的，更加靈活。同時(shí)電網(wǎng)調(diào)頻，兩種常規(guī)的機(jī)組和我們的虛擬同步機(jī)組都可以調(diào)頻，可以參與一次調(diào)頻，甚至通過電池容量的提升，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的小時(shí)級(jí)的二次調(diào)頻。微電網(wǎng)調(diào)壓，常規(guī)機(jī)組可以支撐系統(tǒng)的電壓，靠自主的被動(dòng)支撐系統(tǒng)電壓。而我們的虛擬機(jī)組可以自動(dòng)的追蹤電網(wǎng)的電壓變化，來自動(dòng)的調(diào)節(jié)。
第二部分介紹我們科研裝置的特性。這邊給了一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖，左下角畫的是一個(gè)光伏的陣列，中間放的是風(fēng)機(jī)的機(jī)組，常規(guī)做法是通過DC/AC把光伏產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，接入電網(wǎng)，同時(shí)風(fēng)機(jī)我們也做一個(gè)直交流變換，也通過升壓變壓器接入電網(wǎng)，這是常規(guī)的做法。
而這個(gè)項(xiàng)目中最新的做法是我們加入一定的儲(chǔ)能，然后把儲(chǔ)能通過一個(gè)直交流變換器接入電網(wǎng)，我們做的核心的算法就是在這個(gè)儲(chǔ)能的DC/AC變流器中執(zhí)行進(jìn)去的。
我們的控制算法是由儲(chǔ)能單位結(jié)合電子逆變器的虛擬同步機(jī)控制策略，模擬常規(guī)的發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻還有勵(lì)磁控制的特點(diǎn)，主動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)的頻率，電壓的變化，既追蹤，又能夠響應(yīng)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和光伏的友好接入電網(wǎng)。
右圖是我們一個(gè)比較典型的靠虛擬同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)的一個(gè)配置圖，可以看到這個(gè)虛擬同步發(fā)電機(jī)在中間這邊直流側(cè)接入儲(chǔ)能電池單元，交流側(cè)接入升壓變壓器接入電網(wǎng)，這是一個(gè)雙向的過程。一旦電網(wǎng)有電壓的跌落或者頻率的變化，升、降，我們的并網(wǎng)點(diǎn)就會(huì)檢測(cè)到這點(diǎn)變化，從而虛擬同步機(jī)自主的調(diào)動(dòng)儲(chǔ)能的能量，如果電壓跌了我們可以輸出能量，如果電壓升了，我們可以通過儲(chǔ)能電池的充電特性，快速的吸收電網(wǎng)中多余的有功或者無功，所以總的來說特點(diǎn)就是快速主動(dòng)的參與電網(wǎng)的有功調(diào)頻和無功調(diào)壓，同時(shí)像常規(guī)機(jī)組一樣提供一個(gè)虛擬的，相當(dāng)于編程控制的轉(zhuǎn)能管量，提升系統(tǒng)的魯棒性或者說抗擾動(dòng)性。
各位專家比較熟悉的儲(chǔ)能機(jī)組常規(guī)的削峰填谷的特點(diǎn)在這里面都是可以實(shí)現(xiàn)的。
這種虛擬同步機(jī)我們開發(fā)了三種產(chǎn)品，一種是光伏虛擬同步機(jī)，就是在常規(guī)的光伏的逆變器上，并入一定能量的儲(chǔ)能單元，相當(dāng)于是分布式的做成虛擬同步機(jī)特性的光伏逆變器，同時(shí)還有風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)，我們現(xiàn)在做的是不并儲(chǔ)能單元，主要靠風(fēng)機(jī)葉片本身所具有的旋轉(zhuǎn)備用容量，把類似于風(fēng)能儲(chǔ)能挖掘出來，靠我們的控制算法來實(shí)現(xiàn)一定容量的調(diào)頻調(diào)壓特性。然后這邊的工作主要介紹的是集中式的儲(chǔ)能式的虛擬同步機(jī)，我們又叫電站式或者叫整場(chǎng)式，一定容量的光伏也好，風(fēng)機(jī)也好，比如說幾十個(gè)兆瓦的光伏陣列或者風(fēng)機(jī)陣列，我們可以裝一臺(tái)10兆瓦或者5兆瓦的虛擬同步機(jī)往上一并，這樣比較適合整站式的改造，我們叫虛擬同步性改造。不需要單臺(tái)改造，直接接入，很方便，而且可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，比較容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橛辛藘?chǔ)能單元，可以保證每臺(tái)風(fēng)機(jī)或者每臺(tái)光伏逆變器都可以最大程度出力，使新能源發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)最好。
