阳光电源发布干细胞电网技术，直指新型电力系统发展核心 | 数智焦点
文 |张丞
编辑 |石亚琼
封面来源｜Pexels
2023年3月31日，阳光电源在“PAT2023爱光伏一生一世”先进技术研讨会上发布了《阳光电源干细胞电网技术白皮书》。阳光电源光储集团副总裁徐清清首次公开介绍了推出干细胞电网技术的缘由及其技术核心功能和价值。
今年国内大型独立储能电站、分布式微电网的发展将呈现加速趋势，构网型技术将成为一种刚需。阳光电源此时推出干细胞电网技术，无论是在安全性还是在未来储能的经济性方面都将提升产品的吸引力，有利于其变流器和储能系统等核心业务的进一步拓展。
阳光电源干细胞电网技术是以构网型技术为核心基础的电网技术，可以为高比例新能源接入、高比例电子电力设备、高比例特高压直流输电的“三高”新型电力系统注入稳定性。
新型电力系统由于受到新能源发电不确定性强、现有变流器无法提供主动支撑、极端天气诱发等方面的影响，电网运行的安全稳定受到很大挑战。电力系统会产生电压、频率不稳定，电网系统惯量减少、易产生振荡等现象。
图片来源：阳光电源发布会
为了解决新型电力系统平稳运行的问题，保障大量新能源并网消纳的同时提高电网的稳定性，避免发生大规模区域停电事件，阳光电源在自身储能系统、变流器及其控制技术储备基础上推出“干细胞电网技术”。
干细胞电网技术的核心是构网型变流器及其控制技术。当前主流的跟网型变流器技术无法提供与大型旋转同步发电机相当的惯量以及负载稳定性。跟网型变流器无法主动调节自身状态，只能跟随并依赖于电网提供的稳定电压和频率才能将新能源并入电网。变流器数量比例的上升将导致电力系统稳定性和抗干扰能力的下降。
而构网型技术使得变流器自身就具备主动调节能力，通过模拟同步发电机的特性为电网注入强度和惯量。搭载构网型技术的储能系统就能如同人体内的干细胞可以主动对人体组织进行修复、净化和造血一样，在消纳并网新能源的基础上，主动产生频率和电压，快速响应电网频率变化，为整个电网的稳定性起到关键支撑作用。
一、基于构网型技术，干细胞电网技术可提供微秒级电压构建和毫秒级惯量支撑
过去我们国家电力系统的稳定性都是依托同步发电机来提供的。交流电网的核心基础是依靠同步发电机来提供稳定的电压，并通过同步发电机产生的机械惯量参与电网频率和电压的调节，维持电网稳定，保障供电质量。
构网型变流器可以通过虚拟同步控制技术来建立稳定的频率和电压。构网型变流器通过严密的软件控制模拟同步发电机组的物理特性，内部设定电压参考信号，通过调节输出的有功与无功功率，从而控制变流器输出的电压和频率，增强电力系统稳定性。
惯量是衡量电网稳定性的重要量化指标。通过虚拟同步控制技术这种软件控制策略所形成的惯量被称为虚拟惯量。虚拟同步机控制技术中的虚拟惯性参数可自适应调整，响应速度更快，频率响应速度甚至快于同步发电机。
阳光电源利用这一技术特性，可以实现小于5毫秒的系统惯量响应，快速输出功率，响应电网频率变化。
图片来源：阳光电源发布会
在高比例新能源的新型电力系统中，基于虚拟同步控制技术，储能系统可以模拟同步发电机特性，在正常运行时表现为低阻抗电压源，可提高电力系统稳定性。可以看到下图中电压源模式下电压波动幅度更小，电压调节效果更好。
图片来源：阳光电源干细胞电网技术白皮书
在不影响有功调度的情况下，阳光电源可以实现电压的暂态波动小于2%，稳态波动为0。
具备构网型技术的储能系统能够更好地实现瞬时响应，暂态控制（电网状态变化过程中的控制）和稳态控制（电网稳定状态下的控制），参与调频、调峰、惯量响应等电力辅助服务市场的能力更强。在电力交易市场化的进程中，未来基于构网型变流器的储能电站能够赚取的电力辅助服务收益也就更为可观。
基于构网型技术的干细胞电网技术还可以应用于GW级别的黑启动场景。通过多台变流器同步启动控制技术、动态下垂均流控制、并离网快速切换、分区异步组网等多项控制技术，储能系统可以实现零电压构网，协同多机同时零电压起步、励磁主变等功能。
由于在不同运行环境下，新能源类型、新能源比例、储能容量和种类、新能源并网位置、并网位置的气象条件、电网强度等方面都存在不同程度的差异，所以对构网型控制技术的具体要求也不尽相同。可以看到阳光电源在针对不同运行环境下如黑启动场景，开发出了更加富有针对性的控制策略。
此外，阳光电源还将电流源和电压源（跟网型和构网型）两类技术结合起来，开发出了虚拟双源叠控技术，使变流器和储能系统能够动态发挥两类技术的优势，更好地支撑新型电力系统运行。
二、干细胞电网技术应对故障穿越和稳定性的挑战
当电网发生短路故障时，构网型储能变流器需要做到限流保护，以便支撑储能系统保持并网状态，向电网提供无功功率，调节电网电压，支持电网恢复并“穿越”故障区域。
图片来源：阳光电源发布会
