大力發(fā)展可再生能源是我國保障能源安全、應(yīng)對氣候變化的重要舉措，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是我國可再生能源利用的主要方式。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年我國風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到3.2億千瓦，其中2億千瓦位于“三北”地區(qū)。為解決“三北”地區(qū)可再生能源消納問題，已建、在建和規(guī)劃建設(shè)特高壓直流外送通道有8條，目前和將來一段時間，大基地、直流送出將是我國可再生能源開發(fā)利用的主導(dǎo)形式。

“可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制技術(shù)”項目示意圖

高比例電力電子裝備接入安全穩(wěn)定問題突出

與以同步發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)最大的特征在于高比例的電力電子裝備接入，主要包括風(fēng)光發(fā)電、動態(tài)無功補償、直流輸電等。以新疆哈密天中直流送端系統(tǒng)為例，風(fēng)光發(fā)電容量超過10GW，動態(tài)無功補償容量超過2GW，直流輸電容量8GW，而同步發(fā)電機(jī)容量僅為5GW，電力電子裝備容量遠(yuǎn)大于同步發(fā)電機(jī)容量。

在電力電子裝備控制特性的主導(dǎo)作用下，可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的動態(tài)特性與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)差異巨大，系統(tǒng)的穩(wěn)定分析和控制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前已開始凸顯的問題主要有兩個方面：正常工況下振蕩事故頻發(fā)，新疆哈密—鄭州直流送端電網(wǎng)已發(fā)生次/超同步振蕩100余次，曾導(dǎo)致3臺直流配套火電機(jī)組同時跳機(jī)；交、直流故障下連鎖脫網(wǎng)事故風(fēng)險加大，初步計算表明，甘肅酒泉—湖南直流送出功率將因此受到限制。

兩大科學(xué)難題和一項關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)國家重點研發(fā)計劃項目“可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制技術(shù)”負(fù)責(zé)人康勇教授介紹，本項目以解決目前系統(tǒng)存在的上述兩大問題為主線，攻克兩大科學(xué)難題和一項關(guān)鍵技術(shù)：

1.多樣化裝備動態(tài)相互作用及寬頻帶振蕩機(jī)理

可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)中，電力電子發(fā)電裝備數(shù)量巨大，控制復(fù)雜且存在多時間尺度耦合，基地間及其與直流輸電的動態(tài)相互作用加劇，導(dǎo)致寬頻帶振蕩機(jī)理不明，建模與分析面臨極大挑戰(zhàn)。

2.多機(jī)多時間尺度暫態(tài)過程耦合機(jī)理及系統(tǒng)暫態(tài)行為演化規(guī)律

復(fù)雜控制作用下，多樣化裝備間呈現(xiàn)多時間尺度的電壓功角耦合，可再生能源發(fā)電裝備動態(tài)特性與同步發(fā)電機(jī)迥異，交/直流故障時控制存在非線性切換現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)行為演化規(guī)律更為復(fù)雜，亟須探索新條件下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定機(jī)理。

3.寬頻帶振蕩抑制與暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

由于系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理不清、動態(tài)相互作用復(fù)雜，目前缺乏有效的寬頻帶振蕩抑制方法、弱同步電網(wǎng)下基地暫態(tài)穩(wěn)定控制困難，制約了可再生能源的跨區(qū)消納，亟待突破寬頻帶振蕩抑制與暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)。

項目牽頭單位中國電力科學(xué)研究院是我國電力行業(yè)最具實力的多學(xué)科、綜合性科研機(jī)構(gòu)。團(tuán)隊成員包括我國5個電氣工程一級學(xué)科國家重點學(xué)科所在高校，擁有包含6個國家重點實驗室在內(nèi)的16個國家級研發(fā)平臺。項目負(fù)責(zé)人康勇教授長期從事電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面的科研工作，現(xiàn)任強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室常務(wù)副主任。

項目將提出弱同步電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制理論與方法，形成包括論文、發(fā)明專利、國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等一系列自主知識產(chǎn)權(quán)；研制35kV/1MVA寬頻帶阻抗測量裝備，研發(fā)35kV/5MW級含風(fēng)/光發(fā)電、同步發(fā)電機(jī)和直流輸電的動態(tài)模擬平臺，驗證短路比小于2條件下控制方法的有效性；項目成果直接應(yīng)用于新疆、甘肅千萬千瓦可再生能源基地，解決寬頻帶振蕩和直流功率受限問題，并推廣應(yīng)用，提升我國大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)消納水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。