上聲支通大李風(fēng)力發(fā)電研究中心主力電源型新能源發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用上海交通大學(xué)特聘教授蔡旭2025年7月23日主要內(nèi)容口背景口構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的幾點思考口主力電源型新能源理論問題與關(guān)鍵技術(shù)口關(guān)鍵技術(shù)實證、測試與商業(yè)應(yīng)用□一些建議與討論國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心上海交乏大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心mciuenaosucvTWnDamciuenaosucvTWnDa口問題1:電網(wǎng)的電壓強度變?nèi)酢⑾到y(tǒng)慣性降低，新能源“限發(fā)電”問題突出；口問題2:電力電子裝備高滲透，電網(wǎng)電壓弱引發(fā)電力電子互聯(lián)系統(tǒng)寬頻振蕩問題凸顯；口問題3:送端電網(wǎng)暫態(tài)電流支撐能力不足，新能源直流外送通道利用率低；口問題3:涌現(xiàn)出各種電網(wǎng)支撐性裝備待驗證，傳統(tǒng)支撐性裝備經(jīng)濟性、便利性差。單相接地故障，引發(fā)風(fēng)電場、光伏發(fā)電系統(tǒng)相應(yīng)切機，暫態(tài)頻率快速降低引米東3GW光伏電站，發(fā)電功率超60%,引發(fā)了75HZaNNNNN低近年來甘肅、青海、陜西A,耗電5%EATEENiuwoeronwwoownoisoiourEnCk口電網(wǎng)的穩(wěn)定運行需求包括穩(wěn)態(tài)靈活性和暫態(tài)安全性兩個方面。靈活性是指電源出力和負荷波動時，保證發(fā)電-用電平衡的能力，對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的功率平衡。而安全性是指系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的能力，對應(yīng)于暫態(tài)過程的功率平衡?？诋斍靶履茉慈鄙匐娋W(wǎng)支撐能力，其快速發(fā)展給電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來重大隱患，已成為制約新能源發(fā)展的“卡脖子”問題。國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心中國綠發(fā)CGDG主要內(nèi)容口背景□構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的幾點思考口主力電源型新能源理論問題與關(guān)鍵技術(shù)口關(guān)鍵技術(shù)實證、測試與商業(yè)應(yīng)用□一些建議與討論國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心紅口電力系統(tǒng)從同步機主導(dǎo)向新能源主導(dǎo)過渡，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是一個漸變的過程；of自主建立電壓、自主頻率響應(yīng)、自主電壓響應(yīng)!傳統(tǒng)同步機電源十電壓源負載建立電壓、釋放慣量、頻率響應(yīng)維持有功功率提供短路電流、吸收暫態(tài)電流，支撐電壓3.0MW風(fēng)力發(fā)電機組慣量計算表不同轉(zhuǎn)速時間常數(shù)慣量J功率P葉輪轉(zhuǎn)速w額定轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速最低轉(zhuǎn)速光伏板超配成為普遍事實；35kV高壓直掛儲能技術(shù)已經(jīng)成熟；電力電子裝備具備提供無功的能力。思考3—以主力電源型新能源為主體構(gòu)建新型電力系統(tǒng)●主力電源型新能源支撐電網(wǎng)暫態(tài)；●主力電源型新能源支撐電網(wǎng)暫態(tài)；●暫態(tài)支撐裝置發(fā)揮輔助作用；●電力市場、需求響應(yīng)重塑負荷特性；●電池儲能承擔短時調(diào)峰；●抽水蓄能、常規(guī)電源和長時儲能調(diào)峰；應(yīng)對功率暫態(tài)平衡，解決“電網(wǎng)安全問題”應(yīng)對穩(wěn)態(tài)功率平衡，解決“調(diào)峰問題”構(gòu)建以新能源為主體，常規(guī)電源、少量支撐裝備和各類儲能輔助的新型電力系統(tǒng)。