国家能源集团PPT：基于构网型储能的“沙戈荒”新能源基地源侧新型电力系统示范

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基于构网型储能的 “ 沙戈荒”新能源基地 源侧新型电力系统示范 汇报人：米晨旭 龙源电力集团股份有限公司 龙源电力集团共享储能技术 ( 北京 ) 有限公司 国家能源集团 CHN ENERGY 一、项目背景及研究必要性 二、研究内容及目标 三、指南响应情况 四、创新点 五、实施方案 六、效益预测 七、研究进展 国家能源集团 CHN ENERGY 一、项目背景及研究必要性——依托工程 “ 双碳”目标的提出促进了能源清洁化和高效化发展，以“沙戈荒”基地为代表的大型新能源基地建设 是推 动清洁能源成为电力电量主体、实现新型电力系统战略目标的重要举措。 沙荒戈新能源布局 (4.55 亿千瓦 ) 北脆 库木培格 腾格里 0 ( X 1 X m 70 2020 年 12 月 12 日，习近平总书记在气候雄心峰会上表 示， 2030 年碳达峰、 2060 年碳中和。 2021 年 3 月 15 日， 习近平总 书记在“中央财经委员会第九次会议”指出，要构建清洁低碳 安全高效的能源体系和以新能源为主体、清洁低碳、安全充裕、 经济高效 供需协同 灵活智能的新型电力系统 沙漠、戈壁、荒漠地区因面积广阔，风能、太阳能资源富集的优 势，已计划开展多项大型新能源基地建设，国家能源局更是把以沙漠、 戈壁、荒漠地区为重点的大型风电、光伏基地建设作为“十四五”新 能 源发展的重中之重。 51 D i 厂 工尊 * 国家能源集团 CHN ENERGY 证 T 面 5 -70 理 f 2 ) - w 五 百 聚达木 新 电 国 f 而 m E 间 要 自 70 复 0 ) 一、项目背景及研究必要性——问题 1 “ 沙戈荒”新能源基地，常规电源少，送端配套新能源场站短路比不足，存在严重的暂态过电压及宽频 振荡问题；直流闭锁之后，引发全网的频率及电压稳定问题，导致送端联动切机，威胁设备安全，且不 利于后续快速并网，限制了新能源基地外送能力。 · 送端换流站和新能源场站安全稳定问题 突出，限制新能源基地直流外送能力。 · 送端配套新能源多场站短路比不足，新 能源顺利并网面临阻碍。 特高压直流线路 容量 年输电量 可再生电量占比 直流送出 受限因素 天中直流 ( 哈密 - 郑 州 ) 800 440 39.7% 送端暂态 过电压 / 宽频振荡 吉全直流 ( 淮东 - 皖 南 ) 1200 632 27.6% 祁韶直流 ( 酒泉 - 湖 南 ) 800 284 41.1% 灵绍直流 ( 宁东 - 浙 800 551 19 9% 调节能力下降 稳定形态复杂 失稳风险加剧 国 家 能 源 集 团 CHN ENERGY 宁湘直流送端电网系统图 一、项目背景及研究必要性——问题 2 高比例新能源、高电力电子化的“双高”特征，使得宽频带振荡问题凸显；特别在直流大功率运行工况 下， 功率的快速、大幅变化造成过压越频问题严重，无法支撑基地电网在直流故障后的自主稳定运行； 另 一方面，现有控制系统各自为政，在频率和电压控制环节上耦合较严重，难以实现暂态电压和系统频 率支撑和快速精准控制。 光状 送媒楼澄站 湖南电网 2022 年 5 月 26 日 15:43 分，陕武直流闭锁，损失功率 232 万千瓦，主网频率升至 50.11Hz, 切除陕西新能源 24 万干瓦；具不完全统计， 2022 年发生的直流单极闭 锁 12 次，换相失败 10 次，直流功率速降或异常波动 2 次，背靠背 N-M 闭锁、背靠 电网控制 火电控制 光伏控制 风电控制 储能控制 4000MW 风电 火电机组 2600Mw 光 状 风光储能源基地应该依靠构网型储能具 备解列后孤网自主运行能力 1 3 0 0 万 千 瓦 风 光 储 能 源 基 地 330KVHB 站 双高特征易引发直流输电系统换相失败 或直流闭锁故障 宁 夏 电 源 汇 集 送 出 湖 南 负 荷 爱 入 750kV 沙坡头厂集站 登结换流站 分钟级有功 / 无功控 制 百毫秒安全稳定控制 新能源 AGC/AVC 多类型储能协调控制 国 家 能 源 集 团 CHN ENERGY 控制系统 分析 背换流单元全停、直流双极闭锁各 1 次。 