北(běi)極星智能電網在線訊:中國電力科學研究院有限公司（以下(xià)簡稱中國電科院）是國家電網有限公司直屬科研單位，成立于1951年，重點開展電網共性和(hé)基礎性關鍵技術研發、試驗檢測和(hé)技術标準制定，并爲國家電網有限公司提供全面的(de)技術支撐服務。建院以來(lái)，中國電科院承擔各類國家和(hé)政府科技計劃項目400餘項，逐步形成了(le)世界上功能最完整、試驗能力最強、技術水(shuǐ)平最高(gāo)的(de)特高(gāo)壓、大(dà)電網試驗研究體系，在特高(gāo)壓交直流輸變電、大(dà)電網控制、新能源發電并網、智能電網等領域取得(de)一批創新成果。累計獲得(de)國家級科技獎勵94項，擁有有效專利3000餘項，出版科技專著400餘部，發表科技論文7000餘篇；2010年至今，獲批發布國際标準10項，國家标準144項，行業标準370項，團體标準45項，爲我國電力科技進步和(hé)電力工業的(de)創新發展作出了(le)重要貢獻。
黨的(de)十九大(dà)以來(lái)，科技創新地位和(hé)作用(yòng)更加凸顯。十九大(dà)報告規劃了(le)建設世界科技強國的(de)宏偉藍圖，把加快(kuài)建設創新型國家作爲現代化(huà)建設全局的(de)戰略舉措。爲貫徹國家要求，國家電網公司提出要堅持創新驅動發展，大(dà)力實施科技強企戰略，瞄準世界能源電力科技前沿和(hé)企業實際問題，敢爲人(rén)先、敢于突破，搶占科技制高(gāo)點，引領電網創新發展。作爲國家電網有限公司直屬科研單位，中國電科院提出了(le)分(fēn)“三步走”建設具有卓越競争力的(de)世界一流電力科研機構的(de)新時(shí)代戰略目标，通(tōng)過聚焦重點發展方向，全面提升科技創新能力和(hé)支撐服務能力，努力建設成爲電網重大(dà)基礎理(lǐ)論創新的(de)誕生地、高(gāo)端電力科技的(de)策源地、世界頂尖發明(míng)創造的(de)聚集地。
在國家科技戰略引領下(xià)，中國電科院提出一系列創新管理(lǐ)舉措，科技研發效率進一步提升。一是強化(huà)科研頂層設計，使創新資源更加集中。初步形成“頂層設計先行、指南(nán)申報落地、戰略規劃兼容”的(de)研發策劃模式，依托頂層設計凝練聚焦技術新方向，培育未來(lái)業務增長(cháng)點，并在重大(dà)戰略方向的(de)遴選上支撐頂層設計，促進科技資源進一步向核心技術方向聚集，在資源有限的(de)情況下(xià)，增強了(le)科研投入的(de)系統性、全局性和(hé)協同性。通(tōng)過科研頂層設計，凝練出了(le)50個(gè)重點研究方向、44項核心技術、8個(gè)中長(cháng)期戰略性科研方向，基本确立了(le)中國電科院未來(lái)若幹年的(de)核心重點技術方向。二是實施研發組織優化(huà)，使綜合優勢更加凸顯。初步建立“總體設計、集中攻關、分(fēn)散實施”的(de)跨專業聯合攻關機制，形成院内單位互爲補充、相互促進、互通(tōng)有無的(de)協同攻關體系。通(tōng)過優化(huà)研發組織模式，五年來(lái)先後攻克了(le)電力系統全過程動态仿真、特高(gāo)壓變電設備狀态預警、大(dà)規模新能源發電并網、配電網自愈控制、規模化(huà)儲能系統集成等一大(dà)批關鍵技術難題。
随著(zhe)國家科技計劃改革方案逐步實施，國家有關部門于2016年首次采用(yòng)國家重點研發計劃專項形式組織項目申報。在國資委、國家電網有限公司的(de)大(dà)力支持和(hé)有序組織下(xià)，中國電科院積極參與各相關專項申報，在2016年至2018年期間共計參與了(le)12個(gè)專項、73個(gè)項目的(de)申報，截至目前已有49個(gè)項目（15項牽頭、34項配合）獲批立項，特别是在智能電網領域，已連續三年成爲承擔項目最多(duō)的(de)單位。