國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心上海交返大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心上海交返大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心裝機占比主力電源主力電源輔助電源+儲能+電力市場→發(fā)展階段(跟網(wǎng)型_-初級階段)(跟網(wǎng)型_-初級階段)(支撐裝備_過渡階段)-(主力電源型_-成熟階段))新型電力系統(tǒng)的未來取決于當前的選擇現(xiàn)在將來過去現(xiàn)在將來中國綠發(fā)CGDG中國綠發(fā)CGDG主要內(nèi)容口背景口構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的幾點思考口主力電源型新能源理論問題與關(guān)鍵技術(shù)口關(guān)鍵技術(shù)實證、測試與商業(yè)應(yīng)用□一些建議與討論國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心定義：以新能源場站整體為對象，暫態(tài)特性(含一次調(diào)頻)總體達到或超越同步發(fā)電機電氣特性；構(gòu)成：自同步電壓源機組、10%的35kV短時儲能(一次調(diào)頻上調(diào)能力)、場站監(jiān)測與穩(wěn)定控制系統(tǒng)。國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心AnEuwomowEVDRSwovaios承擔主體責任的主力電源型新能源發(fā)電——直流并網(wǎng)定義：以新能源場站直流系統(tǒng)整體為對象，暫態(tài)特性(含一次調(diào)頻)達到或超越同步發(fā)電機電氣特性；構(gòu)成：自同步電壓源型受端換流器、10%的儲能、送端換流器頻率鏡像、自同步電壓源發(fā)電單元。儲能感知電網(wǎng)頻率波動儲能4t4交流電網(wǎng)受端換流器交流電網(wǎng)受端換流器一次調(diào)頻提取并映射電網(wǎng)提取并映射電網(wǎng)感知電網(wǎng)頻率波動Ett1工35tt1工3526慣量響應(yīng)ATEIuvornowWRwumoovaucirDCkq四種主流發(fā)電單元實現(xiàn)自同步電壓源的挑戰(zhàn)并網(wǎng)變換器并網(wǎng)變換器I=I=機側(cè)網(wǎng)側(cè)雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)變換器集中式光伏發(fā)電單元二轉(zhuǎn)子側(cè)網(wǎng)側(cè)國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心ETEEIIvopruonwvPyuoono基礎(chǔ)理論問題——風(fēng)/光/儲裝備暫態(tài)能量自洽與構(gòu)建電網(wǎng)的基本理論口硅基電力電子裝備暫態(tài)能量緩沖能力僅為鐵基同步機的“千分之一”,暫態(tài)能量自洽難!1)發(fā)展暫態(tài)過程的PACK變換理論，實現(xiàn)有功-無功精準控制；2)發(fā)展風(fēng)電、光伏和儲能裝備無切換自同步控制理論，統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)控制模型；3)發(fā)展風(fēng)電、光伏和儲能裝備自同步電壓源標準模型，實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定運行；4)精準刻畫主力電源新能源的暫態(tài)特性需求邊電力電子變換器及其集群交互原動力交互控制電路國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心nEIuvornwVDRonoovauoifADCNAo,iau關(guān)鍵技術(shù)的突破與形成需要長時間的迭代與堅持!1、2011年提出高壓直掛儲能技術(shù)路線，10余年迭代實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；2、2016年~19年，中達科教基金重大項目支持，完成自同步電壓源穩(wěn)態(tài)控制；3、2020年~22年，國自然重點和周孝信院士專項支持，完成多機并運穩(wěn)定控制；3、2020年~22年，國網(wǎng)總部項目支持，完成自同步電壓源暫態(tài)控制和多機示范；4、2022年~23年，中國綠發(fā)重大項目支持，完成主力電源型風(fēng)/光變流器裝備研發(fā)；5、2023年~24年，國家能源局首臺套項目推動世界首例主力電源風(fēng)電場商業(yè)運行；6、2023年~至今，國家重點研發(fā)計劃項目推動世界首例主力電源光伏電站建設(shè)。