在國家科技戰(zhàn)略引領(lǐng)下，中國電科院提出一系列創(chuàng)新管理舉措，科技研發(fā)效率進(jìn)一步提升。一是強(qiáng)化科研頂層設(shè)計，使創(chuàng)新資源更加集中。初步形成“頂層設(shè)計先行、指南申報落地、戰(zhàn)略規(guī)劃兼容”的研發(fā)策劃模式，依托頂層設(shè)計凝練聚焦技術(shù)新方向，培育未來業(yè)務(wù)增長點(diǎn)，并在重大戰(zhàn)略方向的遴選上支撐頂層設(shè)計，促進(jìn)科技資源進(jìn)一步向核心技術(shù)方向聚集，在資源有限的情況下，增強(qiáng)了科研投入的系統(tǒng)性、全局性和協(xié)同性。通過科研頂層設(shè)計，凝練出了50個重點(diǎn)研究方向、44項(xiàng)核心技術(shù)、8個中長期戰(zhàn)略性科研方向，基本確立了中國電科院未來若干年的核心重點(diǎn)技術(shù)方向。二是實(shí)施研發(fā)組織優(yōu)化，使綜合優(yōu)勢更加凸顯。初步建立“總體設(shè)計、集中攻關(guān)、分散實(shí)施”的跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制，形成院內(nèi)單位互為補(bǔ)充、相互促進(jìn)、互通有無的協(xié)同攻關(guān)體系。通過優(yōu)化研發(fā)組織模式，五年來先后攻克了電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真、特高壓變電設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)、配電網(wǎng)自愈控制、規(guī)模化儲能系統(tǒng)集成等一大批關(guān)鍵技術(shù)難題。

隨著國家科技計劃改革方案逐步實(shí)施，國家有關(guān)部門于2016年首次采用國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專項(xiàng)形式組織項(xiàng)目申報。在國資委、國家電網(wǎng)有限公司的大力支持和有序組織下，中國電科院積極參與各相關(guān)專項(xiàng)申報，在2016年至2018年期間共計參與了12個專項(xiàng)、73個項(xiàng)目的申報，截至目前已有49個項(xiàng)目(15項(xiàng)牽頭、34項(xiàng)配合)獲批立項(xiàng)，特別是在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，已連續(xù)三年成為承擔(dān)項(xiàng)目最多的單位。

開發(fā)“電網(wǎng)友好型”風(fēng)電機(jī)組，助力“新時代”電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行

——大容量風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)友好型控制技術(shù)

我國是全球風(fēng)電規(guī)模最大、發(fā)展最快的國家，2017年我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量1503萬千瓦，累計裝機(jī)達(dá)1.64億千瓦，均為世界第一。預(yù)計到2050年末，全國風(fēng)電裝機(jī)將突破10億千瓦。隨著風(fēng)電并網(wǎng)比例不斷攀升，局部區(qū)域風(fēng)電穿透率已超過100%，具備高比例風(fēng)力發(fā)電的“新時代”電力系統(tǒng)正逐漸形成。

跟以同步發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，“新時代”電力系統(tǒng)最大的特征在于風(fēng)電帶來的高比例電力電子裝備接入，隨著風(fēng)電容量在電力系統(tǒng)中比重不斷加大，電力系統(tǒng)慣量不足，頻率穩(wěn)定問題凸顯;風(fēng)電抗擾性低，在系統(tǒng)電壓/頻率波動時易大規(guī)模脫網(wǎng)引發(fā)連鎖故障;產(chǎn)生的多形態(tài)低頻和次/超同步振蕩機(jī)理尚未探明，振蕩事故頻發(fā)。系統(tǒng)呈現(xiàn)弱慣性、弱電氣阻尼以及弱電壓支撐的運(yùn)行特性，安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨重大挑戰(zhàn)。

據(jù)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“大容量風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)友好型控制技術(shù)”負(fù)責(zé)人、中國電科院新能源研究中心副主任秦世耀介紹，本項(xiàng)目按照“理論基礎(chǔ)—關(guān)鍵技術(shù)—試驗(yàn)檢測—工程示范”的主線開展研究，并設(shè)置了5個課題，攻克一個科學(xué)問題，突破四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

風(fēng)電機(jī)組寬頻動態(tài)特性及其多控制環(huán)節(jié)的耦合作用機(jī)理

電網(wǎng)特定條件下雙饋/直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)可能呈現(xiàn)的寬頻振蕩特性涉及風(fēng)電機(jī)組多物理控制動態(tài)環(huán)節(jié)和主動支撐控制動態(tài)環(huán)節(jié)的耦合，目前仍未揭示此相互作用關(guān)系。采用時域振蕩模態(tài)，分析風(fēng)電機(jī)組寬頻動態(tài)的振蕩特征及各控制環(huán)節(jié)間動態(tài)和暫態(tài)耦合作用機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)大容量風(fēng)電機(jī)組友好型并網(wǎng)控制優(yōu)化的關(guān)鍵科學(xué)問題和理論基礎(chǔ)。研究雙饋/直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組各物理控制環(huán)節(jié)動態(tài)特性和風(fēng)電系統(tǒng)振蕩模態(tài)與物理控制環(huán)節(jié)耦合關(guān)系至關(guān)重要。通過建立風(fēng)電機(jī)組寬頻動態(tài)模型，提出風(fēng)電機(jī)組機(jī)電耦合扭振和次/超同步振蕩的降階解耦模型，為風(fēng)電電網(wǎng)友好型控制的關(guān)鍵技術(shù)突破奠定基礎(chǔ)。