開發“電網友好型”風電機組，助力“新時(shí)代”電網穩定運行
――大(dà)容量風電機組電網友好型控制技術
我國是全球風電規模最大(dà)、發展最快(kuài)的(de)國家，2017年我國新增風電裝機容量1503萬千瓦，累計裝機達1.64億千瓦，均爲世界第一。預計到2050年末，全國風電裝機将突破10億千瓦。随著(zhe)風電并網比例不斷攀升，局部區(qū)域風電穿透率已超過100%，具備高(gāo)比例風力發電的(de)“新時(shí)代”電力系統正逐漸形成。
跟以同步發電機爲主導的(de)傳統電力系統相比，“新時(shí)代”電力系統最大(dà)的(de)特征在于風電帶來(lái)的(de)高(gāo)比例電力電子裝備接入，随著(zhe)風電容量在電力系統中比重不斷加大(dà)，電力系統慣量不足，頻(pín)率穩定問題凸顯；風電抗擾性低，在系統電壓/頻(pín)率波動時(shí)易大(dà)規模脫網引發連鎖故障；産生的(de)多(duō)形态低頻(pín)和(hé)次/超同步振蕩機理(lǐ)尚未探明(míng)，振蕩事故頻(pín)發。系統呈現弱慣性、弱電氣阻尼以及弱電壓支撐的(de)運行特性，安全穩定運行面臨重大(dà)挑戰。
據國家重點研發計劃項目“大(dà)容量風電機組電網友好型控制技術”負責人(rén)、中國電科院新能源研究中心副主任秦世耀介紹，本項目按照(zhào)“理(lǐ)論基礎―關鍵技術―試驗檢測―工程示範”的(de)主線開展研究，并設置了(le)5個(gè)課題，攻克一個(gè)科學問題，突破四項關鍵技術：
風電機組寬頻(pín)動态特性及其多(duō)控制環節的(de)耦合作用(yòng)機理(lǐ)
電網特定條件下(xià)雙饋/直驅風電機組并網可(kě)能呈現的(de)寬頻(pín)振蕩特性涉及風電機組多(duō)物(wù)理(lǐ)控制動态環節和(hé)主動支撐控制動态環節的(de)耦合，目前仍未揭示此相互作用(yòng)關系。采用(yòng)時(shí)域振蕩模态，分(fēn)析風電機組寬頻(pín)動态的(de)振蕩特征及各控制環節間動态和(hé)暫态耦合作用(yòng)機制，是實現大(dà)容量風電機組友好型并網控制優化(huà)的(de)關鍵科學問題和(hé)理(lǐ)論基礎。研究雙饋/直驅風電機組各物(wù)理(lǐ)控制環節動态特性和(hé)風電系統振蕩模态與物(wù)理(lǐ)控制環節耦合關系至關重要。通(tōng)過建立風電機組寬頻(pín)動态模型，提出風電機組機電耦合扭振和(hé)次/超同步振蕩的(de)降階解耦模型，爲風電電網友好型控制的(de)關鍵技術突破奠定基礎。
計及能量約束與應力的(de)主動頻(pín)率支撐優化(huà)控制技術
傳統風電機組運行過程主要考慮自身運行安全與發電量，對(duì)電網頻(pín)率并不具有支撐能力，降低了(le)電網整體有效慣量，緻使電網頻(pín)率穩定性下(xià)降，同時(shí)風電機組缺乏一次調頻(pín)能力，減小了(le)系統的(de)後備支撐。而風電機組參與調頻(pín)對(duì)機組控制系統提出了(le)新的(de)挑戰，包括頻(pín)率支撐能量來(lái)源和(hé)機組應力邊界改變。頻(pín)率支撐過程中慣量響應動能釋放規律和(hé)一次調頻(pín)期間備用(yòng)容量的(de)匹配直接影(yǐng)響機組的(de)穩定運行。通(tōng)過量化(huà)機組機械結構特性和(hé)電氣設備運行邊界，建立轉子動能預測模型，優化(huà)鎖相環性能，确保慣量響應的(de)可(kě)靠實現。以風電機組頻(pín)率支撐動态特性和(hé)穩态特性爲目标，建立以機組容量，機械應力，電氣應力和(hé)電網阻抗适應性爲約束條件，綜合設計慣量系數、阻尼系數和(hé)一次調頻(pín)系數的(de)目标優化(huà)函數，同時(shí)考慮到三者之間交互耦合，通(tōng)過叠代優化(huà)得(de)到自适應的(de)頻(pín)率支撐策略核心參數，并建立慣量與一次調頻(pín)協調控制策略。
