服務新能源友好并網的國網擔當

虛擬同步機技術可實現新能源等電力電子并網設備“類同步機化”運行，是使設備融入電力系統交流同步機制的重要途徑，可有效提高設備對電網的支撐能力。國網冀北電力有限公司歷時8年，突破了虛擬同步機基礎理論、關鍵技術、裝備研發和集群運行等難題。項目成果已直接應用于國家風光儲輸示范工程，建成了世界首座百兆瓦級多類型虛擬同步發電機電站，總容量140兆瓦。虛擬同步機項目填補了大容量虛擬同步機國內外空白，推動了新能源并網技術升級換代，產品形成了國際競爭力，帶動了電力電子裝備行業技術進步，為構建未來新能源電力系統、踐行能源安全新戰略做出了重要貢獻。

2018年1月2日，河北張家口氣溫降到零下14攝氏度。天氣雖然寒冷，但張家口風光儲示范電站有限公司的員工卻非常欣慰：這一天，風力發電365萬千瓦時，電網運行非常平穩。當天一大早，時任電站生產技術部副主任朱斯就來查看剛投運的世界首個具備虛擬同步機功能新能源電站的運行狀況。他面前一排排銀灰色的柜子就是虛擬同步機的控制裝置。這看似不起眼的裝置，給不羈的新能源發電加裝了一個“調節器”，保障了新能源和大電網的友好相處。

難題·全球競相攻關

近幾十年特別是進入21世紀，隨著世界各國對清潔能源發展的重視和新能源技術的快速發展，風電、太陽能發電進入規模化開發利用的新階段。但是，新能源的波動性、間歇性等特點，以及不具備調頻、調壓等主動支撐能力的特性，給新能源消納和電網安全運行帶來嚴峻挑戰。這一世界性難題一直橫亙在各國能源電力行業人士的面前。

到底有沒有一種設備、一項技術能解決這個問題呢？答案是肯定的，有一種聽起來很艱澀的技術——虛擬同步發電機，可以較好地解決這個問題。

虛擬同步發電機技術，是一種通過模擬同步發電機組的機電暫態特性，使采用變流器的電源具有同步發電機組的慣量、阻尼、一次調頻、無功調壓等并網運行外特性的技術。具備虛擬同步機功能的新能源電站，可使新能源具備與火電機組接近的外特性，對電力系統的穩定起到支撐作用，是解決新能源發電在并網穩定性方面“先天不足”問題的有效手段。“虛擬同步機技術能夠使新能源機組由‘我行我素’地‘自轉’變為協調統一地‘公轉’，主動支撐電網頻率、電壓，有力保障電網安全穩定運行。”中國電科院配電研究所微網研究室主任吳鳴說。

美國電氣和電子工程師協會（IEEE）工作組在1997年就第一次提出了虛擬同步機的概念。1997年之后的20年間，對虛擬同步發電機技術的攻關一直在持續。比利時魯汶大學、加拿大多倫多大學、英國利物浦大學相繼投入研發。但截至目前，國外仍處于理論研究與實驗室樣機（百千瓦級）研制階段，尚未有工程應用。

在西方國家全力攻關這一技術的同時，中國也瞄準了這一領域。作為全球并網風電、光伏發電最大的電網，中國國家電網迫切需要解決新能源大規模并網消納、保障大電網安全穩定的問題。然而，這一世界級難題并沒有任何經驗可以借鑒，必須從零開始，自己摸索出一條路來。

研發·何以率先突破

新能源虛擬同步機科技示范工程是攻克新能源虛擬同步機技術的關鍵。

這的確是一塊難啃的硬骨頭。而具體承擔研發的國網冀北電力有限公司協同中國電科院、許繼集團、南瑞集團等單位，決心協力啃下這塊硬骨頭。

以國網風光儲公司為主體，匯集中國電科院、許繼集團、南瑞集團等單位的聯合團隊，緊緊牽住工程提標、提速、提質的“牛鼻子”，按照“多點展開、齊頭并進、接力聯動、先難后易、分批有序，爭分奪秒”的24字工作方針，克服重重困難險阻，先后越過了風電、光伏、電站式三種虛擬同步發電機建造“深水區”，突破了控制邏輯、參數整定等工程化應用難題，不僅取得涉及虛擬同步機技術研究和示范應用全領域在內的12項關鍵技術突破，更為解決新能源發電“先天不足”世界之問提供了有效手段。

一項新興技術的研發應用過程中，問題總會不斷出現。就在2017年12月，距離新能源虛擬同步機科技示范工程啟動的日子越來越近，許繼集團新能源技術開發團隊在調頻過程中遇到了一個棘手的問題：頻率波動太大、控制精度達不到。對此，大家意見不一。有人說，這應該是控制參數設置不合理造成的，需要優化控制參數;有人則認為，是電網本身頻率波動太大。整整三天三夜，大家都在討論這個問題。突然有人說，要不，試試增加濾波處理？順著這個思路，多次試驗之后，問題終于得到解決。

經過艱苦努力，虛擬同步機核心技術在兩年之內得以全面掌握：構建了虛擬同步機應用理論;成功研制了三類虛擬同步機裝置;建立了虛擬同步機裝備試驗檢測體系;全面驗證了虛擬同步機的性能;提出了虛擬同步機應用推廣建議。

技術人員攻克了由理論到實踐的諸多難題，成功改造了現有風力發電機的控制軟件、光伏發電的逆變器和控制系統。示范工程共改造59臺風機、容量11.8萬千瓦，改造24臺500千瓦光伏逆變器、容量1.2萬千瓦，新建2套0.5萬千瓦電站式虛擬同步機。

未來·應用前景可期

新能源虛擬同步機科技示范工程的建成投運，是加快打造廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代電力系統的重大舉措。示范工程能很好地實現發電效益與電網支撐的平衡，提升了電網安全穩定運行水平，為新能源友好并網提供標準典范。虛擬同步機技術能很好地滿足新一代電力系統所需的智能、可控、靈活等要求。

一項新興技術是否具有實用性、經濟性，決定了它能否大規模推廣利用。那么，這種高大上的技術，應用推廣的前景會怎樣？

南瑞集團裝置研發中心四部經理王彤從最初研發起，就一直在考慮這個問題：“虛擬同步機是一種算法上的改良，不需要對電網進行大規模改造。實踐證明，虛擬同步機技術可以助力新能源友好并網，有效控制工程改造和建設成本，具有良好的推廣和應用前景。”

更重要的是，通過建設新能源虛擬同步機科技示范工程，國家電網公司實現了理論架構、裝置研發、實驗檢測手段、并網接入標準等完全自主化。這項技術深深打上了“中國創造”的烙印，進一步鞏固了我國在相關領域的技術引領地位。

如今，與示范工程同在張家口可再生能源智能電網示范區的，還有±500千伏張北可再生能源柔性直流電網、低碳冬奧智能電網、電動汽車智能互動充電等科技示范工程。放眼更廣闊的科技創新領域、更長遠的未來，更多科研人員仍在持續研究和探索。未來，在新能源的發展進程中，我國將有更多新的突破。