首個負(fù)荷虛擬同步充電樁試運行成功

前言：負(fù)荷虛擬同步技術(shù)應(yīng)用于電動汽車充電樁時，還可幫助解決充電汽車大規(guī)模接入引發(fā)的供電能力不足、電壓波動大、無功不平衡、系統(tǒng)慣量不夠等問題。具備虛擬同步機特性的汽車充電樁預(yù)期可實現(xiàn)的主要功能改進(jìn)有：充電樁接受電網(wǎng)的控制，能夠按照電網(wǎng)下達(dá)的負(fù)荷曲用電，適應(yīng)大負(fù)荷下電網(wǎng)的集中控制和有序用電；可發(fā)揮汽車蓄電池的儲能作用，具備雙向傳輸電能功能；具備無功、電壓的自主調(diào)節(jié)功能，參與解決配電網(wǎng)易發(fā)生的電壓波動問題。

近日，我國首個具備負(fù)荷虛擬同步功能的充電樁在江蘇泰州試運行成功，標(biāo)志著負(fù)荷虛擬同步機技術(shù)已初步達(dá)到工程化應(yīng)用水平。該技術(shù)能促進(jìn)負(fù)荷與電網(wǎng)充分有效互動，助力改善電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性和系統(tǒng)安全性。目前，“負(fù)荷虛擬同步機在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究”已列為國家電網(wǎng)有限公司重點科技項目。

近日，在中國泰州醫(yī)藥城公交汽車充電站，江蘇泰州供電公司工作人員正將電動汽車接入具備負(fù)荷虛擬同步功能的充電樁，并選擇在虛擬同步模式下充電，隨即進(jìn)入正常充電狀態(tài)。

通過儀表值可以看出，與傳統(tǒng)充電樁相比，新型充電樁的無功功率會隨電壓波動變化。對此，泰州供電公司配電運行工程師蔣中軍介紹：“這種無功功率隨電壓波動自主調(diào)整，就是自動保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，也就是負(fù)荷虛擬同步功能成功實現(xiàn)的具體體現(xiàn)。”

適應(yīng)電網(wǎng)功能形態(tài)的轉(zhuǎn)變趨勢

2017年，±800千伏錫盟�C泰州特高壓直流輸電工程投運，為江蘇提供了新的強大電力支撐。特高壓技術(shù)的發(fā)展有效解決了大功率、遠(yuǎn)距離輸電的難題，讓負(fù)荷中心的用電需求得到滿足，用電可靠性進(jìn)一步增強。與此同時，大容量電能一路跋山涉水而來，也帶來了供電保障方面的新挑戰(zhàn)。比如，特高壓輸電線路一旦發(fā)生故障，將會引起受端電網(wǎng)短時間內(nèi)供電不足，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大的挑戰(zhàn)，也提出了更高的要求。

據(jù)專家介紹，當(dāng)前我國電網(wǎng)已經(jīng)成為多種類型能源匯集的平臺，電網(wǎng)功能形態(tài)正向著發(fā)電更靈活、輸配電更彈性、負(fù)荷更具互動性和活躍性的方向發(fā)展，不僅對清潔能源、可控負(fù)荷的靈活接入技術(shù)要求不斷提高，而且僅從輸電線路一側(cè)解決系統(tǒng)穩(wěn)定的問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，電源端和負(fù)荷端都應(yīng)擔(dān)負(fù)起維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的責(zé)任。面對這些趨勢，加快適應(yīng)新需求的技術(shù)研究迫在眉睫。負(fù)荷虛擬同步技術(shù)裝置在泰州掛網(wǎng)運行，就是諸多研究中的一種新嘗試。

