2023年7―9月，河北建投康寶“以大代小”風(fēng)電平價(jià)示范項(xiàng)目連續(xù)公布了風(fēng)電機(jī)組設(shè)備及附屬設(shè)備、預(yù)裝式變電站設(shè)備等采購(gòu)的中標(biāo)結(jié)果。因20萬(wàn)千瓦的總裝機(jī)容量中有3萬(wàn)千瓦采用了構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，其成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組批量商業(yè)化的項(xiàng)目。
2023年9月27日，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于組織開展可再生能源發(fā)展試點(diǎn)示范的通知》，提出支持構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電、構(gòu)網(wǎng)型光伏發(fā)電、構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能、新能源低頻組網(wǎng)送出等技術(shù)研發(fā)與工程示范，顯著提高新能源接入弱電網(wǎng)的電壓、頻率等穩(wěn)定支撐能力，大幅提升風(fēng)電光伏大基地項(xiàng)目輸電通道的安全穩(wěn)定送電能力。
在2023年10月16日開幕的2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）上，金風(fēng)科技發(fā)布構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)2.0產(chǎn)品，讓構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)成為了本屆CWP的技術(shù)焦點(diǎn)之一。構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)已被視為未來(lái)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性重要技術(shù)之一，并有望實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組從“被動(dòng)適應(yīng)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;主動(dòng)支撐”電網(wǎng)。
提高風(fēng)電占比
在某種程度上，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)更多著眼于解決未來(lái)以風(fēng)電、光伏等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。
我國(guó)大多數(shù)新能源富集區(qū)域均鄰近電網(wǎng)末端，新能源場(chǎng)站送出并網(wǎng)點(diǎn)短路比普遍較低，一般低到1.5~1.8仍可以穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)短路比更低時(shí)，新能源電站的并網(wǎng)就可能存在次同步振蕩等穩(wěn)定性問(wèn)題，進(jìn)而引起棄風(fēng)、棄光等不利于新能源消納的局面。在采用構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組后，能夠在更弱的電網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)的耦合穩(wěn)定性，并網(wǎng)點(diǎn)短路比技術(shù)邊界可降低到1.2，甚至是1.0，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，從技術(shù)和系統(tǒng)安全角度來(lái)看，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組所具備的同步電壓源外特性，使其在規(guī)?；煤竽軌虼蠓岣唢L(fēng)電在電力系統(tǒng)中的占比，且充分發(fā)揮在電力系統(tǒng)中的支撐作用。
“一方面，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組能夠提升同等電網(wǎng)強(qiáng)度下可開發(fā)風(fēng)電的容量；另一方面，可在同等開發(fā)條件下，降低電網(wǎng)穩(wěn)定電源所付出的代價(jià)與成本，如減少對(duì)調(diào)相機(jī)和儲(chǔ)能的需求。”金風(fēng)科技研發(fā)中心副總經(jīng)理?xiàng)钪厩颉讹L(fēng)能》表示。
之所以能夠具備這樣的能力，是因?yàn)榕c隨網(wǎng)型機(jī)組相比，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的控制邏輯發(fā)生了根本性改變。它通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，基于控制特性的映射等技術(shù)手段，對(duì)外呈現(xiàn)出電壓源控制和自同步構(gòu)網(wǎng)特性，直接控制輸出電壓幅值和相位，從而支撐電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定，并對(duì)系統(tǒng)提供慣量及阻尼支撐，具備孤島運(yùn)行能力，適用于強(qiáng)度弱、慣量低的高比例新能源電力系統(tǒng)。
一個(gè)更易理解的比喻是，隨網(wǎng)型與構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的區(qū)別，如同普通火車的車廂與動(dòng)車車廂的差異。普通火車車廂沒有動(dòng)力系統(tǒng)，而動(dòng)車車廂既可以獨(dú)立載客運(yùn)行，也能夠與其他動(dòng)車、火車車廂組合。當(dāng)火車?yán)d的車廂越來(lái)越多時(shí)，就需要提高動(dòng)車車廂占比，以提供動(dòng)力支持。