計及能量約束與應(yīng)力的主動頻率支撐優(yōu)化控制技術(shù)

傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程主要考慮自身運(yùn)行安全與發(fā)電量，對電網(wǎng)頻率并不具有支撐能力，降低了電網(wǎng)整體有效慣量，致使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性下降，同時風(fēng)電機(jī)組缺乏一次調(diào)頻能力，減小了系統(tǒng)的后備支撐。而風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻對機(jī)組控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，包括頻率支撐能量來源和機(jī)組應(yīng)力邊界改變。頻率支撐過程中慣量響應(yīng)動能釋放規(guī)律和一次調(diào)頻期間備用容量的匹配直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。通過量化機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)特性和電氣設(shè)備運(yùn)行邊界，建立轉(zhuǎn)子動能預(yù)測模型，優(yōu)化鎖相環(huán)性能，確保慣量響應(yīng)的可靠實(shí)現(xiàn)。以風(fēng)電機(jī)組頻率支撐動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性為目標(biāo)，建立以機(jī)組容量，機(jī)械應(yīng)力，電氣應(yīng)力和電網(wǎng)阻抗適應(yīng)性為約束條件，綜合設(shè)計慣量系數(shù)、阻尼系數(shù)和一次調(diào)頻系數(shù)的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，同時考慮到三者之間交互耦合，通過迭代優(yōu)化得到自適應(yīng)的頻率支撐策略核心參數(shù)，并建立慣量與一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略。

次/超同步頻率不確定、多形態(tài)下風(fēng)電機(jī)組主動阻尼控制技術(shù)

次/超同步振蕩具有頻率不確定、形態(tài)多樣化特點(diǎn)，現(xiàn)有控制無法快速追蹤振蕩變化，難以兼顧風(fēng)電機(jī)組基本控制回路需求，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。基于動態(tài)能量/阻抗特性理論，研究單機(jī)次/超頻特性的關(guān)鍵影響因素，結(jié)合風(fēng)場—設(shè)備網(wǎng)絡(luò)模型，描述振蕩分量的傳播與演化規(guī)律，揭示風(fēng)電設(shè)備間的耦合機(jī)理。采用移頻鎖相技術(shù)，構(gòu)建自適應(yīng)阻抗/動態(tài)能量設(shè)計方案，并基于多支路阻抗/能量重塑理論優(yōu)化接入位置;評估基頻特性與次/超頻特性的影響程度，以不同工況下運(yùn)行邊界條件為約束，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組主動阻尼控制;通過基準(zhǔn)電壓同步技術(shù)，研究風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)阻抗/能量匹配模式，實(shí)現(xiàn)具有時空、功率耦合的設(shè)備協(xié)同。擬構(gòu)建快速鎖頻和振蕩追蹤技術(shù)，通過帶寬調(diào)整解耦次/超頻和基頻回路，并以風(fēng)電機(jī)組基本響應(yīng)需求為約束，制定風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)主動阻尼控制。

電網(wǎng)故障情況下機(jī)組可控性提升及動態(tài)功率優(yōu)化控制技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組在故障暫態(tài)中承受著由電壓幅值驟變、相位跳變和負(fù)序擾動等引起的電氣應(yīng)力。當(dāng)前，風(fēng)電機(jī)組在故障暫態(tài)過程中可控性變差，導(dǎo)致故障暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)頻率/電壓的支撐缺乏主動性，因此，應(yīng)改進(jìn)控制方法提高可控性。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)支撐，風(fēng)電機(jī)組在故障暫態(tài)中保有可控性是其基礎(chǔ)。首先從故障快速檢測、動態(tài)PLL、虛擬強(qiáng)勵/欠勵和低高穿連續(xù)故障協(xié)調(diào)控制等方面研究故障穿越關(guān)鍵技術(shù)。以變流器容限、載荷約束為邊界條件，動態(tài)識別故障暫態(tài)支撐可控域，采用多維度協(xié)同應(yīng)力抑制措施實(shí)現(xiàn)可控域動態(tài)擴(kuò)展，提升風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)支撐的可控性。構(gòu)建典型場景，量化分析不同故障階段風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)支撐需求，提出風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)支撐的優(yōu)化控制策略。研制風(fēng)電機(jī)組電壓/頻率故障暫態(tài)支撐控制器，突破風(fēng)電機(jī)組“電網(wǎng)友好型”控制技術(shù)中的故障暫態(tài)支撐技術(shù)。