電池單元電池單元高壓電網(wǎng)大電池堆1、無變壓器縮短電氣距離，提升電網(wǎng)支撐能力和效率；2、對電池堆管控到簇，提升安全性；3、大幅降低電池一致性要求，提升單機容量；4、變換器均衡電池簇的荷電狀態(tài)，大幅簡化對BMS的要求。國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心功率/容量從0.5MW/1MWh到50MW/100MWh、電壓從690V到35kV的跨越。gg國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心EAnEENIwowVnwmonaiocirDCNmcLAMGHu響應(yīng)，慣性時間常數(shù)2~25s可調(diào)，無超配過載能力提升3倍，電氣距離縮短5倍；各項技術(shù)指標世界領(lǐng)先。6434本項目2221002100AnEEMMworrowEVronoiaiosEDmsa本項目本項目本項目傳統(tǒng)鋰離子電池失效(熱失控)時間線20個周期上海文乏大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心口在線觀測IGBT結(jié)溫，調(diào)整開關(guān)頻率、適配直流電壓，精準控制驅(qū)動電壓，控制輸出電流逼近結(jié)溫邊界電流。無需擴容，提升暫態(tài)電流至3倍額定值以上，持續(xù)625ms。盡限利用控制/625ms625ms結(jié)溫邊界電流驅(qū)動電壓精準提升選型邊界電流調(diào)制策略優(yōu)化調(diào)制策略優(yōu)化最大應(yīng)力邊界關(guān)鍵技術(shù)3.1—風(fēng)電機組自同步電壓源構(gòu)建技術(shù)■提出直流電壓實時映射電網(wǎng)頻率的自同步電壓源控制原理(慣性同步),多控制模式融合，攻克雙PmmPMSG)isQPpabcQ電網(wǎng)②電流源型↓Uarnef↓Uarnef頻率映射型自同步電壓源控制Qg雙模并行雙模并行口雙模并行-競爭主導(dǎo)的電壓源控制技術(shù)：直流側(cè)無儲能、無卸荷電路、電容小、直流電壓穩(wěn)定控制難，并網(wǎng)變換器工作狀態(tài)多變，光伏板無物理慣量，慣量響應(yīng)需要虛擬實現(xiàn)。dd11""專模態(tài)1雙模并行競爭主導(dǎo)模態(tài)2國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心ATEENIuworrnowVDRshuovatosrDCT■實時評估穩(wěn)定邊界，動態(tài)調(diào)整阻尼參數(shù)，保持充足的穩(wěn)定裕度，實現(xiàn)千臺數(shù)量級電壓源發(fā)電裝備穩(wěn)定運行；通過約束有功出力、阻尼運動速度、擴展穩(wěn)定邊界等手段實現(xiàn)暫態(tài)同步穩(wěn)定。諧振峰息撲息撲抗0通濾多機頻域建模G主導(dǎo)主導(dǎo)場站模型在線刷新阻尼協(xié)同參數(shù)分配場站模型在線刷新阻尼協(xié)同參數(shù)分配自同步電壓源組串式光伏逆變器產(chǎn)品特點可自主為電網(wǎng)提供慣量及參與電網(wǎng)一次調(diào)煩具備高低電壓故障穿越能力，提供3倍以上的暫態(tài)電流可穩(wěn)定運行于短路比小于1.1的極弱電網(wǎng)，8路MPPT,適應(yīng)復(fù)雜發(fā)電環(huán)境。整機UP66防護等級，環(huán)境適應(yīng)性強發(fā)電效率>99%,支持45℃運行不降額，減少發(fā)電量損失。自同步電壓源型集中式光伏逆變器產(chǎn)品特點可自主為電網(wǎng)提供慣量及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻.具備高低電壓故障穿越能力，提供3倍以上的暫態(tài)電流可穩(wěn)定運行于短路比小于1.1的極弱電網(wǎng).防護等級IP55.適應(yīng)高溫、高濕、高海拔等惡劣環(huán)境.發(fā)電效率>99%,支持45℃運行不降額，減少發(fā)電量損先產(chǎn)品2:自同步電壓源型風(fēng)電變流器自同步電壓源組串式光伏逆變器產(chǎn)品特點可自主為電網(wǎng)提供慣量及參與電網(wǎng)一次調(diào)頃具備高低電壓故障穿越能力，提供3倍以上的暫態(tài)電流可穩(wěn)定運行于短路比小于1.1的極弱電網(wǎng)，8路MPPT,適應(yīng)復(fù)雜發(fā)電環(huán)境。整機IP66防護等級，環(huán)境適應(yīng)性強發(fā)電效率>99%,支持45℃運行不降額，減少發(fā)電量損失，自同步電壓源型集中式光伏逆變器產(chǎn)品特點可自主為電網(wǎng)提供慣量及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻.具備高低電壓故障穿越能力，提供3倍以上的暫態(tài)電流可穩(wěn)定運行于短路比小于1.1的極弱電網(wǎng).防護等級IP55,適應(yīng)高溫、高濕、高海拔等惡劣環(huán)境.發(fā)電效率>99%,支持45℃運行不降額，減少發(fā)電量損失ATEuVo/mcowLDwnoowaleiraeko產(chǎn)品4:35kV高壓直掛靜止同步機(構(gòu)網(wǎng)型儲能)游的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。有效提升主力電源型光伏電站的整體阻尼，降低振赫風(fēng)險。實時評估光伏逆變器運行狀態(tài)，實現(xiàn)場站穩(wěn)定裕度量化分析。協(xié)調(diào)控制計算阻尼量，實現(xiàn)實時分配下發(fā).操作界面友好，操作簡單適用于電壓源集群控制，實現(xiàn)電壓、頻豐主動商節(jié)。具備黑啟動、孤網(wǎng)運行能力，可帶主變零起升壓，并對外供電。班Y班Y8-共8一p具備四象限運行能力，運行范圍廣.有功和無功的吞吐響應(yīng)速度在s級以內(nèi)，反應(yīng)速度快實現(xiàn)一次調(diào)頻的快速響應(yīng)，電網(wǎng)頻率有保障.電網(wǎng)故障時能提供1.2倍短路電流，有效支掉電網(wǎng)電壓，之中心中國綠發(fā)CGDG主要內(nèi)容口背景口構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的幾點思考口主力電源型新能源理論問題與關(guān)鍵技術(shù)□關(guān)鍵技術(shù)實證、測試與商業(yè)應(yīng)用□一些建議與討論國家能源海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心在國家電網(wǎng)有限公司西北分部、甘肅公司和新疆公司的指導(dǎo)下，分別由甘肅電科院和新疆電科院主持完成了世界首例主力電源型風(fēng)電場和光伏電站的全面測試，下面是主力電源型風(fēng)電場/光伏電站的測試結(jié)果?？?023年11月，世界首例主力電源型風(fēng)電場-甘肅干河口南北風(fēng)電場投入運行，截止24年8月通過了電網(wǎng)適應(yīng)性、慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、高低電壓穿越、黑啟動、孤網(wǎng)運行和三相短路等530項測試。單機慣量響應(yīng)實測波形口電網(wǎng)頻率變化率0.1~0.5Hz/s,機組慣量響應(yīng)功率0.02~0.12p.u.,等效慣性時間常數(shù)約12s有功功率W有功功率W電網(wǎng)頻率有功功率600工作點P<0.3P。網(wǎng)頻率網(wǎng)頻率Hz電網(wǎng)頻率有功功率時間/s工作點P>0.9Pn有功功率有功功率KW有功功率從Wu5nnwGsrnoewDwuovatosiFDC●配置10%的儲能容量/分鐘級持續(xù)時間，經(jīng)濟性解決風(fēng)電場的向上一次調(diào)頻問題。P?●火電機組的一次調(diào)頻能量來源于鍋爐和蒸●火電機組具備雙向一但無向上的二次調(diào)頻能力!