在楊志千看來(lái)，構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，尤其是沙戈荒、深遠(yuǎn)海與分散式場(chǎng)景。對(duì)通過(guò)特高壓或柔性直流送出的沙戈荒大基地項(xiàng)目與深遠(yuǎn)海項(xiàng)目而言，需要確保一定的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，讓構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組有了用武之地。而分散式風(fēng)電項(xiàng)目一般分布在配電網(wǎng)弱連接的區(qū)域中，同樣可以體現(xiàn)出構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
也就是說(shuō)，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組在各類應(yīng)用場(chǎng)景中的技術(shù)本質(zhì)是相同的，但從電網(wǎng)特點(diǎn)上來(lái)看，大基地與深遠(yuǎn)海風(fēng)電項(xiàng)目體現(xiàn)為集中送出，在電源和電網(wǎng)協(xié)同上，電源影響很大。分散式電網(wǎng)較弱，變相地使電源影響也很大。一個(gè)是由于源的量大，導(dǎo)致源網(wǎng)變化；另一個(gè)是網(wǎng)弱，導(dǎo)致源網(wǎng)變化。
“不管是特高壓，還是弱電網(wǎng)，在新能源占比較高的場(chǎng)景中構(gòu)網(wǎng)技術(shù)都更適合。”楊志千進(jìn)一步解釋，“從技術(shù)底層特征來(lái)講，只要是電源和電網(wǎng)相對(duì)強(qiáng)度發(fā)生變化的地方，都可以采用構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組。”
拓展技術(shù)價(jià)值
雖然構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組目前仍很難在市場(chǎng)中占據(jù)主流，但國(guó)內(nèi)外不少企業(yè)已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了研發(fā)布局。據(jù)了解，維斯塔斯基于雙饋技術(shù)路線，已在英國(guó)和澳大利亞完成了構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的一系列場(chǎng)站級(jí)仿真驗(yàn)證工作。我國(guó)風(fēng)電企業(yè)開始將目光聚焦于構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)則是在2017年前后。當(dāng)時(shí)，一些出口項(xiàng)目在國(guó)外遇到了高比例風(fēng)電接入電網(wǎng)的挑戰(zhàn)，卻缺乏應(yīng)對(duì)措施與技術(shù)儲(chǔ)備。
“我們用1~2年時(shí)間完成了初步研究工作，在2019年形成整個(gè)技術(shù)構(gòu)型，到2021年提出構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組1.0版本。”楊志千說(shuō)，“主要目的是將它與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證測(cè)試，確認(rèn)其是否具備一定優(yōu)勢(shì)。我們初步得出結(jié)論，構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組在解決傳統(tǒng)問(wèn)題的同時(shí)，新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)也可以被解決和克服。”
2022―2023年，金風(fēng)科技先后在北京亦莊園區(qū)進(jìn)行了單機(jī)改造及示范運(yùn)行，聯(lián)合甘肅電網(wǎng)和上海交通大學(xué)進(jìn)行了構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組饋線級(jí)別的示范運(yùn)行，并在湖北廣水進(jìn)行了整場(chǎng)機(jī)組的改造和示范運(yùn)行。2023年4月，新疆電網(wǎng)對(duì)外宣布，攜手金風(fēng)科技完成國(guó)內(nèi)首次構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)接入大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真研究。據(jù)了解，完成該研究的天潤(rùn)木壘風(fēng)電一場(chǎng)，是目前全國(guó)在送端直流近區(qū)接入構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組規(guī)模最大的風(fēng)電場(chǎng)。
“對(duì)于構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的研究，很多依然是以單機(jī)控制策略，包括特性的優(yōu)化，還有局域小電網(wǎng)分析為主。天潤(rùn)木壘風(fēng)電一場(chǎng)項(xiàng)目將場(chǎng)景范圍進(jìn)行升級(jí)和拓展，以整個(gè)新疆電網(wǎng)為背景開展系統(tǒng)驗(yàn)證，不僅僅是體現(xiàn)在單機(jī)局部性能上，還體現(xiàn)在對(duì)整片區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行的影響上。”楊志千表示。
構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在于不僅僅需實(shí)現(xiàn)其比例支撐能力、弱短路比的實(shí)用性、暫態(tài)特性等單一能力的突破，更要確保其在工程化應(yīng)用層面的平衡。