次/超同步頻(pín)率不确定、多(duō)形态下(xià)風電機組主動阻尼控制技術
次/超同步振蕩具有頻(pín)率不确定、形态多(duō)樣化(huà)特點，現有控制無法快(kuài)速追蹤振蕩變化(huà)，難以兼顧風電機組基本控制回路需求，無法實現大(dà)規模推廣。基于動态能量/阻抗特性理(lǐ)論，研究單機次/超頻(pín)特性的(de)關鍵影(yǐng)響因素，結合風場(chǎng)―設備網絡模型，描述振蕩分(fēn)量的(de)傳播與演化(huà)規律，揭示風電設備間的(de)耦合機理(lǐ)。采用(yòng)移頻(pín)鎖相技術，構建自适應阻抗/動态能量設計方案，并基于多(duō)支路阻抗/能量重塑理(lǐ)論優化(huà)接入位置；評估基頻(pín)特性與次/超頻(pín)特性的(de)影(yǐng)響程度，以不同工況下(xià)運行邊界條件爲約束，實現多(duō)目标風電機組主動阻尼控制；通(tōng)過基準電壓同步技術，研究風電網絡阻抗/能量匹配模式，實現具有時(shí)空、功率耦合的(de)設備協同。拟構建快(kuài)速鎖頻(pín)和(hé)振蕩追蹤技術，通(tōng)過帶寬調整解耦次/超頻(pín)和(hé)基頻(pín)回路，并以風電機組基本響應需求爲約束，制定風電機組自适應主動阻尼控制。
電網故障情況下(xià)機組可(kě)控性提升及動态功率優化(huà)控制技術
風電機組在故障暫态中承受著(zhe)由電壓幅值驟變、相位跳變和(hé)負序擾動等引起的(de)電氣應力。當前，風電機組在故障暫态過程中可(kě)控性變差，導緻故障暫态過程中風電機組對(duì)電網頻(pín)率/電壓的(de)支撐缺乏主動性，因此，應改進控制方法提高(gāo)可(kě)控性。爲了(le)實現風電機組故障暫态支撐，風電機組在故障暫态中保有可(kě)控性是其基礎。首先從故障快(kuài)速檢測、動态PLL、虛拟強勵/欠勵和(hé)低高(gāo)穿連續故障協調控制等方面研究故障穿越關鍵技術。以變流器容限、載荷約束爲邊界條件，動态識别故障暫态支撐可(kě)控域，采用(yòng)多(duō)維度協同應力抑制措施實現可(kě)控域動态擴展，提升風電機組故障暫态支撐的(de)可(kě)控性。構建典型場(chǎng)景，量化(huà)分(fēn)析不同故障階段風電機組故障暫态支撐需求，提出風電機組故障暫态支撐的(de)優化(huà)控制策略。研制風電機組電壓/頻(pín)率故障暫态支撐控制器，突破風電機組“電網友好型”控制技術中的(de)故障暫态支撐技術。
電網故障/擾動條件下(xià)風電機組傳動鏈動态阻尼控制技術
電網出現故障/擾動會對(duì)風電機組機械子系統造成較大(dà)載荷，甚至可(kě)能造成傳動鏈扭振失穩從而引發事故，因此需要研究電網故障、頻(pín)率擾動、電力系統振蕩等電網運行條件下(xià)的(de)風電機組載荷動态響應機理(lǐ)，在電網故障/擾動條件下(xià)對(duì)“電網友好型”風電機組載荷進行穩定優化(huà)控制，對(duì)風電機組傳動鏈進行動态阻尼控制，抑制傳動鏈扭振，提高(gāo)風電機組運行穩定性和(hé)可(kě)靠性。研究電網故障、頻(pín)率擾動、電力系統振蕩等運行條件下(xià)的(de)風電機組載荷動态特性及風電機組與電網相互影(yǐng)響的(de)機理(lǐ)，明(míng)确電網故障/擾動工況下(xià)的(de)風電機組載荷約束條件，提出風電機組疲勞載荷和(hé)極限載荷的(de)定量評價方法，突破電網故障、頻(pín)率擾動、電力系統振蕩等電網運行條件下(xià)風電機組載荷穩定優化(huà)控制技術。