控粉 控 制 无 功 控 制 断面 控制 计划 跟 踪 直 流 输 电 甘塘 - 沙坡头区块存在新能源多场站短路比不足、暂态过电压越限等问题。现有方案考虑在基地装设 24 台调 相 机 ，然而，上述方案未考虑非同步电源的短路比，且调相机年运行和投资成本较高，存在经济性差的问题。 甘塘 - 沙坡头区块 新能源接入方案 · 中卫沙漠光伏 6000MW · 中宁风电 228MW 调相机配置要求 · 装 设 24 台 5 0Mvar 调相机 调相机单台有功功率 50MW, 自损耗电 1.2%, 运行时长 24h, 下网电价 0.486 元 /kwh, 单台调相机折算平均运行成本 10000 元 / 天 / 台 ( 电费 + 运维费用 ) 24 台设备造价合计 108000 万元 24 台设备运行费用合计 8760 万 亟需开展构网型储能与调 相机优化配置研究，部 分 替代 24 台调相机。 一、项目背景及研究必要性——问题 3 国家能源集团 CHN ENERGY 为了提升“沙戈荒”新能源多场站短路比及“宁湘直流”新能源外送能力，亟需探索支撑效果等同 / 超越调相 机的 构网型技术。储能可基本实现全容量 SOC 下的构网控制，是构网技术的最佳载体，而风电构网存在多电压 源 并列运行的稳定性问题、光伏夜间无法构网，均存在一定的局限性。 水火电机组 同步调相机 其他同步机组 惯量维持内电势 风电：少量风机旋转势能 ( 惯量 ) 、场内、场外多电压同 步 稳定； 光伏；微量的电容储能，只能降功率不能增功率； + 储能：储能容量大，可瞬间自然释放。 以 构 网 储 能 为 核 心 的 源 网 荷 储 一 体 化 解 决 方 案 在 额 济 纳 成 功 投 运 ， 世 界 上 首 次 验 证 了 广 域 大 网 架 纯 新 能 源 黑 启 动 、 全 域 离 网 中 长 期 运 行 和 人 工 短 路 故 障 穿 越 ， 为 新 能 源 大 规 模 消 纳 奠 定 了 核 心 技 术 基 础 。 能量来自直流侧 能量来自机械旋转势能 电力电子控制 建立电压 构网技术 一、项目背景及研究必要性——构网技术 二三电平脉宽调制 (PWM) 模块化多电平 (MMC) 国家能源集团 CHN ENERGY - 一 . 技术验证 4 设备支撑 电磁暂态仿真平台 · 搭建构网型设备并网性能测试平台和多能互补电磁暂态仿真平台 仿真校核 5 新能源基地工程示范 · 建立“沙戈荒”新能源基地多能互补快速支撑电网暂态频率电压工程示范 2 基于构网型储能的新 能 源基地稳定控制与 协调 运行技术 电压稳定风险评估 自适应无功协同控制 源侧电网主动支撑控制 基于构网型储能的新能 源基地暂态频率电压支 撑能力评估及提升技术 · 暂态支撑能力评估 · 储能控制参数优化 · 最优协调紧急控制 基于构网型储能的暂 / 稳态电网主动支撑系统 设计与控制技术 · 仿真模型研究 · 多元协调控制 · 涉 网 控 制 二、研究内容及目标 系统设计 协同控制 运行特性 优化配置 国家能源集团 CHN ENERGY 技术支 撑 01 | 开发基于构网型储能的快速支撑电网暂态电压频率关键技术 0 2 | 建立满足大电网安全稳定控制需求的构网型储能机电暂态仿真模 型 03 | 搭建并网性能测试平台和多能互补电磁暂态仿真平台 04 | 建立“沙戈荒”新能源基地协调优化控制系统 05 | 研究基于构网型储能的“沙戈荒”新能源基地设备及参数优化 06 | 完成构网型储能工程示范 总体目标 目标分解 技术效果 建 成全国首个 源侧新型电力系 统综合能源基地 示范工程，提升 “宁湘直流”新 能 源外送能力及 大 基地自运行能 力 先进性 可靠性 友好性 安全性 稳定性 、研究内容及目 标 国家能源集团 CHN ENERGY 预期目标： 技术指标 仿真测试平台达到微秒级 暂态故障的仿真测试与故 障采集，实现 3000 节点系 统的数字 - 物理混合系统 仿真与实测 运行优化方案可自主计算 百兆瓦级储能电站发电曲 线、备用容量 成功建设 10 万千瓦构网型储能电站示范工程。 · 基于构网型储能的新能源场站并网点短路比提升至 2.0, 机端 短路比至 1.5; · 构网储能暂态过流能力达到额定电流 3 倍，系统稳态与暂态均 实现电压源特性； · 系统频率响应较传统跟网型控制频率变化率降低 20% 以上， 惯量时间常数可实现百毫秒到秒级的全覆盖。 · 故障情况下新能源发电单元机端工频过电压水平不超过 1.3 标幺值。 知 识 产 权 指 标 完成 5 项发明专利受理，录用或发表 5 篇论 文 二、研究内容及目标 国家能源集团 CHN ENERGY 考核指标： 指南内容 项目研究内容 响应情况 提出面向风光电站支撑电网暂态电 压频率的构网型储能系统配置与支 撑能力评估方法； 课题 3: 研究基于构网型储能的“沙戈荒”新能源基地快 速支撑电网暂态频率电压能力评估方法、储能系统及参数 优化配置方案 响应 研究面向风光电站主动支撑的构网 型储能系统设计与主动控制技术； 课题 1: 研究暂 / 稳态均具备短路容量、惯量、频率、电 压 支撑能力的构网型储能系统设计与控制技术 响应 规模化主动支撑型风光储电站电磁 暂态仿真平台技术与稳定性分析； 课题 2: 研究基于构网型储能的“沙戈荒”新能源基地稳 定 控制技术及协调运行技术 响应 电站与构网设备惯量阻尼测试技术 开发与平台搭建； 课题 4: 搭建构网设备惯量、阻尼等并网性能测试平台和 多能互补电磁暂态仿真平台 响应 风光储电站快速支撑电网暂态频率 电压技术示范。 课题 5:“ 沙戈荒”新能源基地多能互补快速支撑电网暂 态频率电压工程示范 响应 三、指南响应情况 国家能源集团 CHN ENERGY ( 一 ) 研究内 容 指南考核指标 ( 参考指标 ) 项目考核指标 ( 参考指标 ) 响应情况 基于构网型储能的新能源场站并网点短路比提升至 2.0, 机端短路比至 1.5 课题 1: 基于构网型储能的新能源场站并网点短路比 提 升至 2.0, 机端短路比至 1.5 响应 机端暂态过流能力达到额定电流 3 倍，系统稳态 与 暂态均实现电压源特性，暂态电压响应时间十毫秒 级，无功调节能力不低于系统容量的 150% 课题 1: 机端暂态过流能力达到额定电流 3 倍，系统 稳态与暂态均实现电压源特性，暂态电压响应时间十 毫秒级，无功调节能力不低于系统容量的 150% 响应 惯量时间常数可实现百毫秒到秒级的全覆盖 课题 2: 惯量时间常数可实现百毫秒到秒级的全覆盖 响应 故障情况下新能源发电单元机端工频过电压水平不 超过 1.3 标幺值 课题 2: 故障情况下新能源发电单元机端工频过电压 水 平不超过 1.3 标幺值 响应 仿真测试平台达到微秒级暂态故障的仿真测试与故 障采集，实现 2000 节点系统的数字 - 物理混合 系 统仿真与实测 课题 4: 仿真测试平台达到微秒级暂态故障的仿真测 试 与故障采集，实现 3000 节点系统的数字 - 物理混 合 系统仿真与实测 响应 示范系统构网型储能装机容量不低于 100MW 课题 5: 示范系统构网型储能装机容量不低于 100MW 响应 ( 二 ) 考核指标 ( 参考指 标 ) 三、指南响应情况 国家能源集团 CHN ENERGY 02 稳定控制技术和协调控制技术 提出基于构网型储能的新能源基地稳定控 制技术和协调控制技术，充分协调风光储多 类型电源，并 / 离网稳定高效运行，提高新 能源基地运行灵活性，提高电能利用率 04 构网型储能设备和参数优化方法 提出面向电网暂态电压频率快速支撑的构 网型储能控制参数优化方法，解决现有控制 参数优化方法在暂态电压频率快速支撑场景 下适应性不足的问题 01 构网型储能系统设计与控制技术 提出适用于“沙戈荒”新能源基地的构网 型 储能系统设计与控制技术，兼顾同步惯量 支撑、一次调频和快速调压等功能，明确涉 网控制保护特性参数要求 03 暂态电压频率支撑能力评估方法 提出基于构网型储能的新能源基地快速 支撑电网暂态频率电压能力评估方法，并明 确基于构网型储能的暂态频率电压支撑能力 量化评估指标 国家能源集团 CHN ENERGY 四、创新点 课 题 5 : “ 沙 戈 荒 ” 新 能 源 基 地 多 