【攻克送端系统稳定控制 促进可再生能源跨区消纳——可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制技术】
大力发展可再生能源是我国保障能源安全、应对气候变化的重要举措，风力发电和光伏发电是我国可再生能源利用的主要方式。根据“十三五”规划，到2020年我国风、光发电装机容量将达到3.2亿千瓦，其中2亿千瓦位于“三北”地区。为解决“三北”地区可再生能源消纳问题，已建、在建和规划建设特高压直流外送通道有8条，目前和将来一段时间，大基地、直流送出将是我国可再生能源开发利用的主导形式。
高比例电力电子装备接入安全稳定问题突出
与以同步发电机为主导的传统电力系统相比，可再生能源发电基地直流外送系统最大的特征在于高比例的电力电子装备接入，主要包括风光发电、动态无功补偿、直流输电等。以新疆哈密天中直流送端系统为例，风光发电容量超过10GW，动态无功补偿容量超过2GW，直流输电容量8GW，而同步发电机容量仅为5GW，电力电子装备容量远大于同步发电机容量。
在电力电子装备控制特性的主导作用下，可再生能源发电基地直流外送系统的动态特性与传统电力系统差异巨大，系统的稳定分析和控制面临严峻挑战。目前已开始凸显的问题主要有两个方面：正常工况下振荡事故频发，新疆哈密—郑州直流送端电网已发生次/超同步振荡100余次，曾导致3台直流配套火电机组同时跳机;交、直流故障下连锁脱网事故风险加大，初步计算表明，甘肃酒泉—湖南直流送出功率将因此受到限制。
两大科学难题和一项关键技术
据国家重点研发计划项目“可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制技术”负责人康勇教授介绍，本项目以解决目前系统存在的上述两大问题为主线，攻克两大科学难题和一项关键技术：
1.多样化装备动态相互作用及宽频带振荡机理
可再生能源发电基地直流外送系统中，电力电子发电装备数量巨大，控制复杂且存在多时间尺度耦合，基地间及其与直流输电的动态相互作用加剧，导致宽频带振荡机理不明，建模与分析面临极大挑战。
2.多机多时间尺度暂态过程耦合机理及系统暂态行为演化规律
复杂控制作用下，多样化装备间呈现多时间尺度的电压功角耦合，可再生能源发电装备动态特性与同步发电机迥异，交/直流故障时控制存在非线性切换现象，导致系统暂态行为演化规律更为复杂，亟须探索新条件下系统暂态稳定机理。
3.宽频带振荡抑制与暂态稳定控制技术
由于系统稳定机理不清、动态相互作用复杂，目前缺乏有效的宽频带振荡抑制方法、弱同步电网下基地暂态稳定控制困难，制约了可再生能源的跨区消纳，亟待突破宽频带振荡抑制与暂态稳定控制技术。
项目牵头单位中国电力科学研究院是我国电力行业最具实力的多学科、综合性科研机构。团队成员包括我国5个电气工程一级学科国家重点学科所在高校，拥有包含6个国家重点实验室在内的16个国家级研发平台。项目负责人康勇教授长期从事电力电子在电力系统中的应用方面的科研工作，现任强电磁工程与新技术国家重点实验室常务副主任。
项目将提出弱同步电网中可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制理论与方法，形成包括论文、发明专利、国家/行业标准等一系列自主知识产权;研制35kV/1MVA宽频带阻抗测量装备，研发35kV/5MW级含风/光发电、同步发电机和直流输电的动态模拟平台，验证短路比小于2条件下控制方法的有效性;项目成果直接应用于新疆、甘肃千万千瓦可再生能源基地，解决宽频带振荡和直流功率受限问题，并推广应用，提升我国大规模可再生能源并网消纳水平，促进经济社会可持续发展。
【助推能源供给侧结构性改革 促进分布式能源灵活高效消纳——基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术】