阳光电源在这方面采用了动态虚拟阻抗控制的限流方法。当系统短路或过载，PCS产生过电流之后将自动切换为虚拟阻抗自适应模式，通过模拟限流器的电阻和电感作用，自动调节虚拟阻抗值，降低端电压幅值以实现限流。PCS能实时参与构建电网电压，自动输出无功，平稳完成连续电网电压故障穿越。
快速检测技术、实时正负序解耦算法和动态虚拟阻抗控制共同组成了阳光电源增强型连续高低穿技术，有助于故障穿越能力的提高。
随着新型电力系统的发展，构网型变流器将逐渐成为舞台上的主角，取代同步发电机的地位。但是构网型变流器在不同电网强度、不同电网扰动形式下会产生不同程度的稳定性变化，会发生低频振荡、次同步振荡、工频振荡、高频/谐波振荡等失去稳定性的风险。
图 多层次宽频振荡抑制技术 来源：阳光电源发布会
这就对基于构网型技术的储能系统的调节能力提出了更高的要求。在应对此问题方面，可以看到阳光电源是从检测、分析和抑制策略三方面入手，研发了快速时域算法、频域分析算法和自适应宽频振荡抑制技术。
基于高性能数字控制器的公共连接点（PCC）电压、电流快速频域/时域谐振分析，通过多维度宽频振荡的智能感知，提取关键特征信息识别振荡，利用电压源构网技术，重塑并网阻抗，将容易导致振荡的设备输出阻抗特性重塑为不易导致振荡的阻抗特性，达到快速抑制振荡的效果，稳定电网。
图 储能采用电压源抑制宽频振荡效果 来源：阳光电源干细胞电网技术白皮书
这其中的频域分析方法具体是采用了特征分析法和阻抗分析法、亦或是基于电磁-机电的数值仿真方法，阳光电源并没有详细展开。
不过从发布会徐清清副总裁演讲的后半部分中强调了阳光电源在系统级仿真的自主研发能力来看，这里很有可能采用了数值仿真方法，因为电子电力设备的动作速度非常快，需要兼顾数值稳定性、模型精度及仿真效率的实时仿真方法。
图片来源：阳光电源发布会
振荡抑制控制方法方面，现有的三大类控制策略即优化控制参数、附加控制方法和替换原有控制，在自适应性上还存在不足。阳光电源提到的阻抗重塑属于附加控制方法中的一种，其自适应性特点是否源自加入了AI相关的技术尚不得知，36氪将会持续跟进阳光电源后续的更多披露。
尾声
总体来看，阳光电源对构网型技术有着系统性的规划和布局。核心是运用构网型控制技术来应对接下来电网稳定性的挑战，其次是在电力交易市场化后，应用该技术提供更优质的辅助服务来提升储能的经济性，进一步推动储能的发展。阳光电源已经将该项技术运用在西藏、湖北、北美等多地储能项目中。
阳光电源所取的干细胞电网技术这个名字蕴含着对构网型技术的比喻，也非常符合这一技术对电网支撑作用的特点。
干细胞电网技术将进一步提升阳光电源PowerTitan大型储能系统、PowerStack分布式储能系统产品的性能，为阳光电源储能业务发展提供推动力。
图片来源：阳光电源发布会
近年来，阳光电源在储能领域动作频频，覆盖大型储能和户用储能多个细分市场，储能系统集成方面的市场占有率也名列前茅。根据CNESA数据统计，阳光电源在中国储能系统集成商 2021 年度海外市场储能系统出货量排名第一，超过2000MWh。2021年中国新增投运的新型储能项目中储能系统集成装机规模和国内储能系统出货量均名列第四。
随着可再生能源渗透率的持续提升，为了解决新能源消纳问题，储能系统走向了产业发展的前沿。而高比例新能源和储能系统可能带来的稳定性风险，则需要新一代的构网型并网技术来解决，使得新能源及储能从适应电网到支撑电网，再到构建电网阶段迈进。
未来新能源的发展离不开参与电网频率、电压、惯量调节的主动支撑控制、自同步控制、宽频带振荡抑制等关键技术的突破，这也是《“十四五”能源领域科技创新规划》中提到的重要能源科技创新技术。
国际知名储能系统集成商和变流器企业如Fluence、Tesla、SMA等等也都在积极布局构网型技术，国内推广该类技术的还有南瑞继保等公司，都在为高比例新能源和高比例电子电力设备的新型电力系统的到来做好前沿技术的储备和先行应用。
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数智前瞻·能源 | 谁是下一代智能电网的首席执行官？（上）
参考资料：
1.阳光电源先进技术研讨会
2.阳光电源干细胞电网技术白皮书
3. 数智前瞻能源|谁是下一代智能电网的首席执行官？
4. 詹长江,吴恒,王雄飞,田杰,王新宝,卢宇.构网型变流器稳定性研究综述[J].中国电机工程学报,2023,43(06):2339-2359
5. 马宁宁,谢小荣,贺静波,王衡.高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究综述[J].中国电机工程学报,2020,40(15):4720-4732
6. 许诘翊,刘威,刘树,常富杰,谢小荣.电力系统变流器构网控制技术的现状与发展趋势[J].电网技术,2022,46(09):3586-3595.
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