2024年主力电源型风电场光伏电站关键技术与应用报告

主力电源型风光电场关键技术与应用

背景与技术形成过程

• 背景：在“双碳”目标推动下，我国新能源装机占比快速增长。截至2024年6月，新能源装机占比已达38.4%，预计2030年将达到49.1%，成为主要电源。
• 技术形成过程：
  • 2015-2019年：国自然面上项目、中达科教基金支持，提出风电机组的频率映射同步概念，完成自同步电压源稳态控制理论。
  • 2019-2022年：国自然重点项目、周孝信院士专项支持，完成自同步电压源多机并运小扰动稳定控制理论。
  • 2020-2022年：国网总部项目支持，完成自同步电压源机组暂态控制、单机实证。
  • 2022-2023年：中国绿发重大科技项目支持，完成主力电源型风/光变流器装备研发。
  • 2023年至今：国家能源局首台套项目支持，完成风光场站在线阻尼与控制系统研发。

主力电源型风光电场概念与关键指标

• 概念：以新能源场站整体为对象，具备自同步电压源特征和黑启动、孤网运行能力，使新能源场站具备承担主体电源责任的能力。
• 关键指标：
  • 不超过3倍额定电流的暂态电流输出能力，持续时间不少于625ms。
  • 自主响应暂态电压，上升时间小于20ms。
  • 惯量响应：惯性时间常数不小于8s。
  • 一次调频：能力不小于±10%风光场站额定功率（持续时间不小于5min），上调响应调节时间小于40ms，下调响应调节时间小于200ms。

主力电源型风电场结构和技术构成

• 自同步电压源风电机组：包括10%风场容量的35KV高压直挂储能静止同步机（功率型储能）。
• 控制系统：包括阻尼协同振荡预防、AGC、AVC等功能。

主力电源型光伏电站结构和技术构成

• 自同步电压源光伏发电单元：包括10%风场容量的35KV高压直挂储能静止同步机（功率型储能）。
• 控制系统：包括光纤环网、AGC、AVC等功能。

关键技术

1. 频率映射自同步电压源控制技术

   • 显式映射：直流电压等于电网频率的控制律。
   • 隐式映射：避免直流电压稳定控制困难。

2. 自同步电压源控制下的轴系扭振抑制技术

   • 转速“转矩控制”导致轴系扭振和机组振动，通过惯性同步控制减轻影响。

3. 并网变换器无超配暂态电流耐受增强技术

   • 功率器件结温精准估计技术。
   • 暂态电流耐受能力尽限利用技术，提升暂态电流至3倍额定值以上，持续625ms。

4. 干台级电压源集群稳定控制技术

   • 在线阻尼协同控制：基于实时数据刷新场站模型，实现稳定裕度评估和阻尼协同控制。
   • 暂态同步稳定控制：实时动态调整出力、阻尼功角运动速度，确保多机暂态同步稳定。

5. 35kV高压直挂构网型储能技术

   • 电池簇分散接入，提升安全性、可靠性，减少对电池管理系统的依赖。

应用实例

• 2021年：北京金风科技园区一台2.3MW永磁直驱风电机组进行自同步电压源控制改造，成功投入运行。
• 2022年：甘肃安北第二风电场的两台2MW风电机组进行自同步电压源构网控制改造，进行长期测试。
• 2023年：世界首例主力电源型风电场（甘肃干河口南北风电场）和光伏电站（新疆尼勒克）投入运行，通过多项测试验证其性能。

控制系统

• 阻尼协同稳定控制系统：在线评估稳定裕度，动态调整阻尼参数，确保系统稳定。
• 电压源设备集群暂态稳定控制技术：在孤网和并网运行条件下，确保系统稳定性和安全性。

这些关键技术的应用显著