文 |張丞
編輯 |石亞瓊
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2023年3月31日，陽光電源在“PAT2023愛光伏一生一世”先進技術研討會上發布了《陽光電源干細胞電網技術白皮書》。陽光電源光儲集團副總裁徐清清首次公開介紹了推出干細胞電網技術的緣由及其技術核心功能和價值。
今年國內大型獨立儲能電站、分布式微電網的發展將呈現加速趨勢，構網型技術將成為一種剛需。陽光電源此時推出干細胞電網技術，無論是在安全性還是在未來儲能的經濟性方面都將提升產品的吸引力，有利于其變流器和儲能系統等核心業務的進一步拓展。
陽光電源干細胞電網技術是以構網型技術為核心基礎的電網技術，可以為高比例新能源接入、高比例電子電力設備、高比例特高壓直流輸電的“三高”新型電力系統注入穩定性。
新型電力系統由于受到新能源發電不確定性強、現有變流器無法提供主動支撐、極端天氣誘發等方面的影響，電網運行的安全穩定受到很大挑戰。電力系統會產生電壓、頻率不穩定，電網系統慣量減少、易產生振蕩等現象。
圖片來源：陽光電源發布會
為了解決新型電力系統平穩運行的問題，保障大量新能源并網消納的同時提高電網的穩定性，避免發生大規模區域停電事件，陽光電源在自身儲能系統、變流器及其控制技術儲備基礎上推出“干細胞電網技術”。
干細胞電網技術的核心是構網型變流器及其控制技術。當前主流的跟網型變流器技術無法提供與大型旋轉同步發電機相當的慣量以及負載穩定性。跟網型變流器無法主動調節自身狀態，只能跟隨并依賴于電網提供的穩定電壓和頻率才能將新能源并入電網。變流器數量比例的上升將導致電力系統穩定性和抗干擾能力的下降。
而構網型技術使得變流器自身就具備主動調節能力，通過模擬同步發電機的特性為電網注入強度和慣量。搭載構網型技術的儲能系統就能如同人體內的干細胞可以主動對人體組織進行修復、凈化和造血一樣，在消納并網新能源的基礎上，主動產生頻率和電壓，快速響應電網頻率變化，為整個電網的穩定性起到關鍵支撐作用。
一、基于構網型技術，干細胞電網技術可提供微秒級電壓構建和毫秒級慣量支撐
過去我們國家電力系統的穩定性都是依托同步發電機來提供的。交流電網的核心基礎是依靠同步發電機來提供穩定的電壓，并通過同步發電機產生的機械慣量參與電網頻率和電壓的調節，維持電網穩定，保障供電質量。
構網型變流器可以通過虛擬同步控制技術來建立穩定的頻率和電壓。構網型變流器通過嚴密的軟件控制模擬同步發電機組的物理特性，內部設定電壓參考信號，通過調節輸出的有功與無功功率，從而控制變流器輸出的電壓和頻率，增強電力系統穩定性。
慣量是衡量電網穩定性的重要量化指標。通過虛擬同步控制技術這種軟件控制策略所形成的慣量被稱為虛擬慣量。虛擬同步機控制技術中的虛擬慣性參數可自適應調整，響應速度更快，頻率響應速度甚至快于同步發電機。
陽光電源利用這一技術特性，可以實現小于5毫秒的系統慣量響應，快速輸出功率，響應電網頻率變化。
圖片來源：陽光電源發布會
在高比例新能源的新型電力系統中，基于虛擬同步控制技術，儲能系統可以模擬同步發電機特性，在正常運行時表現為低阻抗電壓源，可提高電力系統穩定性。可以看到下圖中電壓源模式下電壓波動幅度更小，電壓調節效果更好。
圖片來源：陽光電源干細胞電網技術白皮書
在不影響有功調度的情況下，陽光電源可以實現電壓的暫態波動小于2%，穩態波動為0。
具備構網型技術的儲能系統能夠更好地實現瞬時響應，暫態控制（電網狀態變化過程中的控制）和穩態控制（電網穩定狀態下的控制），參與調頻、調峰、慣量響應等電力輔助服務市場的能力更強。在電力交易市場化的進程中，未來基于構網型變流器的儲能電站能夠賺取的電力輔助服務收益也就更為可觀。
基于構網型技術的干細胞電網技術還可以應用于GW級別的黑啟動場景。通過多臺變流器同步啟動控制技術、動態下垂均流控制、并離網快速切換、分區異步組網等多項控制技術，儲能系統可以實現零電壓構網，協同多機同時零電壓起步、勵磁主變等功能。
由于在不同運行環境下，新能源類型、新能源比例、儲能容量和種類、新能源并網位置、并網位置的氣象條件、電網強度等方面都存在不同程度的差異，所以對構網型控制技術的具體要求也不盡相同。可以看到陽光電源在針對不同運行環境下如黑啟動場景，開發出了更加富有針對性的控制策略。
此外，陽光電源還將電流源和電壓源（跟網型和構網型）兩類技術結合起來，開發出了虛擬雙源疊控技術，使變流器和儲能系統能夠動態發揮兩類技術的優勢，更好地支撐新型電力系統運行。
二、干細胞電網技術應對故障穿越和穩定性的挑戰
當電網發生短路故障時，構網型儲能變流器需要做到限流保護，以便支撐儲能系統保持并網狀態，向電網提供無功功率，調節電網電壓，支持電網恢復并“穿越”故障區域。
圖片來源：陽光電源發布會