項目預期研制雙饋/直驅風電機組寬頻(pín)動态特性數模混合實時(shí)仿真平台、風電慣量/一次調頻(pín)優化(huà)控制系統、具備主動阻尼和(hé)電壓/頻(pín)率主動支撐能力的(de)風電機組電控系統、風電機組載荷優化(huà)控制系統等，最終研發出兩台“電網友好型”風電樣機，并将在張北(běi)國家風電試驗檢測基地開展示範驗證，展示“電網友好型”風電機組的(de)慣量/一次調頻(pín)性能、振蕩主動抑制能力、故障暫态支撐性能。
項目的(de)實施将推動我國風電技術及自主研發制造的(de)發展，提高(gāo)我國風電關鍵技術在國際上的(de)核心競争力，爲我國實現高(gāo)比例風電電力系統安全穩定運行，提升風電接入和(hé)消納能力奠定良好基礎。
攻克中低壓直流接入關鍵技術促進光(guāng)伏并網消納
――分(fēn)布式光(guāng)伏多(duō)端口接入直流配電系統關鍵技術和(hé)裝備
大(dà)力發展分(fēn)布式光(guāng)伏發電是促進我國可(kě)再生能源開發利用(yòng)、推進能源結構調整的(de)重要舉措。“十三五”期間我國分(fēn)布式光(guāng)伏發展迅速，裝機容量将達6000萬千瓦以上，靠近負荷建設、高(gāo)滲透率接入，是當前分(fēn)布式光(guāng)伏發展的(de)主流趨勢。
高(gāo)比例分(fēn)布式光(guāng)伏消納面臨新挑戰與新選擇
随著(zhe)分(fēn)布式光(guāng)伏電源接入數量與容量的(de)增加，現有交流配電系統面臨一系列技術挑戰，諸如潮流分(fēn)布與繼電保護配置的(de)改變、諧波污染源增加與電能質量下(xià)降、調度控制困難、變壓器/線路過載等。目前大(dà)功率電力電子與柔性直流輸配電技術已日臻成熟，用(yòng)戶端直流型負荷比重持續增加，區(qū)域直流配電網已成爲未來(lái)城(chéng)市與工業園區(qū)配電系統建設的(de)重要趨勢。分(fēn)布式光(guāng)伏與直流配電相結合是一種積極探索，其電壓更穩定、效率更高(gāo)、系統更爲可(kě)靠。以雄安新區(qū)配電網建設、蘇州同裏新能源小鎮等示範工程爲代表，分(fēn)布式光(guāng)伏接入直流配電網的(de)實踐已呈現快(kuài)速發展趨勢。
現階段該領域國内外還(hái)存在諸多(duō)問題。在直流升壓變流方面，變換器拓撲結構與參數優化(huà)設計方法不成熟、功率密度小、效率低；在系統設計集成方面，規模化(huà)多(duō)端并網穩定性分(fēn)析理(lǐ)論、規劃設計方法及評價體系缺失；在運行控保方面，計及高(gāo)比例分(fēn)布式光(guāng)伏的(de)直流配電系統快(kuài)速故障識别定位技術不成熟，隔離保護裝置成本過高(gāo)。爲此，中國電科院開展“分(fēn)布式光(guāng)伏多(duō)端口接入直流配電系統關鍵技術和(hé)裝備”研究，攻克中低壓直流接入關鍵技術，促進光(guāng)伏并網消納。
一項科學問題和(hé)三大(dà)關鍵技術
該項目将以提高(gāo)規模化(huà)高(gāo)比例分(fēn)布式光(guāng)伏并網消納能力爲目标，以直流接入關鍵裝備研制爲主線，深入開展基礎理(lǐ)論研究和(hé)關鍵技術攻關，建立面向真實應用(yòng)場(chǎng)景的(de)領先實證平台，形成集理(lǐ)論、技術、裝備和(hé)平台爲一體的(de)系統化(huà)成果。項目将重點解決一項重大(dà)科學問題與突破三大(dà)關鍵技術，包括：
面向分(fēn)布式光(guāng)伏的(de)高(gāo)效高(gāo)變比電力電子拓撲構建與直流并網穩定機理(lǐ)
直流并網變換器需具備高(gāo)增益、高(gāo)效率、高(gāo)可(kě)靠優良特性與高(gāo)自由度控制、寬範圍運行能力。目前針對(duì)此類直流變換裝置的(de)拓撲與參數設計方法尚無深入研究，針對(duì)其寬頻(pín)帶、寬範圍、多(duō)模式下(xià)的(de)動态建模亦缺乏研究。同時(shí)，直流并網系統中多(duō)變換器間電氣距離短，耦合作用(yòng)強，多(duō)尺度交互作用(yòng)機理(lǐ)複雜(zá)，給系統的(de)穩定分(fēn)析帶來(lái)困難。因此，探索光(guāng)伏直流變換器拓撲構建方法，開展模型理(lǐ)論研究，揭示裝置與系統間多(duō)尺度交互作用(yòng)機理(lǐ)，是亟須攻克的(de)基礎理(lǐ)論問題。
