国家风光储输示范工程:新能源领域的“国家名片”
2020-01-13 16:53 访问量:1454次

编者按:京津冀是我国重要的能源消费地区之一,也是我国大气污染较为严重的区域。为改善区域空气质量,能源协同发展是京津冀协同发展的应有之义。2017年11月,三地联合印发了《京津冀能源协同发展行动计划(2017-2020年)》,明确推进可再生能源发展,大力发展风电、光电,推进风电基地建设;打造张家口可再生能源示范区,建设崇礼低碳奥运专区;规划建设能源高端应用示范区,鼓励多能互补、智能融合的能源利用新模式;促进可再生能源消纳,优先安排张家口可再生能源示范区等可再生能源和清洁能源上网,实现在京津冀区域一体化消纳。

国家风光储输示范工程:新能源领域的“国家名片”

来源:中国科技投资杂志社

本刊记者:赵林

张家口市不愧是全国风能富集区,驱车从张家口市区至张北县,一路上“风”光无限。在河北省张家口张北县大河乡,坐落着目前世界上规模最大的,集风电、光伏发电、储能及智能调度输电于一体的新能源友好并网综合示范项目——国家风光储输示范工程。从2011年12月25日这一伟大的工程投运以来,不断地吸引着社会各界的目光。

为攻克新能源消纳世界难题而生

长期以来,我国能源结构以化石能源为主,大规模开发利用化石能源,让我国面临着资源与环境的双重挑战,大力发展可再生能源已成为必然选择。

近年来,我国新能源快速发展,远远超出预期。2000年~2015年,全球风电、太阳能发电装机分别增长了23倍、175倍;我国风电、太阳能发电装机分别增长了280倍、1400倍,增长速度惊人。新能源发电规模的猛增带来了消纳难题,与传统能源完全不同,新能源具有随机性、波动性、间歇性等特点,大规模的新能源并网消纳,对于电力系统而言是个巨大挑战。有电力专家形容:“新能源就像一个不听话的孩子,时不时地会调皮捣蛋。”

2011年,我国发生几起风机脱网事故,暴露了当时很多风机不具备低电压穿越能力的问题,此外,可再生能源如何安全稳定入网也是国际难题,德国风电就曾发生过大规模的脱网事故,引起了整个欧洲电网的震荡,这些事故都暴露了大规模风电接入带来电网整体安全性等问题。

新能源发电的不稳定性直接导致了弃风弃光现象严重,西北一些新能源电站的弃风弃光率达到50%。尽管如此,新能源仍然在以滚雪球的速度发展着。为了消纳规模如此之大的新能源电力,虽然各方不断在消纳机制上摸索、创新,但一些一直困扰新能源消纳的技术难题还是没有得到很好的解决。比如风电单机容量不足、光伏面板的转化效率难以实现突破、大规模储能电池在经济性上仍然难以走向现实等。多年来,这些问题成为新能源发展的瓶颈。

为了解决这些难题,必须有一个国家级的应用和验证各类新能源技术的示范平台。在这种情况下,国家电网公司肩负起新能源大规模消纳并网的技术攻关重任,投入技术团队和巨资,建设了国家风光储输示范工程。

世界首创风光储输联合优化

国家风光储输示范工程在世界上首创了风光储联合发电控制运行方式和调度模式,通过风光储联合运行,研究和掌握风光储发电控制和储能系统集成技术,实现各种资源互补利用;通过应用智能电网技术,统筹风光储发电资源,实现了资源友好互动,为有效解决新能源大规模并网世界性技术难题找到了答案,在人类新能源开发利用史上具有划时代的里程碑意义。

在这个智能系统的控制下,国家风光储输示范工程可以进行“风、光、储、风+光、风+储、光+储、风+光+储”7种组态时序出力,实现了风储、光储和风光储联合等多种发电运行方式自动组态、智能优化和平滑切换,发电品质接近常规电源,不仅满足了平滑出力、跟踪计划、系统调频、削峰填谷等多样调度需求,更解决了新能源发电精细化运行与控制,为大规模新能源并网及调度提供了技术支撑。这一风光储输联合优化的技术路线属世界首创。

对此,在示范工程工作多年的国网冀北电力风光储公司副总工程师刘汉民博士解释说:“当风电、光伏发电出力足够时,可将多余的发电出力储存到电池中;一旦风光出力不够,储能系统就可以放出电量。而这一切,都是通过联合发电智能全景优化控制系统实现的。它是整个风光储电站的‘大脑’,可改善风电、光伏出力的波动性和间歇性,使之安全稳定地并入电网运行。”