能 互 补 快 速 支 撑 电 网 暂 态 频 率 电 压 工 程 示 范 示范工程方案研究 主动支撑应用示范 宁湘直流外送场景的应用效果评估 频率电压风险评估模型 无功裕度评估与主动控制 新能源快速跟踪与源网友好调度 课题 3: 基于构网型储能的新能源基地暂态频率电压支撑能力评估及提升技术 量化 理论 系统 设计 协调 控制 技术 验证 应用 示范 课题 2: 基于构网型储能的新能源基地稳定 控 制与协调运行技术 课题 1: 基于构网型储能的暂 / 稳态电网主 动 支撑系统设计与控制技术 基于构网型储能的“沙戈荒”新能源基地快速支撑电网暂态频率电压关键技术研究 课题 4: 构网设备惯量、阻尼等并网性能测试平台和多能互补电磁暂态仿真平台搭建 规划应用和技术要求， 构网型储能规划及涉网控制保护技术 指标， 大型新能源基地多类型可控资源控制 参数优化及协同控制 厂级分层递 阶控制方法 调频调峰 能力评估 体系 构网型储能需求分析 机电皙态模型性能验证 支撑， 面向“宁湘直流”外送能力提 升的构网型储能优化配置 构网型储能半实物仿真平台搭建 构网储能暂态响应特性研究验证 国家能源集团 CHN ENERGY 五、实施方案 储能系统基本性能和并 网性能测试平台搭建 构网型储能接 入系统多元协 调控制策略 皙态频率电压支撑 能力评估 模 型 支掉 ■ 构建安全稳定分析模型，评估应用场景及应用需求； ■ 构建构网型储能机电暂态仿真模型，开展性能验证。 ■ 构建构网型储能支撑系统小信号分析模型，进行系 统稳定性影响评估及控制参数优化； ■ 提出构网型储能接入后与新能源、直流的协调控制 策略，实现多时间尺度的多元协调优化 ■ 提 出构网型储能系统原则与方法，开展系统设计， 达到 3 倍暂态过流能力； 提升多场站短路比：并网点至 2.0, 机端至 1.5 。 ■ 提出适用于“沙戈荒”新能源基地的构网型储能系统设计与控制技术 PCC Z 功率同步 Vpa 惯量和系统强度支撑 电压源特性 仿真模型研究 多元协调控制 规划及涉网控制 勇型算例 构建构网型储能接入“沙戈荒”新能源基地典型模型 模型支撑 构 网 型 储 能 接 入 系 统 多 元 协 调 控 制 策 酪 研 究 规划应用和技术要求 构 网 型 储 能 规 划 及 涉 网 控 制 保 护 技 术 要 求 配置原则与方法 控制参数 新能源基地模型 静态分析 暂态计算 应用场景、需求 构网型储能模型 沙戈荒应用效果验证 技术路线： ( 研究内容 1- 暂 / 稳态构网储能系统设计与控 制 ) 短路容量 转动惯量 支 撑 支 撑 保护参数 国家能源集团 CHN ENERGY 构 网 型 储 能 需 求 分 析 及 接 入 “ 沙 戈 荒 ” 新 能 源 基 地 模 型 研 究 五、实施方案 新 能源 特高压直流 小信号分析模型 暂 / 稳 态支撑 阻尼特 性 构网型、 GF M 袋 。 制 数 控 参 能源基地安全稳定控制 ( 暂态、频率，电压稳定 ) 主站 频率电压累急控制主站 安全稳定控制系统 颜率 直流快进 光状 调节子站 子站 子站典行站 子站执行站 新能源快速 控制与保护装 执行单元 ■ 研发整组动作时间不大于 100ms 的能源基地安全稳定控制系 统 棉网型整 直流输电 直流系统 源网友好互动调应系统 风力发电 ■ 建 立频率电压风险评估模型，在线识别、溯源预警； ■ 构建无功裕度评估与主动控制在线安全分析系统。 ■ 基于线路阻抗特征，提出一种自适应无功控制策略， 解决直流发生闭锁故障后的暂态电压突变问题； ■ 研究多机构网无缝切换与频率电压支撑技术，实现 直流故障下送端电网短时自主运行。 ■ 基于调频 / 调压控制目标，研究多场站广域有功 / 无 功快速柔性精准控制，降低直流故障后的切机量。 电压稳定风险评估 多机自适应无功 协 同 控 制 广域基地电网多能 互补快速 柔性控制 技术路线： ( 研究内容 2- 新能源基地稳定控制与协调运 行 ) 国家能源集团 CHN ENERGY 五、实施方案 基于构网型储能的纯新能源电力系统离网长期运行曲线 储能快速功率 控制与保护装 分类控制 子站执行站 厂 站 端 各 发 电 单 元 安全稳