這邊對(duì)儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能變流器在國網(wǎng)公司提出的智能電網(wǎng)中的特性進(jìn)行了總結(jié)，我們認(rèn)為儲(chǔ)能裝置可以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，對(duì)負(fù)荷可以進(jìn)行平滑，消除峰谷差，降低我們的供電成本。同時(shí)依靠虛擬同步機(jī)特性可以跟蹤電網(wǎng)的頻率或者電壓的變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)的補(bǔ)充和平滑，這都是儲(chǔ)能應(yīng)用于電網(wǎng)的特點(diǎn)，所以我們的虛擬同步特性主要基于第四點(diǎn)，針對(duì)電網(wǎng)的快速頻率變化去補(bǔ)償它。
第三部分介紹我們產(chǎn)品相應(yīng)的開發(fā)工作。這張圖給出了虛擬同步機(jī)從科研上來看，或者從產(chǎn)業(yè)上來看，給了一個(gè)路線圖，大家可以看到，97年從IEEE的工作組，一直到歐洲的一些科學(xué)家和一些研究院所，對(duì)虛擬同步機(jī)特性進(jìn)行了一些比較深度的研究，也發(fā)表了相應(yīng)的工作組報(bào)告，和一些學(xué)術(shù)論文。然后到近年來，英國、美國的一些科學(xué)家，也提出了一些實(shí)踐的方案，但是主要停留在學(xué)術(shù)上面，南瑞集團(tuán)在2016年，是世界上首次把這個(gè)方案進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的，而且提出了自己的虛擬同步機(jī)方案，也進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
這一部分匯報(bào)一下我們自己提出的一些關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)虛擬同步機(jī)的特性，我們?cè)谘邪l(fā)的過程中主要實(shí)現(xiàn)了一些對(duì)魯棒性和間歇性的控制技術(shù)，同時(shí)對(duì)建模包括融合的過程中實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制策略，和虛擬同步機(jī)的控制策略的一些自主的、同步的、快速的切換，包括電壓原型或者電流原型的一些輸出特性需求，我們都可以在使用過程中快速的切換，根據(jù)用戶、根據(jù)場(chǎng)景的不同，來自主無縫的切換。對(duì)有歸無功可以自主的均分，對(duì)于虛擬阻抗都可以自主的設(shè)定。
在使用過程中，用戶可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的電壓頻率的自動(dòng)調(diào)整，有功無功可以自己均衡，并行運(yùn)行自整步。
這張圖是我們最新研究的一個(gè)5兆瓦的單機(jī)的虛擬同步機(jī)，本身它也是一臺(tái)5兆瓦的雙向的儲(chǔ)能變流器，整個(gè)裝置并不大，集成度非常高，這個(gè)裝置總體上寬是三米四，前后深是一米二，高度是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兩米二的機(jī)柜。在不到五平方的占地下，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)儲(chǔ)能變流器，左邊是控制部分，中間是電容電子的變流單位，下面紅色的是并網(wǎng)的濾波變換器。第三個(gè)柜子是直流的和儲(chǔ)能連接的直流的斷路器或者直流濾波器的柜子，最右邊是我們水冷控制的柜子。從裝置的測(cè)試來看，整個(gè)運(yùn)行效率可以達(dá)到98.5%，是國內(nèi)目前最大的儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品。使用過程中用戶也可以自主選擇進(jìn)行削峰填谷的應(yīng)用，同時(shí)也可以作為虛擬同步機(jī)自動(dòng)的設(shè)定好，然后放那邊不用管了，可以自動(dòng)跟蹤頻率電壓變化，一旦有變化就反向的補(bǔ)償它，從而使電壓的頻率保持穩(wěn)定。
在研發(fā)過程中，我們對(duì)整個(gè)的從系統(tǒng)級(jí)的，包括源程序級(jí)的都進(jìn)行了仿真和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)單機(jī)包括虛擬同步機(jī)接入電網(wǎng)之后，對(duì)電網(wǎng)的影響分析，都做了比較詳細(xì)的仿真驗(yàn)證，后面有我們的一些運(yùn)行結(jié)果。
