中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會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余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，南瑞集團公司裝置研發(fā)中心經(jīng)理侯凱先生在“儲能電站暨微電網(wǎng)專場”，以《MW級儲能虛擬同步機的關(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：我們的題目是把儲能的變流器模擬成電力系統(tǒng)中常用的發(fā)電機接口性質(zhì)的裝置，這樣使儲能的變流器既具有電網(wǎng)的調(diào)峰性能，同時也具有調(diào)頻性能，使新能源更好用，更容易接入電網(wǎng)。
報告主要分為四塊，第一，技術(shù)背景。南瑞集團是國家電網(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荷相對來說不是特別平衡，新能源負荷大多集中在西北部地區(qū)，從負荷主要集中在東部、中部、南部地區(qū)，所以中國有遠距離的新能源的直流輸電、交流書店，同時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，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)在認為隨著大容量輸電，使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性不足，同時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，同時也有增加一些備用的旋轉(zhuǎn)容量，相當(dāng)于發(fā)電機組，同時根據(jù)我們的開發(fā)特點，提供優(yōu)化的調(diào)度，包括機群的控制策略，深度的挖掘現(xiàn)在有的新能源機組和常規(guī)機組的特點，提高它的調(diào)頻調(diào)峰性能。
這個報告是我們最新的一個科學(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，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，或者儲騰的PCS逆變器，利用特殊的算法加上一定容量的儲能電池，虛擬成常規(guī)的發(fā)電機組。右邊的圖就是我給出了一個從常規(guī)的發(fā)電機組，右邊把它模擬成了一個虛擬的發(fā)電機組，來做一個對比。簡單來看，通過我們用儲能電池和我們獨特的虛擬同步機的算法，可以實現(xiàn)同樣的電網(wǎng)的阻尼特性。而常規(guī)機組的阻尼特性是機械的，它的機械參數(shù)設(shè)定好之后就是一個恒定值，而通過儲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。同時電網(wǎng)調(diào)頻，兩種常規(guī)的機組和我們的虛擬同步機組都可以調(diào)頻，可以參與一次調(diào)頻，甚至通過電池容量的提升，可以進行長時間的小時級的二次調(diào)頻。微電網(wǎng)調(diào)壓，常規(guī)機組可以支撐系統(tǒng)的電壓，靠自主的被動支撐系統(tǒng)電壓。而我們的虛擬機組可以自動的追蹤電網(wǎng)的電壓變化，來自動的調(diào)節(jié)。
第二部分介紹我們科研裝置的特性。這邊給了一個簡單的示意圖，左下角畫的是一個光伏的陣列，中間放的是風(fēng)機的機組，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)，同時風(fēng)機我們也做一個直交流變換，也通過升壓變壓器接入電網(wǎng)，這是常規(guī)的做法。
而這個項目中最新的做法是我們加入一定的儲能，然后把儲能通過一個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儲能的DC/AC變流器中執(zhí)行進去的。
我們的控制算法是由儲能單位結(jié)合電子逆變器的虛擬同步機控制策略，模擬常規(guī)的發(fā)電機組的一次調(diào)頻還有勵磁控制的特點，主動適應(yīng)電網(wǎng)的頻率，電壓的變化，既追蹤，又能夠響應(yīng)。這樣就可以實現(xiàn)風(fēng)機和光伏的友好接入電網(wǎng)。
右圖是我們一個比較典型的靠虛擬同步發(fā)電機接入電網(wǎng)的一個配置圖，可以看到這個虛擬同步發(fā)電機在中間這邊直流側(cè)接入儲能電池單元，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)點就會檢測到這點變化，從而虛擬同步機自主的調(diào)動儲能的能量，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，所以總的來說特點就是快速主動的參與電網(wǎng)的有功調(diào)頻和無功調(diào)壓，同時像常規(guī)機組一樣提供一個虛擬的，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性。
各位專家比較熟悉的儲能機組常規(guī)的削峰填谷的特點在這里面都是可以實現(xiàn)的。