高(gāo)變比分(fēn)布式光(guāng)伏中壓直流變換器高(gāo)效/高(gāo)可(kě)靠性變流技術
分(fēn)布式光(guāng)伏中壓直流變換器升壓比高(gāo)達20倍以上，并且光(guāng)伏陣列輸出功率及電壓寬範圍随機變化(huà)，設備内部電能轉換環節較多(duō)，導緻直流變換器效率提升困難；變換器端口工況複雜(zá)，運行模式多(duō)變，并且中壓變換器模塊串并聯數量多(duō)，故障耦合和(hé)傳導問題突出，降低了(le)變換器的(de)可(kě)靠性。因此，研制高(gāo)變比、高(gāo)效、高(gāo)可(kě)靠分(fēn)布式光(guāng)伏中壓直流變換器具有極大(dà)挑戰。
基于全壽命周期模型的(de)中低壓直流并網分(fēn)布式光(guāng)伏系統集成與工程設計技術
理(lǐ)論源于實踐，又必須指導實踐。中低壓直流配電系統的(de)研究仍處于起步階段，國内外僅建成了(le)幾處小規模探索性工程，在規劃設計、設備選配、經濟分(fēn)析等方面還(hái)有大(dà)量問題需要研究，分(fēn)布式光(guāng)伏中低壓接入直流配電系統集成與工程設計尚無适配的(de)标準和(hé)規範，因而構建分(fēn)布式光(guāng)伏多(duō)端接入的(de)中低壓直流配電系統綜合評估指标體系，開展基于全壽命周期模型的(de)中低壓直流并網分(fēn)布式光(guāng)伏系統集成與工程設計技術研究具有極大(dà)的(de)挑戰。
基于暫态故障特征快(kuài)速提取辨識的(de)直流配電系統故障定位與保護技術
含高(gāo)比例分(fēn)布式光(guāng)伏的(de)中壓和(hé)低壓直流配電系統體現出電力電子化(huà)特征，不同拓撲結構、控制策略的(de)換流設備對(duì)故障的(de)響應不同，導緻直流故障特征不明(míng)确，故障暫态過程解析困難、非線性特征強，難以準确提取分(fēn)析。同時(shí)高(gāo)比例電力電子裝置接入後系統故障電流上升速度快(kuài)、沖擊大(dà)，故障後換流設備閉鎖速度快(kuài)，導緻有效故障信息持續時(shí)間極短。因此，直流系統保護必須在極短的(de)時(shí)間通(tōng)過故障信号有效解析實現快(kuài)速準确故障識别定位，技術難度較高(gāo)。
實踐證明(míng)，唯有掌握關鍵核心技術這(zhè)一“大(dà)國重器”，才能消除“卡脖子”的(de)隐憂，才能做(zuò)産業發展的(de)“領跑者”。該項目将立足理(lǐ)論與技術創新，全面突破分(fēn)布式光(guāng)伏中低壓直流并網核心關鍵技術體系；同時(shí)依托中國電力科學研究院張北(běi)試驗基地，建成世界首個(gè)分(fēn)布式光(guāng)伏直流并網系統平台（±10kV/±375V/1.2MW），積累工程實證經驗，實現設計規範化(huà)、産品實用(yòng)化(huà)、測試标準化(huà)。該項目将緻力于先進技術産業化(huà)，其核心成果可(kě)率先應用(yòng)于2022年杭州亞運會場(chǎng)館與雄安新區(qū)直流配電系統等重大(dà)标志性工程，并向全國城(chéng)市電網與工業園區(qū)輻射推廣。通(tōng)過該項目研究與成果轉化(huà)應用(yòng)，将有效提升我國電網對(duì)規模化(huà)、高(gāo)滲透率分(fēn)布式光(guāng)伏的(de)并網消納能力，有效支撐國家節能減排戰略實施，促進經濟社會可(kě)持續發展；同時(shí)将增強我國新能源行業技術引領力，提升關鍵裝備研發制造水(shuǐ)平，促進産業升級。