左邊這個(gè)圖是我們的虛擬同步機(jī)，前面是開機(jī)部分，中間是接收電網(wǎng)的頻率調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了功率響應(yīng)的過程。在這個(gè)圖中我們還人為的加入了一些電池的變化差異，雖然單臺(tái)是5兆瓦的，實(shí)際上接入4路電池，每個(gè)電池是1.5兆瓦，我們?nèi)藶榈脑陔姵厣辖尤肓艘恍╇妷翰町?，然后靠我們的自己控制技術(shù)，雖然有一些分布不均勻的差異，可以在虛擬同步機(jī)之后，自動(dòng)的把電壓進(jìn)行均衡，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能的工作。
右邊這張圖就是虛擬同步機(jī)對(duì)電網(wǎng)頻率電壓的響應(yīng)特性。上面一部分是電網(wǎng)頻率，我們做的一個(gè)系統(tǒng)接入仿真，一旦頻率增加0.2赫茲之后，虛擬同步機(jī)會(huì)自動(dòng)的吸收這個(gè)頻率的變化，吸收有功，這邊叫慣性調(diào)頻，可以有一個(gè)快速的調(diào)頻響應(yīng)，如果我們需要它進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)頻的話，我們還可以把它設(shè)置為吸收一部分頻率變化之后，再長(zhǎng)時(shí)間緩慢的對(duì)頻率變化進(jìn)行吸收，從而保持頻率的穩(wěn)定。
下面兩個(gè)圖是針對(duì)電網(wǎng)頻率如果有跌落的話，我們可以出現(xiàn)一個(gè)正電峰，靠快速的吐出一部分的功率，來支撐電網(wǎng)頻率的變化。
這兩張圖是我們根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際做的一個(gè)在線仿真，把虛擬同步機(jī)接入電網(wǎng)之后，模擬電網(wǎng)故障，當(dāng)電網(wǎng)有一個(gè)線路故障，有30%的用戶或者負(fù)荷脫網(wǎng)了，這個(gè)時(shí)候如果沒有采用虛擬同步機(jī)控制策略的話，左邊這條藍(lán)線，新能源發(fā)電機(jī)也好，或者風(fēng)力變流器也好，它的有功保持輸出不變，而如果采用了新能源發(fā)電機(jī)，在旁邊并上了我們的虛擬同步發(fā)電機(jī)，相當(dāng)于儲(chǔ)能變流器，采用我們的虛擬同步控制策略之后，它就會(huì)快速的實(shí)現(xiàn)有功的降低輸出，從而基本降到0，這樣的話既然負(fù)荷掉了，我的發(fā)電機(jī)出力也跟著掉了，從而保持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。如果我出力不減少的話，這邊的負(fù)荷脫了之后，整個(gè)系統(tǒng)頻率會(huì)快速的往上升。
所以結(jié)果就是如果不采用儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電機(jī)的話，最高頻率右邊可以升到52.7赫茲，而采用了虛擬同步發(fā)電機(jī)，最高點(diǎn)大概到51.4赫茲左右，也就是小于51.5赫茲，基本上兩個(gè)圖相比的話可以比較好的穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的變化。
下圖是對(duì)新能源如果并網(wǎng)故障產(chǎn)生的無功補(bǔ)償?shù)耐顺?，?duì)電壓的無功補(bǔ)償沒有了。如果不采用儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的話，整個(gè)無功輸出是保持不變的，而采用了儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的話，懼色的線就會(huì)看到，快速的無功輸出的響應(yīng)，后面長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持無功輸出的穩(wěn)定支撐。所以在右邊這張圖上就會(huì)看到，同樣藍(lán)線和橘線，如果不采用儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的話，藍(lán)線電壓會(huì)陡降到0.83個(gè)pu穩(wěn)態(tài)會(huì)降到0.94個(gè)pu。如果采用了儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)之后，降可以最多降到0.9個(gè)pu，穩(wěn)態(tài)的話可以穩(wěn)到0.96個(gè)pu，可能比較好的支撐電壓跌落。