這種虛擬同步機我們開發(fā)了三種產(chǎn)品，一種是光伏虛擬同步機，就是在常規(guī)的光伏的逆變器上，并入一定能量的儲能單元，相當(dāng)于是分布式的做成虛擬同步機特性的光伏逆變器，同時還有風(fēng)機虛擬同步機，我們現(xiàn)在做的是不并儲能單元，主要靠風(fēng)機葉片本身所具有的旋轉(zhuǎn)備用容量，把類似于風(fēng)能儲能挖掘出來，靠我們的控制算法來實現(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能式的虛擬同步機，我們又叫電站式或者叫整場式，一定容量的光伏也好，風(fēng)機也好，比如說幾十個兆瓦的光伏陣列或者風(fēng)機陣列，我們可以裝一臺10兆瓦或者5兆瓦的虛擬同步機往上一并，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，比較容易實現(xiàn)。因為有了儲能單元，可以保證每臺風(fēng)機或者每臺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)濟效益實現(xiàn)最好。
這邊對儲能裝置，儲能變流器在國網(wǎng)公司提出的智能電網(wǎng)中的特性進行了總結(jié)，我們認為儲能裝置可以實現(xiàn)需求側(cè)管理，對負荷可以進行平滑，消除峰谷差，降低我們的供電成本。同時依靠虛擬同步機特性可以跟蹤電網(wǎng)的頻率或者電壓的變化，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓。同時也可以實現(xiàn)對于負荷波動的補充和平滑，這都是儲能應(yīng)用于電網(wǎng)的特點，所以我們的虛擬同步特性主要基于第四點，針對電網(wǎng)的快速頻率變化去補償它。
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從科研上來看，或者從產(chǎn)業(yè)上來看，給了一個路線圖，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，對虛擬同步機特性進行了一些比較深度的研究，也發(fā)表了相應(yīng)的工作組報告，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，也提出了一些實踐的方案，但是主要停留在學(xué)術(shù)上面，南瑞集團在2016年，是世界上首次把這個方案進行產(chǎn)業(yè)化的，而且提出了自己的虛擬同步機方案，也進行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
這一部分匯報一下我們自己提出的一些關(guān)鍵技術(shù)，對虛擬同步機的特性，我們在研發(fā)的過程中主要實現(xiàn)了一些對魯棒性和間歇性的控制技術(shù)，同時對建模包括融合的過程中實現(xiàn)常規(guī)控制策略，和虛擬同步機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)場景的不同，來自主無縫的切換。對有歸無功可以自主的均分，對于虛擬阻抗都可以自主的設(shè)定。
在使用過程中，用戶可以實現(xiàn)電網(wǎng)的電壓頻率的自動調(diào)整，有功無功可以自己均衡，并行運行自整步。
這張圖是我們最新研究的一個5兆瓦的單機的虛擬同步機，本身它也是一臺5兆瓦的雙向的儲能變流器，整個裝置并不大，集成度非常高，這個裝置總體上寬是三米四，前后深是一米二，高度是一個標(biāo)準(zhǔn)的兩米二的機柜。在不到五平方的占地下，就實現(xiàn)了一個儲能變流器，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。第三個柜子是直流的和儲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。從裝置的測試來看，整個運行效率可以達到98.5%，是國內(nèi)目前最大的儲能變流器產(chǎn)品。使用過程中用戶也可以自主選擇進行削峰填谷的應(yīng)用，同時也可以作為虛擬同步機自動的設(shè)定好，然后放那邊不用管了，可以自動跟蹤頻率電壓變化，一旦有變化就反向的補償它，從而使電壓的頻率保持穩(wěn)定。
在研發(fā)過程中，我們對整個的從系統(tǒng)級的，包括源程序級的都進行了仿真和系統(tǒng)化的設(shè)計，同時也對單機包括虛擬同步機接入電網(wǎng)之后，對電網(wǎng)的影響分析，都做了比較詳細的仿真驗證，后面有我們的一些運行結(jié)果。
左邊這個圖是我們的虛擬同步機，前面是開機部分，中間是接收電網(wǎng)的頻率調(diào)度，實現(xiàn)了功率響應(yīng)的過程。在這個圖中我們還人為的加入了一些電池的變化差異，雖然單臺是5兆瓦的，實際上接入4路電池，每個電池是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，可以在虛擬同步機之后，自動的把電壓進行均衡，從而實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的儲能的工作。
右邊這張圖就是虛擬同步機對電網(wǎng)頻率電壓的響應(yīng)特性。上面一部分是電網(wǎng)頻率，我們做的一個系統(tǒng)接入仿真，一旦頻率增加0.2赫茲之后，虛擬同步機會自動的吸收這個頻率的變化，吸收有功，這邊叫慣性調(diào)頻，可以有一個快速的調(diào)頻響應(yīng)，如果我們需要它進行長時間的調(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，再長時間緩慢的對頻率變化進行吸收，從而保持頻率的穩(wěn)定。