有功有功有功有功時間時間頻率頻率頻率時間時間時間慣量響應(yīng)一次調(diào)頻二次調(diào)頻慣量響應(yīng)+一次調(diào)頻二次調(diào)頻●主力電源型風(fēng)電場比同步發(fā)電機組的暫態(tài)頻率響應(yīng)性能更優(yōu)，具有向下的二次調(diào)頻能力有功有功有功時間時間頻率頻率頻率時間時間時間慣量響應(yīng)一次調(diào)頻二次調(diào)頻慣量響應(yīng)+一次調(diào)頻二次調(diào)頻主力電源型風(fēng)電場—暫態(tài)電壓支撐能力不超配經(jīng)濟性輸出暫態(tài)電流——3In,持續(xù)實踐625ms電壓支撐能力——無延時響應(yīng)，等效短路比不小于5.0短路測試(材幺值)測試點電流率期間電壓時間(s)電流短路后是否第是是00是是等效短路比=5●用3倍的耐受能力達到5倍的支撐能力單機低、高電壓支撐實測波形和量化指標ww對稱電壓跌落，工作點P>90%林監(jiān)林監(jiān)對稱電壓跌落，工作點P<30%不對稱電壓跌落，工作點P>90%無功電流/pu電網(wǎng)電壓/p.u62244對稱電壓升高，工作點P<30%(4L0百最大0.5倍暫態(tài)電流第ue1對稱電壓升高，工作點P>90%o0電網(wǎng)電壓/puoj2無功電流/p.u.地tiu不對稱電壓升高，工作點P>90%●帶330kV主變和全場集電線路、箱變完成零起升壓“黑啟動”●儲能、15臺風(fēng)機(每臺限功率450kW)和4MWRLC負載構(gòu)成孤網(wǎng)運行，穩(wěn)態(tài)頻率為●投切阻性/感性負載，3MW、3Mvar、1MW/3Mvar、3MW/1Mvar,在負載不斷發(fā)生變化時，儲能和風(fēng)電機組自主調(diào)節(jié)有功帶330kV系統(tǒng)35kV近母線三相金屬性短路試驗帶330kV系統(tǒng)35kV近母線三相金屬性短路試驗短路測試(標幺值)測試點電流廓期間電壓時間(s)電流短路后是否第一次是是00是是是是是1號風(fēng)機是是小于15ms●一次調(diào)頻能力比同步機更快；●慣量響應(yīng)能力優(yōu)于同步機；●暫態(tài)電壓支撐能力與同步機相當。結(jié)論：具備與同步機相當及更優(yōu)的特性。一次調(diào)頻滯后時間響應(yīng)時間(0-10%)上升時間(0-90%)調(diào)節(jié)時間調(diào)頻功率(Po為工作點)持續(xù)時間二次調(diào)頻功能雙向單向調(diào)壓響應(yīng)時間電壓支撐上海中綠新能源科技有限公司口2025年4月，世界首例主力電源型光伏電站-新疆尼勒克250MW光伏電站完成自同步電壓源光伏慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、阻抗掃描、短路比適應(yīng)性等10大項、21小項、209個測試工況的全維度測試驗證，測試結(jié)果驗證了主力電源型光伏電站的技術(shù)可行性。主變壓器母3549356035493560個個□島錄點319322a②F③②-上海中緣新能源科技有限公司上海中緣新能源科技有限公司h線W用一光伏子陣穩(wěn)態(tài)電壓響應(yīng)波形口電網(wǎng)電壓幅值擾動0.02p.u.,光伏逆變器可自主調(diào)節(jié)無功出力減小電網(wǎng)電壓幅值波動0Mr電網(wǎng)電壓率率電網(wǎng)電無功功無功功率主調(diào)節(jié)有功和無功出力，保持穩(wěn)定運行rVrV壓有功功率無功功電網(wǎng)電壓率88483廣廣10102上海中綠新能源科技有限公司,電壓被支撐至0.35p.u.和1.2p.u.,無功電流上升時間小于20ms與eeg2g2無功功率/p.u.014無功功率/p.u.48連續(xù)三次連鎖故障，1122口多臺構(gòu)網(wǎng)型逆變器按照”功率0.1p.u.->功率0.25p.u.->功率0.5p.u->MPPT功率-停機”的步驟測試，反復(fù)投切125.6Ω/125.60Ω/33.7Ω的電抗模擬低短路比，運行期間逆變器均正常運行。出整站帶220kV系統(tǒng)黑啟動、孤網(wǎng)運行中國綠發(fā)CGDG●700臺自同步電壓源組串式光伏逆變器帶220kV主變和全場集電線路、箱變完成零起升壓“黑啟動”●700臺自同步電壓源光伏逆變器和4MWRLC負載構(gòu)成孤網(wǎng)運行，穩(wěn)態(tài)頻率為50.01Hz?！裢肚凶栊?感性負載，3MW、3Mvar、1MW/3Mvar、3MW/1Mvar,在負載不斷發(fā)生變化時，光伏逆變器自主調(diào)節(jié)有功/無功功率，保持孤網(wǎng)頻率/電壓穩(wěn)定。0emo加整站(含220KV主變)35kV三相人工短路試驗●700臺自同步電壓源