除了常規(guī)的大電網(wǎng)，針對(duì)小電網(wǎng)、微電網(wǎng)，或者區(qū)域性電網(wǎng)，我們的虛擬同步發(fā)電機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，這邊我們也對(duì)黑啟動(dòng)進(jìn)行了仿真，大概300毫秒的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)電網(wǎng)可以從0直接啟動(dòng)到系統(tǒng)的設(shè)定電壓，右邊頻率也可以從0直接啟動(dòng)到50赫茲。比較完好的在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)把小孤網(wǎng)帶起來。
最后一部分是應(yīng)用示范。從我們的分析來看，這種儲(chǔ)能虛擬同步技術(shù)，主要可以用于新能源的并網(wǎng)消化，對(duì)新能源的接入進(jìn)行一個(gè)平滑的輸入輸出響應(yīng)，以及系統(tǒng)的一次調(diào)頻，同時(shí)對(duì)區(qū)域性的負(fù)荷，我們同樣可以兼顧儲(chǔ)能變流器的削峰填谷的功能，對(duì)于大型的電站，如果需要備用溶，我們的虛擬儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)也可以進(jìn)行調(diào)頻的備用，因?yàn)槲覀兊拈_機(jī)速度只需要300毫秒就可以把一個(gè)機(jī)組帶起來，這也是依賴于在座各位專家研究出來的高性能電池來實(shí)現(xiàn)這種快速的響應(yīng)特性。
在2016年，國家電網(wǎng)公司在張北風(fēng)光儲(chǔ)示范基地也開展了虛擬同步機(jī)大范圍的示范工程，有12兆瓦的光伏變流器，也配備了10%容量的電池進(jìn)行分布式的虛擬同步機(jī)改造對(duì)于435兆瓦的風(fēng)機(jī)，這個(gè)主要是利用它自己葉片的特性進(jìn)行虛擬同步機(jī)控制器的技術(shù)改造，同時(shí)由單列了兩臺(tái)每臺(tái)5兆瓦的儲(chǔ)能電站式的虛擬同步機(jī)并在電網(wǎng)上，進(jìn)行整場(chǎng)式的虛擬同步機(jī)改造。
上個(gè)月我到英國去也和英國的Energy Circle進(jìn)行洽談，他們目前也是把儲(chǔ)能用在天然氣發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰項(xiàng)目上，他們?cè)趪庥斜容^好的調(diào)頻的政策補(bǔ)助，所以電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商更愿意做這些事情。也在積極的和其他的網(wǎng)廠公司進(jìn)行積極的虛擬同步機(jī)的示范應(yīng)用。
從目前來看，整個(gè)新能源發(fā)電電網(wǎng)中，比例是不斷上升的，而且有減小煤炭發(fā)電和取代常規(guī)能源發(fā)電的特性，這個(gè)是毋庸置疑的，我們認(rèn)為儲(chǔ)能技術(shù)和虛擬同步及技術(shù)是目前解決新能源消化，平滑功率以及友好并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，國網(wǎng)公司也把虛擬同步機(jī)技術(shù)列為當(dāng)下十大重點(diǎn)科技創(chuàng)新技術(shù)，組織技術(shù)攻關(guān)，從而推出一些比較好的解決新能源并網(wǎng)的產(chǎn)品。
借助本次儲(chǔ)能大會(huì)的契機(jī)，我們希望跟各位專家，各位科研院所合作，為新能源的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。
謝謝大家。
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
發(fā)言人簡(jiǎn)介：
侯凱，南瑞集團(tuán)公司裝置研發(fā)中心經(jīng)理，作為聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生在英國劍橋大學(xué)公派留學(xué)一年，師從皇家工程院W. I. Milne 院士。近年來主要從事電力電子專業(yè)的研究工作，任全國電力電子學(xué)標(biāo)委會(huì)輸配電系統(tǒng)分委員(SAC/TC60/SC2)委員，主持和參與了多項(xiàng)國家、省和國家電網(wǎng)公司級(jí)科技項(xiàng)目，在IGBT 串聯(lián)控制、電動(dòng)汽車充電模塊、可調(diào)電抗器、新能源虛擬同步技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究。近來年發(fā)表論文20 余篇，其中SCI 索引11 篇，EI 索引5 篇，ISTP 索引3 篇。申請(qǐng)發(fā)明專利10 項(xiàng)，其中國外專利1 項(xiàng)。