下面兩個圖是針對電網(wǎng)頻率如果有跌落的話，我們可以出現(xiàn)一個正電峰，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)的實際做的一個在線仿真，把虛擬同步機接入電網(wǎng)之后，模擬電網(wǎng)故障，當(dāng)電網(wǎng)有一個線路故障，有30%的用戶或者負荷脫網(wǎng)了，這個時候如果沒有采用虛擬同步機控制策略的話，左邊這條藍線，新能源發(fā)電機也好，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，在旁邊并上了我們的虛擬同步發(fā)電機，相當(dāng)于儲能變流器，采用我們的虛擬同步控制策略之后，它就會快速的實現(xiàn)有功的降低輸出，從而基本降到0，這樣的話既然負荷掉了，我的發(fā)電機出力也跟著掉了，從而保持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。如果我出力不減少的話，這邊的負荷脫了之后，整個系統(tǒng)頻率會快速的往上升。
所以結(jié)果就是如果不采用儲能虛擬同步發(fā)電機的話，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，最高點大概到51.4赫茲左右，也就是小于51.5赫茲，基本上兩個圖相比的話可以比較好的穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的變化。
下圖是對新能源如果并網(wǎng)故障產(chǎn)生的無功補償?shù)耐顺?，對電壓的無功補償沒有了。如果不采用儲能虛擬同步機的話，整個無功輸出是保持不變的，而采用了儲能虛擬同步機的話，懼色的線就會看到，快速的無功輸出的響應(yīng)，后面長時間內(nèi)保持無功輸出的穩(wěn)定支撐。所以在右邊這張圖上就會看到，同樣藍線和橘線，如果不采用儲能虛擬同步機的話，藍線電壓會陡降到0.83個pu穩(wěn)態(tài)會降到0.94個pu。如果采用了儲能虛擬同步機之后，降可以最多降到0.9個pu，穩(wěn)態(tài)的話可以穩(wěn)到0.96個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)電機也可以實現(xiàn)黑啟動，這邊我們也對黑啟動進行了仿真，大概300毫秒的時間內(nèi)，整個電網(wǎng)可以從0直接啟動到系統(tǒng)的設(shè)定電壓，右邊頻率也可以從0直接啟動到50赫茲。比較完好的在很短的時間內(nèi)實現(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，這種儲能虛擬同步技術(shù)，主要可以用于新能源的并網(wǎng)消化，對新能源的接入進行一個平滑的輸入輸出響應(yīng)，以及系統(tǒng)的一次調(diào)頻，同時對區(qū)域性的負荷，我們同樣可以兼顧儲能變流器的削峰填谷的功能，對于大型的電站，如果需要備用溶，我們的虛擬儲能發(fā)電機也可以進行調(diào)頻的備用，因為我們的開機速度只需要300毫秒就可以把一個機組帶起來，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)光儲示范基地也開展了虛擬同步機大范圍的示范工程，有12兆瓦的光伏變流器，也配備了10%容量的電池進行分布式的虛擬同步機改造對于435兆瓦的風(fēng)機，這個主要是利用它自己葉片的特性進行虛擬同步機控制器的技術(shù)改造，同時由單列了兩臺每臺5兆瓦的儲能電站式的虛擬同步機并在電網(wǎng)上，進行整場式的虛擬同步機改造。
上個月我到英國去也和英國的Energy Circle進行洽談，他們目前也是把儲能用在天然氣發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰項目上，他們在國外有比較好的調(diào)頻的政策補助，所以電力系統(tǒng)的運營商更愿意做這些事情。也在積極的和其他的網(wǎng)廠公司進行積極的虛擬同步機的示范應(yīng)用。
從目前來看，整個新能源發(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，這個是毋庸置疑的，我們認為儲能技術(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技術(shù)列為當(dāng)下十大重點科技創(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。
借助本次儲能大會的契機，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。
謝謝大家。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
發(fā)言人簡介：
侯凱，南瑞集團公司裝置研發(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)委會輸配電系統(tǒng)分委員(SAC/TC60/SC2)委員，主持和參與了多項國家、省和國家電網(wǎng)公司級科技項目，在IGBT 串聯(lián)控制、電動汽車充電模塊、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。申請發(fā)明專利10 項，其中國外專利1 項。