該裝置依據(jù)的原理是，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的同步發(fā)電機和電動機（用電器），都能在電網(wǎng)電壓、頻率、有功、無功異常情況下做出相應(yīng)的響應(yīng)，以應(yīng)對電網(wǎng)的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行。也就是說，傳統(tǒng)同步發(fā)電機、電動機（用電器）與電網(wǎng)之間存在一個“同步”融合機制。對充電樁、空調(diào)等可控的電力電子用電設(shè)備用電策略進(jìn)行優(yōu)化，以虛擬出類似同步電機的“同步”機制，可控設(shè)備的用電負(fù)荷中也具有了同步機組并網(wǎng)運行時的慣性、阻尼特性、有功調(diào)頻、無功調(diào)壓等特性，進(jìn)而找到以負(fù)荷與電網(wǎng)充分有效互動，改善電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性和系統(tǒng)安全性的策略資源。

為此，依托國家電網(wǎng)有限公司“負(fù)荷虛擬同步機在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究”科技項目，承擔(dān)相應(yīng)科技項目的泰州供電公司聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、南瑞集團(tuán)有限公司、許繼集團(tuán)有限公司、東南大學(xué)等國內(nèi)一流科研單位和高等院校，共同研制出了負(fù)荷虛擬同步技術(shù)裝置，并成功在電動汽車充電樁上接入電網(wǎng)運行。

實現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)和智慧互動

在今夏高溫下接入泰州電網(wǎng)的首批虛擬同步裝置，容量為480千瓦。

“這是在大量實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行的產(chǎn)品掛網(wǎng)。”蔣中軍介紹，該負(fù)荷虛擬同步技術(shù)裝置無需通信和集中控制的支撐。它通過在充電樁、空調(diào)等可控的電力電子用電設(shè)備上應(yīng)用負(fù)荷虛擬同步技術(shù)，實現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)和智慧互動。即通過用電設(shè)備加裝的電流互感器、電壓互感器等電網(wǎng)信息收集系統(tǒng)收集實時批量信息，進(jìn)行計算并與標(biāo)準(zhǔn)值“對標(biāo)”。當(dāng)?shù)貐^(qū)負(fù)荷出現(xiàn)電壓暫降、頻率突變等異常情況時，應(yīng)用了負(fù)荷虛擬技術(shù)的空調(diào)、汽車充電樁等設(shè)備可自主感知電力系統(tǒng)頻率、電壓等運行參數(shù)，自動快速響應(yīng)，以最大20%的幅度減量用電，主動為電網(wǎng)穩(wěn)定運行作貢獻(xiàn)。同時，因短時間減量，空調(diào)、充電樁的使用客戶基本不會有感覺。

首批虛擬同步裝置掛網(wǎng)結(jié)果表明，作為構(gòu)建“源�C網(wǎng)�C荷”集成優(yōu)化系統(tǒng)和自主電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，掛網(wǎng)運行取得了快速跟蹤技術(shù)新的突破，虛擬同步裝置的啟動時間大大縮減。同時，新的用電策略中的電磁暫態(tài)方程科學(xué)化也取得了新的突破。這兩個突破保證了在役電力電子設(shè)備快速跟蹤和自動減用目標(biāo)的成功實現(xiàn)。

目前，“負(fù)荷虛擬同步機在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究”已被列為公司重點科技項目。

該項目將通過建設(shè)以電動汽車充電樁（站）、變頻電機、空調(diào)、LED照明、計算機服務(wù)器等為代表的多元化負(fù)荷虛擬同步機標(biāo)準(zhǔn)接口示范工程，實現(xiàn)用電負(fù)荷對電網(wǎng)的靈動感知和智慧響應(yīng)，降低負(fù)荷在電壓暫降、頻率突變等異常情況出現(xiàn)時對電網(wǎng)帶來的沖擊，為促進(jìn)“源�C網(wǎng)�C荷”友好互動，促進(jìn)負(fù)荷虛擬同步機技術(shù)在多元負(fù)荷中大規(guī)模推廣應(yīng)用，探索涵蓋需求側(cè)管理和節(jié)能服務(wù)的電網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)整合商業(yè)運營模式等提供技術(shù)支撐。