電網(wǎng)故障/擾動條件下風(fēng)電機(jī)組傳動鏈動態(tài)阻尼控制技術(shù)

電網(wǎng)出現(xiàn)故障/擾動會對風(fēng)電機(jī)組機(jī)械子系統(tǒng)造成較大載荷，甚至可能造成傳動鏈扭振失穩(wěn)從而引發(fā)事故，因此需要研究電網(wǎng)故障、頻率擾動、電力系統(tǒng)振蕩等電網(wǎng)運(yùn)行條件下的風(fēng)電機(jī)組載荷動態(tài)響應(yīng)機(jī)理，在電網(wǎng)故障/擾動條件下對“電網(wǎng)友好型”風(fēng)電機(jī)組載荷進(jìn)行穩(wěn)定優(yōu)化控制，對風(fēng)電機(jī)組傳動鏈進(jìn)行動態(tài)阻尼控制，抑制傳動鏈扭振，提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。研究電網(wǎng)故障、頻率擾動、電力系統(tǒng)振蕩等運(yùn)行條件下的風(fēng)電機(jī)組載荷動態(tài)特性及風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相互影響的機(jī)理，明確電網(wǎng)故障/擾動工況下的風(fēng)電機(jī)組載荷約束條件，提出風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷和極限載荷的定量評價方法，突破電網(wǎng)故障、頻率擾動、電力系統(tǒng)振蕩等電網(wǎng)運(yùn)行條件下風(fēng)電機(jī)組載荷穩(wěn)定優(yōu)化控制技術(shù)。

項(xiàng)目預(yù)期研制雙饋/直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組寬頻動態(tài)特性數(shù)模混合實(shí)時仿真平臺、風(fēng)電慣量/一次調(diào)頻優(yōu)化控制系統(tǒng)、具備主動阻尼和電壓/頻率主動支撐能力的風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組載荷優(yōu)化控制系統(tǒng)等，最終研發(fā)出兩臺“電網(wǎng)友好型”風(fēng)電樣機(jī)，并將在張北國家風(fēng)電試驗(yàn)檢測基地開展示范驗(yàn)證，展示“電網(wǎng)友好型”風(fēng)電機(jī)組的慣量/一次調(diào)頻性能、振蕩主動抑制能力、故障暫態(tài)支撐性能。

項(xiàng)目的實(shí)施將推動我國風(fēng)電技術(shù)及自主研發(fā)制造的發(fā)展，提高我國風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)在國際上的核心競爭力，為我國實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升風(fēng)電接入和消納能力奠定良好基礎(chǔ)。

攻克中低壓直流接入關(guān)鍵技術(shù) 促進(jìn)光伏并網(wǎng)消納

——分布式光伏多端口接入直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備

大力發(fā)展分布式光伏發(fā)電是促進(jìn)我國可再生能源開發(fā)利用、推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要舉措。“十三五”期間我國分布式光伏發(fā)展迅速，裝機(jī)容量將達(dá)6000萬千瓦以上，靠近負(fù)荷建設(shè)、高滲透率接入，是當(dāng)前分布式光伏發(fā)展的主流趨勢。

高比例分布式光伏消納面臨新挑戰(zhàn)與新選擇

隨著分布式光伏電源接入數(shù)量與容量的增加，現(xiàn)有交流配電系統(tǒng)面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，諸如潮流分布與繼電保護(hù)配置的改變、諧波污染源增加與電能質(zhì)量下降、調(diào)度控制困難、變壓器/線路過載等。目前大功率電力電子與柔性直流輸配電技術(shù)已日臻成熟，用戶端直流型負(fù)荷比重持續(xù)增加，區(qū)域直流配電網(wǎng)已成為未來城市與工業(yè)園區(qū)配電系統(tǒng)建設(shè)的重要趨勢。分布式光伏與直流配電相結(jié)合是一種積極探索，其電壓更穩(wěn)定、效率更高、系統(tǒng)更為可靠。以雄安新區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)、蘇州同里新能源小鎮(zhèn)等示范工程為代表，分布式光伏接入直流配電網(wǎng)的實(shí)踐已呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。

現(xiàn)階段該領(lǐng)域國內(nèi)外還存在諸多問題。在直流升壓變流方面，變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法不成熟、功率密度小、效率低;在系統(tǒng)設(shè)計集成方面，規(guī)模化多端并網(wǎng)穩(wěn)定性分析理論、規(guī)劃設(shè)計方法及評價體系缺失;在運(yùn)行控保方面，計及高比例分布式光伏的直流配電系統(tǒng)快速故障識別定位技術(shù)不成熟，隔離保護(hù)裝置成本過高。為此，中國電科院開展“分布式光伏多端口接入直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備”研究，攻克中低壓直流接入關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)光伏并網(wǎng)消納。