依托示范工程,建立了风光储输联合发电技术标准体系,形成一批具有自主知识产权的重大科技成果,有效推动关键设备国产化进程。风光储输示范工程还引领着风电、光伏、储能电池行业的技术进步。在风电方面,示范工程突破常规风电场概念,采用统一监控平台,将不同厂家、不同技术路线的所有风电机组组合成一个有机整体。风机有功、无功功率已实现在线动态可调,有功调整速度、响应时间与常规水电机组相当。在全部具备低电压穿越能力的基础上,实现国内机型首次高电压穿越性能测试,时间及功率倍数均创国内最高纪录。

在光伏发电方面,示范工程在国内首次建立风光联合发电功率预测数值天气预报,实现多尺度全天候风光联合功率预测技术,并成功应用云成像技术和装置开展光伏功率预测,大范围捕捉方圆云层数据信息,有效提升光伏电站超短期功率预测能力。

在储能电池方面,建成世界规模最大的多类型化学储能电站。储能电站内具有全部自主知识产权的大规模储能监控系统,可以对多种类型电池进行统一监控,实现平滑出力、跟踪计划、削峰填谷、系统调频四大功能,使风电、光伏发电的出力特性达到或接近常规电源,网源友好性能得到极大改善加强。这个储能电站也是全球首家具有“黑启动”功能的大规模新能源联合发电站,填补了国内外该领域技术空白,确保了新能源涉及的局部微电网在特殊情况下的可靠运行。

国家风光储输示范工程增强了风电和光伏发电的友好性,保障了大规模新能源并网安全,实现了新能源大范围配置,2016年12月,在第四届中国工业大奖发布会上,国家电网公司风光储输示范工程摘得中国工业大奖桂冠,这是中国工业领域最高奖项。与之相并肩的不乏中国探月工程探测器系统、大连船舶航母工程、高铁列车高可靠性齿轮系统等国家级顶尖工业项目。

虚拟同步机技术抢占世界能源和电力技术制高点

虚拟同步发电机技术是一种通过模拟同步发电机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼等并网运行外特性的技术。该技术能够使新能源机组由“我行我素”的“自转”变为“协调统一”的“公转”,主动支撑电网频率、电压波动,有力保障电网安全稳定运行。该项技术是公认的世界能源和电力技术制高点。

虚拟同步机技术理念,始于上世纪末期,在2017年以前,仅见于欧美等少数国家实验室内理论研究与小容量样机研制,尚无工程建设运行先例。根据2016年国网公司部署,冀北公司细致编订、反复打磨《风光储输基地虚拟同步机示范工程实施方案》,集全公司之力、聚全公司之智,先后越过了风电、光伏、电站式三种虚拟同步发电机建造“深水区”,啃下了控制逻辑、参数整定等工程化应用“硬骨头”。2017年12月,全球首个具有虚拟同步机功能的新能源示范电站在张家口成功建成并投运,项目不仅取得涉及虚拟同步机技术研究和示范应用全领域在内的12项关键技术突破,更为解决新能源发电“先天不足”世界之问提供了有效手段。

在此基础上,冀北公司进一步开展技术分析研究,积极深化运行实践成果,推进虚拟同步机工程建造不断走向深入。2018年10月29日至30日,由冀北风光储公司会同冀北电科院、冀北检修公司、张家口供电公司以及华能大苏计风电厂共同合作的全球首个“场站级虚拟同步机功能测试与区域孤岛启动试验”在国家风光储输示范工程现场顺利完成。此次试验,以世界上目前单机容量最大的具有虚拟同步机功能的2x5MW储能系统为启动电源,同时创造性配备具有功率及电压平衡作用的试验监控系统,在更大空间与尺度上吸纳汇集源、网资源,不仅有效保证了孤网系统功率平衡与电压稳定,更显著改善了新能源机组并网的友好型和稳定性。通过现场试验,发现大量高比例电力电子区域孤网的震荡、波动等现象,验证了大容量新能源虚拟同步机多机并联技术在孤网系统运行的科学性和可靠性,提出了由新能源场站启动区域电网的思路方法,提升了新能源汇集区域应对风险处置能力,开创了新能源在特定环境下启动区域电网的运行实践,标志着公司在虚拟同步机技术研究和示范应用全领域上已迈向了一个更新、更高的层级。

中国科学技术协会主席万钢视察观摩后指出,“示范工程的建设成果,为国家争得了荣誉、为世界树立了典范”;前国际电工委员会(IEC)主席克劳斯·乌赫勒先生夸赞道“成果领先、令人震撼、是上帝的工程”。国家风光储输示范工程是中国的、世界的,也是现代的、未来的,不仅打开了世界了解中国新能源发展方向的新窗口,而且让国家电网公司成为全球的新能源领域的领军者,成为中国创造的又一张“金名片”。

 

 

 

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