风电并网从“跟随式”到“形成式”
我国是新能源装机最多、发展最快的国家，如何构建以新能源发电为主力电源的新型电力系统已成为能源领域面临的重大科学与工程问题。
“2019年全国风电新增并网装机2574万千瓦，累计装机2.1亿千瓦。风电已成为多个省网区域内的第二大电源，正经历由补充性能源向替代性能源的角色转变。”中国电科院新能源中心副主任秦世耀在接受记者采访时表示，随着风电穿透率不断提高以及特高压输电项目的逐步投运，电力系统的网源结构与运行方式正发生着深刻变化，高比例风电接入电力系统增大了系统调压、调频压力，风电大规模集中接入地区电网运行风险加大，安全裕度降低，提升大规模风电的“电网友好型”控制水平已迫在眉睫。
为满足大规模风电接入后电网的安全稳定运行需求，围绕高渗透率风电电力系统高度电力电子化伴生的系统频率和电压稳定等的核心问题，中国电科院依托国家重点研发计划项目“大容量风电机组电网友好型控制技术”，联合整机制造企业运达风电、风电变流器制造企业阳光电源、合肥工业大学等形成产学研联合攻关团队，开发了电压源型风电机组，摆脱了传统电流源型风电机组“跟随式”的控制思维束缚，开拓了电压源型风电机组“形成式”的新格局。
为百分之百新能源电力系统提供支撑
“电压源型风电机组的成功研发，突破了传统控制模式下电网的风电极限装机容量限制，拓展了风电的市场容量和应用前景，为实现百分之百新能源电力系统提供了重要的装备与技术支撑，对构建我国清洁低碳、安全高效的现代能源体系意义重大。”秦世耀强调。
“不同于跟随式并网控制，电压源型风电机组通过模拟同步发电机组转子运动方程，直接控制其输出电压幅值和相位，具有自同步电网特性，属于‘形成式’并网控制。”秦世耀介绍，其能够主动支撑电网频率/电压稳定，并对系统提供惯量/阻尼支撑，对外呈现电压源控制特性，特别适用于新能源占比较高的弱电网环境，甚至是独立组网运行。
此外，据中国电科院新能源中心相关负责人解释，一直以来，风电等新能源发电通过快速控制的电力电子变流装置并网，属于电网“跟随式”控制，其不主动响应系统频率/电压变化，缺乏主动支撑能力，仅适用于以同步机为主导的电网环境。随着风电的进一步发展，系统的常规同步发电机组被风电机组大量替代，高比例风电系统稳定水平持续下降，在大功率缺失或系统故障情况下，极易引发系统解列与崩溃事故。而在以新能源发电为主导电源的新型电力系统中，风电若要取代常规同步发电机组的主导地位，就将必须承担起建立系统电压和维持系统实时能量平衡的义务。
使风电具备组网和调节电网能力
“电压源型控制改变了原有的风电机组控制逻辑，需要从变流、主控电控系统以及机械载荷优化等角度开展全面攻关。”秦世耀告诉记者，在电压源型风电机组的研发过程中，项目团队攻克了多个技术难关。
针对如何化解电压源型风电机组输出有功功率的稳态和动态特性的调节矛盾，秦世耀表示，项目团队召开了多次技术研讨，部署了从“机理研究—数字仿真—半实物试验”研究路线，最终通过优化控制环节，加快功率响应，补偿系统阻尼，增加动态调节自由度，实现了风电机组有功输出动态和稳态特性的解耦。又比如，电流源和电压源无缝切换问题，频率大扰动下的功率超限问题等，项目团队都逐一突破，并积累了丰富经验。
“此次研发的电压源型风电机组顺利并网，标志着世界首台电压源型风电机组横空出世，我国具有完全自主知识产权的风电装备已引领世界科技前沿。”秦世耀坦言，电压源型风电机组是面向高比例风电电力系统设计的主力装备，具有自主支撑电网频率、电压的天然优势，在未来以新能源为主力电源的电力系统中将承担组网及调节任务，此外，在微电网领域也有广阔的应用前景。
