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基於虛擬同步機的新能源主動支撐關鍵技術與應用構建以新能源為主體的新型電力系統，全面支撐碳達峰、碳中和目標實現，是對能源行業的一場全局性變革。新型電力系統中新能源既是裝機主體、電力與電量供應主體，也是可靠供電的責任主體。而與煤電等常規同步機組不同，此前新能源機組尚不具備主動支撐電力系統頻率和電壓的能力，導致高比例新能源電力系統調節能力不斷下降。因此，對新能源機組進行革命性的技術升級，是構建以新能源為主體的新型電力系統的基礎性課題。

一、背景

虛擬同步機技術可實現新能源設備「類同步機化」運行，是使設備融入電力系統交流同步機制、實現新能源主動支撐電網運行的重要途徑。常規的虛擬同步機研究多側重於模擬同步機外特性，在新型電力系統中全面應用尚面臨以下難題：①內在原理上，傳統外特性模擬方法難以反映同步機的電壓源本質特徵，無法自主運行；②核心功能上，電網運行工況複雜、風光能量供給隨機性強，現有技術難以有效實現對電網頻率和電壓的主動支撐；③裝備研發上，大容量虛擬同步機拓撲設計難題尚未突破，裝備尚屬空白；④組網運行上，多機並聯和大系統功能驗證技術缺失，無規模化工程應用先例。

二、應用案例

1.項目概述

項目中虛擬同步機技術在我國率先從理論到規模化應用的閉環，使風/光新能源由補充性電源向主力電源轉變的基礎性技術，代表了新能源併網技術的發展方向。項目研製的2MW風電、500kW光伏和5MW儲能虛擬同步機容量為世界之最，建成了世界首個百MW級虛擬同步機示範工程。成果在虛擬同步機基礎理論與關鍵技術等方面創新，帶動了相關產業發展，推動了行業技術進步。成果在河北省17座風電場的240萬千瓦新能源機組應用，使河北新能源匯集地區輸電能力提升4.8%，近三年累計提升新能源發電量10058萬千瓦時，減少碳排放約8.1萬噸，節約標準煤約3.1萬噸，有力保障冬奧會、雄安新區100%清潔能源供電。研發的虛擬同步機系列產品已銷往美國、阿根廷等海外市場，具備國際競爭力。

2.主要效益

（1）成果應用於國電南瑞科技股份有限公司的5MW風機、500kW光伏和5MW儲能虛擬同步機產品中，憑藉虛擬同步機技術優勢，獲得河北、新疆、西藏等10餘省50多個新能源電站，近三年新增銷售收入103949.85萬元，新增利潤23998.41萬元。

（2）成果應用於新疆金風科技股份有限公司的能量管理平台控制系統中，該系統被銷往包括河北、遼寧、青海等20餘個省（區）的200多個風電場中，近三年新增直接銷售收入15885萬元，新增利潤5368萬元。

（3）成果應用於國網新源張家口風光儲示範電站有限公司，成果應用後，河北省新能源匯集地區輸電能力提升了4.8%，2018年、2019年和2020年各減少風光儲電站棄風棄光電量3040萬kWh、3440萬kWh、3578萬kWh，根據上網電價0.578元/kWh計算，近三年增加發電收入5814.86萬元，新增利潤5147.03萬元。

（4）成果應用在國網新源張北風光儲輸示範電站、湖北廣水武勝關48MW風電場工程、三門峽獅子坪風電項目、新疆國源天立木壘老君廟風電場一期49.5MW風電項目等多個新能源發電場景。近三年新增銷售額39273.13萬元，新增利潤4712.77萬元。

三、技術要點

1、建立了電壓源型虛擬同步機的「基本原理-數學模型-支撐機理」理論體系。提出了可完整反映定轉子間電磁關係的電力電子裝備自同步併網運行機制，建立了虛擬同步機高階數學模型，揭示了虛擬同步機支撐電網頻率的動力學作用機理，從內在原理上實現了新能源機組「類同步機化」，為虛擬同步機裝備研製和工程應用奠定了理論基礎。

2、突破了虛擬同步機主動支撐關鍵技術。提出了自適應慣量支撐與一次調頻協同控制策略、適應三相電壓不平衡等複雜工況下的無功電壓支撐控制策略、考慮暫態穩定運行邊界約束的阻尼優化控制策略，從有功支撐持續性、複雜工況適應性和併網運行穩定性三個維度，實現了新能源機組核心功能的「類同步機化」。

3、攻克了大容量虛擬同步機裝備集成技術難題，成功研製出2MW 單元式風電、500kW單元式光伏和5MW×20min 電站式儲能三大類虛擬同步機系列成套設備。

4、攻克了虛擬同步機組網運行技術。發明了虛擬同步機異構機群協調運行技術，提出了基於虛擬同步機的新能源電站自啟動技術，建立了「控制器-單機-電站-系統」多維互補的試驗檢測手段。

四、應用前景

項目研發的虛擬同步機設備拓撲結構和關鍵控制技術等方面的創新成果，已應用於南瑞、金風、許繼等十餘個新能源設備製造商的硬件設備或控制系統中，實現了新能源機組的主動調頻和調壓功能，大幅提升了新能源機組的併網友好性與國際競爭力。依託項目成果所研發的虛擬同步機系列產品已銷往美國、阿根廷、澳大利亞等海外市場，提升了我國新能源自主創新能力和產品國際競爭力，推動了世界範圍內新能源友好併網的技術進步。