首個(gè)負(fù)荷虛擬同步充電樁試運(yùn)行成功

前言：負(fù)荷虛擬同步技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁時(shí)，還可幫助解決充電汽車(chē)大規(guī)模接入引發(fā)的供電能力不足、電壓波動(dòng)大、無(wú)功不平衡、系統(tǒng)慣量不夠等問(wèn)題。具備虛擬同步機(jī)特性的汽車(chē)充電樁預(yù)期可實(shí)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(chē)蓄電池的儲(chǔ)能作用，具備雙向傳輸電能功能；具備無(wú)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(dòng)問(wèn)題。

近日，我國(guó)首個(gè)具備負(fù)荷虛擬同步功能的充電樁在江蘇泰州試運(yùn)行成功，標(biāo)志著負(fù)荷虛擬同步機(jī)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(dòng)，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(jī)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究”已列為國(guó)家電網(wǎng)有限公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目。

近日，在中國(guó)泰州醫(yī)藥城公交汽車(chē)充電站，江蘇泰州供電公司工作人員正將電動(dòng)汽車(chē)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(guò)儀表值可以看出，與傳統(tǒng)充電樁相比，新型充電樁的無(wú)功功率會(huì)隨電壓波動(dòng)變化。對(duì)此，泰州供電公司配電運(yùn)行工程師蔣中軍介紹：“這種無(wú)功功率隨電壓波動(dòng)自主調(diào)整，就是自動(dòng)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(shí)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(shì)

2017年，±800千伏錫盟�C泰州特高壓直流輸電工程投運(yùn)，為江蘇提供了新的強(qiáng)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(qiáng)。與此同時(shí)，大容量電能一路跋山涉水而來(lái)，也帶來(lái)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(huì)引起受端電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)供電不足，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，也提出了更高的要求。

據(jù)專(zhuān)家介紹，當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)成為多種類(lèi)型能源匯集的平臺(tái)，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(dòng)性和活躍性的方向發(fā)展，不僅對(duì)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(wèn)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(duì)這些趨勢(shì)，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(yùn)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(jī)和電動(dòng)機(jī)（用電器），都能在電網(wǎng)電壓、頻率、有功、無(wú)功異常情況下做出相應(yīng)的響應(yīng)，以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)（用電器）與電網(wǎng)之間存在一個(gè)“同步”融合機(jī)制。對(duì)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(lèi)似同步電機(jī)的“同步”機(jī)制，可控設(shè)備的用電負(fù)荷中也具有了同步機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的慣性、阻尼特性、有功調(diào)頻、無(wú)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(dòng)，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(guó)家電網(wǎng)有限公司“負(fù)荷虛擬同步機(jī)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究”科技項(xiàng)目，承擔(dān)相應(yīng)科技項(xiàng)目的泰州供電公司聯(lián)合中國(guó)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(guó)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(dòng)汽車(chē)充電樁上接入電網(wǎng)運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)和智慧互動(dòng)

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(shí)驗(yàn)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(wú)需通信和集中控制的支撐。它通過(guò)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(shí)現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)和智慧互動(dòng)。即通過(guò)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(shí)時(shí)批量信息，進(jìn)行計(jì)算并與標(biāo)準(zhǔn)值“對(duì)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(shí)，應(yīng)用了負(fù)荷虛擬技術(shù)的空調(diào)、汽車(chē)充電樁等設(shè)備可自主感知電力系統(tǒng)頻率、電壓等運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)快速響應(yīng)，以最大20%的幅度減量用電，主動(dòng)為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行作貢獻(xiàn)。同時(shí)，因短時(shí)間減量，空調(diào)、充電樁的使用客戶(hù)基本不會(huì)有感覺(jué)。

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(yùn)行取得了快速跟蹤技術(shù)新的突破，虛擬同步裝置的啟動(dòng)時(shí)間大大縮減。同時(shí)，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(gè)突破保證了在役電力電子設(shè)備快速跟蹤和自動(dòng)減用目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)。

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

該項(xiàng)目將通過(guò)建設(shè)以電動(dòng)汽車(chē)充電樁（站）、變頻電機(jī)、空調(diào)、LED照明、計(jì)算機(jī)服務(wù)器等為代表的多元化負(fù)荷虛擬同步機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口示范工程，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的靈動(dòng)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(shí)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，為促進(jìn)“源�C網(wǎng)�C荷”友好互動(dòng)，促進(jìn)負(fù)荷虛擬同步機(jī)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(yùn)營(yíng)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(wàn)千瓦。其中，約4100萬(wàn)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(wàn)千瓦容量。按目前電網(wǎng)運(yùn)行有一定容量的發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)旋轉(zhuǎn)，以備電網(wǎng)突出負(fù)荷變動(dòng)時(shí)隨時(shí)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(wàn)千瓦容量空調(diào)隨電網(wǎng)需要而動(dòng)，電網(wǎng)系統(tǒng)就可以減少發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量410萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于配置了能隨時(shí)啟動(dòng)4臺(tái)100萬(wàn)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(yùn)行的設(shè)備中，用電呈快速發(fā)展趨勢(shì)的還有電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)展望報(bào)告》，到2030年，我國(guó)新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量將突破1300萬(wàn)輛，新能源乘用車(chē)保有量接近7000萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售比例2030年要達(dá)到40%以上。新能源汽車(chē)要逐步成為市場(chǎng)主流，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)初步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。充電服務(wù)對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)為5100億元。采用虛擬同步技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)充電樁，可挖掘容量更為巨大，并且應(yīng)用前景廣闊。

因此，國(guó)網(wǎng)科技部對(duì)這一技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目高度重視，將其作為2030年前充電汽車(chē)大規(guī)模應(yīng)用給電網(wǎng)帶來(lái)影響的應(yīng)對(duì)措施。國(guó)網(wǎng)科技部組織了中期推進(jìn)會(huì)，督導(dǎo)項(xiàng)目進(jìn)展。目前，該項(xiàng)目已列入公司2018年十大創(chuàng)新范工程之一，計(jì)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(dòng)汽車(chē)充電樁時(shí)，還可幫助解決充電汽車(chē)大規(guī)模接入引發(fā)的供電能力不足、電壓波動(dòng)大、無(wú)功不平衡、系統(tǒng)慣量不夠等問(wèn)題。具備虛擬同步機(jī)特性的汽車(chē)充電樁預(yù)期可實(shí)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(chē)蓄電池的儲(chǔ)能作用，具備雙向傳輸電能功能；具備無(wú)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(dòng)問(wèn)題。

中國(guó)電科院的呂志鵬博士介紹，目前中國(guó)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(dòng)其進(jìn)入國(guó)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(shí)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(dòng)減量用電技術(shù)的應(yīng)用，不但是特高壓電網(wǎng)時(shí)代電網(wǎng)安全的一個(gè)重要支撐，對(duì)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(yùn)行也具有重要意義。