在我国碳达峰、碳中和目标的驱动下，清洁绿色的新能源得到了大力发展。以风能、太阳能为代表的新能源在逐渐大规模接入电力系统的同时，对电力系统的安全稳定运行产生了影响。为解决这一困扰新能源产业发展的棘手问题，天津大学朱介北教授团队开发出新能源通用惯量模拟技术与装置，不需要改造新能源发电的原有电路和控制系统，可直接接入新能源直流母线侧，实现“即插即用”。该成果日前在第48届日内瓦国际发明展斩获金奖。
传统电力系统主要靠利用燃煤、石油和天然气等化石燃料的旋转同步发电机来提供稳定的电力供应，同步发电机能够为电力系统提供相对较高的转动惯量。同步发电机的转动惯量反映了其转子存储动能的大小，当电力系统发生发电机掉线等严重故障时，转动惯量可充当能量缓冲器抑制电网频率的变化，从而为其他机组争取足够长的动作时间重新平衡电网的供需。
“然而，不同于旋转同步发电机，通过静止换流器并网的新能源发电本身不具备惯性，使得现代电力系统的惯量水平急剧下降，加剧了系统频率出现大幅波动甚至发生失稳的风险。”朱介北介绍说，为保障电力的可靠供应，需要新能源发电具备同步发电机的惯量响应特性，来保证现代新能源电力系统的频率稳定性。
朱介北团队提出了一种新能源通用惯量模拟方案，将快速响应的超级电容器通过全控型DC/DC变换器连接到新能源并网逆变器的直流母线，依据电网频率动态调节超级电容电压进行有序充放电，来模拟同步发电机的惯量响应。
在此基础上，团队研制了新能源通用惯量模拟装置，集高性能惯量模拟、DC/DC变换器和超级电容器于一体，实现对超级电容与电网间交换的惯量响应功率的精准调控。该装置是“即插即用”式的新能源通用惯量模拟装置，具有极高的工程应用价值，可显著提升新型电力系统的频率稳定性与韧性。
此外，该装置整体具有快速的响应速度和高精度的控制能力，可以准确、实时地监测电力系统频率变化，根据实际情况快速、准确调整超容电压充放电，以维持系统频率的稳定性。
据朱介北介绍，新能源通用惯量模拟装置已应用于张北国家风光储输示范基地，助力2022年北京冬奥会成为第一届100%使用新能源的“绿色”奥运会。目前，该装置已经推广应用到30余座新能源电站，范围覆盖全国10余个省份，为解决因惯量缺失造成的弃风弃光和断电问题提供了有效的技术示范。该装置在华能江苏能源开发有限公司旗下多家电厂投用后，可再生能源并网比例提升了13%，新能源利用小时数也提高了。哈电风能有限公司相关负责人表示：“我们公司的新能源电站已经应用了新能源通用惯量模拟装置。对于负荷频繁波动的高压直流输电系统，这个装置能有效提升新能源与直流输电的惯量响应，保证风力发电系统不脱网。装置的应用提升了新能源场站6%的并网比例，同时减少了受制于惯量和电网超载约束的弃风现象。”
依托该项技术，朱介北团队已发表SCI期刊论文30余篇，获得美国专利1项和中国发明专利19项。此外，团队还制订了3项国际电工委员会IEC标准，在全球范围内推动了新能源惯量模拟技术的进步和创新，提升了我国在相关行业的国际影响力。
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