近年来我国分布式可再生能源增长迅速，大规模分布式可再生能源接入电网，对系统的灵活接入和有效管控提出了新的挑战和更高的要求。
新技术应对新挑战
目前可再生能源接入技术交直流变换环节较多，降低了效率、影响了接入的便捷性。另外配电网互联互济和柔性调控能力不足，也限制了分布式可再生能源的充分消纳和高效利用。利用双向多端口电力电子变压器构建交直流混合系统，可以实现灵活组网，在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源，实现灵活安全接入;并减少变换环节，提高能源利用效率，增强系统控制能力，在更大范围实现互联互补，充分消纳可再生能源。
中国科学院电工研究所原所长、国家重点研发计划项目“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究”负责人孔力研究员介绍说：“基于电力电子变压器等构建的交直流混合系统，可为未来大量可再生能源的灵活接入、优化配置和安全运行控制提供有效技术手段，是未来重要发展方向，应用前景广阔。”
产学研用联合攻关
由国网江苏省电力公司、中国科学院电工研究所、中国电力科学研究院和浙江大学等单位组成了这一项目的产、学、研、用攻关团队。团队拥有新能源与储能运行控制、新能源电力系统等5个国家重点实验室，电力电子应用技术、电力电子技术与装备研发等5个国家工程研究中心。项目团队近年来主持了相关领域30余项国家级项目，并已研制成功1MVA电力电子变压器样机并挂网运行，同时是IEC“大容量可再生能源发电接入电网”技术分委会发起单位，多个国家标准及IEC国际标准的牵头单位，研发团队在本领域具有很强的科研水平，支撑条件完善，确保项目的顺利完成。
针对交直流混合分布式可再生能源系统的灵活接入、互补优化和协调控制等关键技术问题，研究团队从“系统分析、优化配置、设备研制、运行控制、集成示范”五个方面开展关键技术攻关。
在系统分析方面，针对电力电子变压器等关键设备交直流耦合带来的运行多样性及动态复杂性，重点攻关基于电力电子变压器等关键设备的交直流混合系统结构和动态特性分析方法等，解决强耦合、非线性交直流混合系统动态分析方法问题。
在优化配置方面，考虑交直流混合系统网架结构、运行方式的复杂性和灵活性对规划带来的复杂多维度难题，攻关交直流混合分布式可再生能源互补优化配置多层规划方法，并提出适合交直流系统的能效评估方法。
在设备研制方面，针对多端口电力电子变压器，重点攻关高效高可靠性电路拓扑及其宽载荷范围效率优化控制技术，使其效率达到96%;针对故障电流控制器，重点攻关集限流、分断与线路电压调节于一体的电力电子限流器拓扑结构和快速响应控制，对直流故障电流进行快速限流和分断，并增强系统电压控制能力。
在运行控制方面，充分利用电力电子变压器量测信息和柔性控制能力，重点攻关交直流混合可再生能源系统时序递进优化调度方法，解决多维度、强非线性的复杂系统优化和控制问题，发挥电力电子变压器灵活组网和柔性控制能力，提升可再生能源接入和消纳能力，保障系统稳定运行。
在集成示范方面，针对交直流分布式可再生能源的多设备、多参数集成问题，重点攻关关键设备集成、系统信息交互集成等技术，并研究系统测试验证技术，开发相应的测试平台并完成示范。
项目预期成果包括3MW双向四端口电力电子变压器、1.2MW/±750Vdc直流故障电流控制器、优化运行控制系统、规划设计软件等。项目成果将在国际能源变革论坛永久会址苏州同里开展示范验证，示范验证结合区内高占比的可再生能源，将其接入电力电子变压器不同电压等级端口，向国际能源变革论坛永久会址等重要直流负荷供电，有效提升能源利用效率和消纳能力，同时保证能源供给可靠性。
项目的实施将推动交直流分布式可再生能源的技术发展，为提升我国分布式可再生能源接入和消纳水平、提高系统安全运行控制能力提供核心技术和实证经验。