陽光電源在這方面采用了動態虛擬阻抗控制的限流方法。當系統短路或過載，PCS產生過電流之后將自動切換為虛擬阻抗自適應模式，通過模擬限流器的電阻和電感作用，自動調節虛擬阻抗值，降低端電壓幅值以實現限流。PCS能實時參與構建電網電壓，自動輸出無功，平穩完成連續電網電壓故障穿越。
快速檢測技術、實時正負序解耦算法和動態虛擬阻抗控制共同組成了陽光電源增強型連續高低穿技術，有助于故障穿越能力的提高。
隨著新型電力系統的發展，構網型變流器將逐漸成為舞臺上的主角，取代同步發電機的地位。但是構網型變流器在不同電網強度、不同電網擾動形式下會產生不同程度的穩定性變化，會發生低頻振蕩、次同步振蕩、工頻振蕩、高頻/諧波振蕩等失去穩定性的風險。
圖 多層次寬頻振蕩抑制技術 來源：陽光電源發布會
這就對基于構網型技術的儲能系統的調節能力提出了更高的要求。在應對此問題方面，可以看到陽光電源是從檢測、分析和抑制策略三方面入手，研發了快速時域算法、頻域分析算法和自適應寬頻振蕩抑制技術。
基于高性能數字控制器的公共連接點（PCC）電壓、電流快速頻域/時域諧振分析，通過多維度寬頻振蕩的智能感知，提取關鍵特征信息識別振蕩，利用電壓源構網技術，重塑并網阻抗，將容易導致振蕩的設備輸出阻抗特性重塑為不易導致振蕩的阻抗特性，達到快速抑制振蕩的效果，穩定電網。
圖 儲能采用電壓源抑制寬頻振蕩效果 來源：陽光電源干細胞電網技術白皮書
這其中的頻域分析方法具體是采用了特征分析法和阻抗分析法、亦或是基于電磁-機電的數值仿真方法，陽光電源并沒有詳細展開。
不過從發布會徐清清副總裁演講的后半部分中強調了陽光電源在系統級仿真的自主研發能力來看，這里很有可能采用了數值仿真方法，因為電子電力設備的動作速度非常快，需要兼顧數值穩定性、模型精度及仿真效率的實時仿真方法。
圖片來源：陽光電源發布會
振蕩抑制控制方法方面，現有的三大類控制策略即優化控制參數、附加控制方法和替換原有控制，在自適應性上還存在不足。陽光電源提到的阻抗重塑屬于附加控制方法中的一種，其自適應性特點是否源自加入了AI相關的技術尚不得知，36氪將會持續跟進陽光電源后續的更多披露。
尾聲
總體來看，陽光電源對構網型技術有著系統性的規劃和布局。核心是運用構網型控制技術來應對接下來電網穩定性的挑戰，其次是在電力交易市場化后，應用該技術提供更優質的輔助服務來提升儲能的經濟性，進一步推動儲能的發展。陽光電源已經將該項技術運用在西藏、湖北、北美等多地儲能項目中。
陽光電源所取的干細胞電網技術這個名字蘊含著對構網型技術的比喻，也非常符合這一技術對電網支撐作用的特點。
干細胞電網技術將進一步提升陽光電源PowerTitan大型儲能系統、PowerStack分布式儲能系統產品的性能，為陽光電源儲能業務發展提供推動力。
圖片來源：陽光電源發布會
近年來，陽光電源在儲能領域動作頻頻，覆蓋大型儲能和戶用儲能多個細分市場，儲能系統集成方面的市場占有率也名列前茅。根據CNESA數據統計，陽光電源在中國儲能系統集成商 2021 年度海外市場儲能系統出貨量排名第一，超過2000MWh。2021年中國新增投運的新型儲能項目中儲能系統集成裝機規模和國內儲能系統出貨量均名列第四。
隨著可再生能源滲透率的持續提升，為了解決新能源消納問題，儲能系統走向了產業發展的前沿。而高比例新能源和儲能系統可能帶來的穩定性風險，則需要新一代的構網型并網技術來解決，使得新能源及儲能從適應電網到支撐電網，再到構建電網階段邁進。
未來新能源的發展離不開參與電網頻率、電壓、慣量調節的主動支撐控制、自同步控制、寬頻帶振蕩抑制等關鍵技術的突破，這也是《“十四五”能源領域科技創新規劃》中提到的重要能源科技創新技術。
國際知名儲能系統集成商和變流器企業如Fluence、Tesla、SMA等等也都在積極布局構網型技術，國內推廣該類技術的還有南瑞繼保等公司，都在為高比例新能源和高比例電子電力設備的新型電力系統的到來做好前沿技術的儲備和先行應用。
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數智前瞻·能源 | 誰是下一代智能電網的首席執行官？（上）
參考資料：
1.陽光電源先進技術研討會
2.陽光電源干細胞電網技術白皮書
3. 數智前瞻能源|誰是下一代智能電網的首席執行官？
4. 詹長江,吳恒,王雄飛,田杰,王新寶,盧宇.構網型變流器穩定性研究綜述[J].中國電機工程學報,2023,43(06):2339-2359
5. 馬寧寧,謝小榮,賀靜波,王衡.高比例新能源和電力電子設備電力系統的寬頻振蕩研究綜述[J].中國電機工程學報,2020,40(15):4720-4732
6. 許詰翊,劉威,劉樹,常富杰,謝小榮.電力系統變流器構網控制技術的現狀與發展趨勢[J].電網技術,2022,46(09):3586-3595.
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