規(guī)模應(yīng)用可支撐新能源大量接入條件下的電網(wǎng)安全

今夏，江蘇電網(wǎng)調(diào)度最高用電負(fù)荷達(dá)10262.9萬千瓦。其中，約4100萬千瓦為空調(diào)負(fù)荷，空調(diào)負(fù)荷約占最高負(fù)荷的40%。

“如果在空調(diào)上普及應(yīng)用負(fù)荷虛擬同步技術(shù)，按平均發(fā)揮10%作用算，可達(dá)410萬千瓦容量。按目前電網(wǎng)運行有一定容量的發(fā)電機組在網(wǎng)旋轉(zhuǎn)，以備電網(wǎng)突出負(fù)荷變動時隨時投入電網(wǎng)發(fā)電的旋轉(zhuǎn)備用的必須算，如果應(yīng)用負(fù)荷虛擬同步技術(shù)的410萬千瓦容量空調(diào)隨電網(wǎng)需要而動，電網(wǎng)系統(tǒng)就可以減少發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)備用容量410萬千瓦，相當(dāng)于配置了能隨時啟動4臺100萬千瓦大型電廠備用。”泰州供電公司副總工程師賈俊介紹，“在企業(yè)和居民生活中，大功率掛網(wǎng)運行的設(shè)備中，用電呈快速發(fā)展趨勢的還有電動汽車充電樁。”

按照近日中關(guān)村創(chuàng)藍(lán)清潔空氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在京發(fā)布的《2030清潔空氣市場展望報告》，到2030年，我國新能源乘用車銷量將突破1300萬輛，新能源乘用車保有量接近7000萬輛。新能源汽車的銷售比例2030年要達(dá)到40%以上。新能源汽車要逐步成為市場主流，汽車產(chǎn)業(yè)初步實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型。充電服務(wù)對應(yīng)的市場空間預(yù)計為5100億元。采用虛擬同步技術(shù)的電動汽車充電樁，可挖掘容量更為巨大，并且應(yīng)用前景廣闊。

因此，國網(wǎng)科技部對這一技術(shù)應(yīng)用項目高度重視，將其作為2030年前充電汽車大規(guī)模應(yīng)用給電網(wǎng)帶來影響的應(yīng)對措施。國網(wǎng)科技部組織了中期推進(jìn)會，督導(dǎo)項目進(jìn)展。目前，該項目已列入公司2018年十大創(chuàng)新范工程之一，計劃于年底前完成。

研究成果還表明，負(fù)荷虛擬同步技術(shù)應(yīng)用于電動汽車充電樁時，還可幫助解決充電汽車大規(guī)模接入引發(fā)的供電能力不足、電壓波動大、無功不平衡、系統(tǒng)慣量不夠等問題。具備虛擬同步機特性的汽車充電樁預(yù)期可實現(xiàn)的主要功能改進(jìn)有：充電樁接受電網(wǎng)的控制，能夠按照電網(wǎng)下達(dá)的負(fù)荷曲用電，適應(yīng)大負(fù)荷下電網(wǎng)的集中控制和有序用電；可發(fā)揮汽車蓄電池的儲能作用，具備雙向傳輸電能功能；具備無功、電壓的自主調(diào)節(jié)功能，參與解決配電網(wǎng)易發(fā)生的電壓波動問題。

中國電科院的呂志鵬博士介紹，目前中國電科院等正將這一技術(shù)應(yīng)用起草為相關(guān)電氣設(shè)備生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而推動其進(jìn)入國家相關(guān)電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。在電氣設(shè)備上應(yīng)用虛擬同步技術(shù)，可為電網(wǎng)短時間缺電提供調(diào)節(jié)備用，而該技術(shù)的自主跟蹤視情自動減量用電技術(shù)的應(yīng)用，不但是特高壓電網(wǎng)時代電網(wǎng)安全的一個重要支撐，對間隙性特征明顯的新能源大量接入條件下的電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運行也具有重要意義。