“我們已經(jīng)在天潤(rùn)木壘風(fēng)電一場(chǎng)項(xiàng)目上成功驗(yàn)證了構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響，未來(lái)將進(jìn)一步拓展了解其在更大的電力系統(tǒng)場(chǎng)景下的系統(tǒng)價(jià)值和特點(diǎn)。”楊志千坦言，“同時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)不僅能運(yùn)用在風(fēng)電機(jī)組上，也可拓展至光伏、儲(chǔ)能、SVG等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。除了構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組外，我們也在做構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，研究構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組與隨網(wǎng)型機(jī)組間的配合，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與普通儲(chǔ)能間的配合。”
場(chǎng)景決定成本
構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的主要價(jià)值在于支撐電網(wǎng)穩(wěn)定。這可分為幾個(gè)維度，包括頻率的穩(wěn)定、電壓的穩(wěn)定、次同步振蕩的抑制等。因此，目前整機(jī)商推出的構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組，需要同時(shí)考量應(yīng)用場(chǎng)景需求與成本，并不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為單一產(chǎn)品，而是一套有針對(duì)性的解決方案。
事實(shí)上，構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的構(gòu)網(wǎng)能力有深有淺，如果只是針對(duì)短路比適應(yīng)性的提升，那么僅需采用最基本的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)，在機(jī)組的控制系統(tǒng)上進(jìn)行提升，并不需要大的功率性硬件的升級(jí)。該類方案可用在大基地特高壓和深遠(yuǎn)海風(fēng)電等場(chǎng)景，一定程度上解決由于安全穩(wěn)定裕度所帶來(lái)的棄風(fēng)、棄光等問(wèn)題，助力消納比例的提升。因此，其不會(huì)對(duì)機(jī)組采購(gòu)成本產(chǎn)生太大影響。
還有一些應(yīng)用場(chǎng)景，除短路比適應(yīng)性外，對(duì)頻率穩(wěn)定性、機(jī)組慣量、有功出力等提出要求，就需要為構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組配置儲(chǔ)能模塊。它的成本相對(duì)更高，但仍比單獨(dú)配置其他儲(chǔ)能設(shè)備擁有優(yōu)勢(shì)。
“要放在具體場(chǎng)景下看構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組的成本價(jià)值。并不是所有場(chǎng)景都需配置這種深度的構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組。如果一定要配儲(chǔ)能，那就是在電網(wǎng)極弱或需要特別強(qiáng)頻率支撐的情況下，這種情況即使風(fēng)電機(jī)組不配儲(chǔ)能模塊，外部也需要單獨(dú)去配儲(chǔ)能設(shè)備。”楊志千表示。
河北建投康保“以大代小”風(fēng)電平價(jià)示范項(xiàng)目，所采用的正是這種被稱為PLUS版的構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組。據(jù)公開的中標(biāo)信息顯示，該項(xiàng)目17萬(wàn)千瓦的隨網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組中標(biāo)單位報(bào)價(jià)為1720元/千瓦；3萬(wàn)千瓦構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組中標(biāo)單位報(bào)價(jià)較前者高出一倍有余，達(dá)到3990元/千瓦。
據(jù)了解，該項(xiàng)目的構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組成本之所以高，一是配備了儲(chǔ)能模塊的構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組本身設(shè)備成本就高；二是其作為一個(gè)示范項(xiàng)目，分?jǐn)偭艘徊糠挚蒲信c試驗(yàn)投入成本。在構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用后，仍有較大降本空間。
“一個(gè)項(xiàng)目到底需要配置幾臺(tái)構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組、幾臺(tái)隨網(wǎng)型機(jī)組，必須結(jié)合實(shí)際情況來(lái)研究，并非全部采用構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組就一定更好。”楊志千向《風(fēng)能》坦承，“構(gòu)網(wǎng)型機(jī)組是解決當(dāng)下和未來(lái)新能源高比例接入電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑之一，但在不同場(chǎng)景下的配置方案和比例還需要更多、更大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐的驗(yàn)證。”
