在我國碳達峰、碳中和戰略目標的驅動下，綠色、清潔、低碳的新能源得到了大力發展。以風能、太陽能為代表的新能源在逐漸大規模接入電力系統的同時，對電力系統的安全穩定運行提出了挑戰。天津大學電氣自動化與信息工程學院教授朱介北團隊研制的新能源通用慣量模擬裝置，實現了對超級電容與電網間交換的慣量響應功率的精準調控，顯著提升了新型電力系統的頻率穩定性與韌性。該成果近日在第48屆日內瓦國際發明展斬獲金獎。
  據介紹，傳統電力系統主要靠使用燃煤、石油和天然氣等化石燃料的旋轉同步發電機來提供穩定的電力供應，同步發電機能夠為電力系統提供相對較高的轉動慣量。同步發電機的轉動慣量反映了其轉子存儲動能的大小，當電力系統發生發電機掉線等嚴重故障時，轉動慣量可充當能量緩沖器抑制電網頻率的變化，從而為其他機組爭取足夠長的動作時間重新平衡電網的供需，因此有助于維持系統頻率的穩定性。
  “然而，不同于旋轉的同步發電機，通過靜止換流器并網的新能源發電本身不具備慣性，這使得現代電力系統的慣量水平急劇下降，加劇了系統頻率出現大幅波動甚至發生失穩的風險。”朱介北介紹。為保障電力的可靠供應，迫切需要新能源發電具備同步發電機的慣量響應特性，來保證現代新能源電力系統的頻率穩定性。
  為解決這個難題，朱介北教授團隊提出了一種新能源通用慣量模擬方案，將快速響應的超級電容器通過全控型DC、DC變換器（直流和直流互相變換的變換器）連接到新能源并網逆變器的直流母線，依據電網頻率動態調節超級電容電壓進行有序充放電，來模擬同步發電機的慣量響應。
  在此基礎上，團隊研制了新能源通用慣量模擬裝置，實現對超級電容與電網間交換的慣量響應功率的精準調控。裝置可以穩定、有效地模擬慣性時間常數達10秒，慣性時間常數較傳統慣量模擬方案提高3倍以上。該技術應用于新能源40%高占比場景時，在電網故障下較傳統控制降低系統頻率變化率達30%以上、頻率偏移20%以上、頻率振幅50%以上，顯著提升了新型電力系統的頻率穩定性與韌性。
  “其慣量響應能量由快速響應的超級電容提供，慣量模擬核心算法采用高精度數字控制器實現，因此裝置整體具有響應速度快的特點和高精度的控制能力，可以準確、實時地監測電力系統頻率變化，根據實際情況快速、準確調整超容電壓充放電，以維持系統頻率的穩定性。”朱介北介紹。
  該新能源通用慣量模擬裝置是成套、獨立的完整設備，集成度較高，可以直接接入新能源直流母線側，不需要改造新能源發電的原有電路和控制系統，具有“即插即用”的優勢。
  新能源通用慣量模擬裝置取得了顯著的應用效果。2022年已應用于張北國家風光儲輸示范基地，助力2022年北京冬奧會成為第一屆100%使用新能源的“綠色”奧運會；華能江蘇能源開發有限公司最先將新能源通用慣量模擬裝置推廣應用到了南通電廠、南京電廠、太倉電廠、淮陰電廠、金陵電廠、蘇通電廠等地，提升可再生能源并網比例達13%。
  截至目前，該裝置已經推廣應用到30余座新能源電站，范圍覆蓋全國10余省份，為解決因慣量缺失造成的棄風棄光和斷電問題提供了有效的技術示范。
  哈電風能有限公司相關負責人表示：“我們公司已經將新能源通用慣量模擬裝置應用在了甘肅環縣南湫、新疆達坂城、青海切吉敦曲等幾十個新能源電站中。裝置的應用提升了新能源場站6%的并網比例，同時減少受制于慣量和電網超載約束的棄風現象，有效提高新能源利用小時數。”