在我国“碳达峰、碳中和”战略目标的驱动下，绿色、清洁、低碳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提出了挑战。天津大学电气自动化与信息工程学院教授朱介北团队研制了新能源通用惯量模拟装置，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，显著提升了新型电力系统的频率稳定性与韧性。该成果近日在第48届日内瓦国际发明展斩获金奖。
据介绍，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，因此有助于维持系统频率的稳定性。
“然而，不同于旋转的同步发电机，通过静止换流器并网的新能源发电本身不具备惯性，这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。
2019年8月9日，因为系统惯量不足导致的英国大停电事故，持续时间超过2小时，波及范围达100万人以上，造成了严重的社会经济损失。为保障电力的可靠供应，迫切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。
为解决这个难题，朱介北教授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（直流和直流互相变换的变换器）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。
装置可以稳定、有效地模拟惯性时间常数达10秒，惯性时间常数较传统惯量模拟方案提高3倍以上。该技术应用于新能源40%高占比场景时，在电网故障下较传统控制降低系统频率变化率达30%以上、频率偏移20%以上、频率振幅50%以上，显著提升了新型电力系统的频率稳定性与韧性。
新能源通用惯量模拟技术在全控型DC/DC变换器中嵌入模拟同步机惯量响应的核心控制算法，依据电网实时频率动态调节超容电压实现有序充放电，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。
“其惯量响应能量来源由快速响应的超级电容提供，惯量模拟核心算法采用高精度数字实现，因此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。”朱介北介绍。
该新能源通用惯量模拟装置是成套、独立的完整设备，集成度较高，可以直接接入新能源直流母线侧，而不需要改造新能源发电的原有电路和控制系统，具有“即插即用”的优势。这也是世界上首套“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，相关指标达到了国际领先水平。
新能源通用惯量模拟装置的也取得了显著的应用效果，已于2022年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。
华能江苏能源开发有限公司最先将新能源通用惯量模拟装置推广应用到了南通电厂、南京电厂、太仓电厂、淮阴电厂、金陵电厂、苏通电厂等地，提升可再生能源并网比例达13%。
截至目前，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余省份，为解决因惯量缺失造成的弃风弃光和断电的世界性问题提供了有效的技术示范。
哈电风能有限公司相关负责人表示：“我们公司已经将新能源通用惯量模拟装置应用在了甘肃环县南湫、新疆达坂城、青海切吉敦曲、湖南牛排山、安徽符离、贵州顺化、广西风门岭等几十个新能源电站中。特别是对于负荷频繁波动的高压直流输电系统，用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，同时减少受制于惯量和电网超载约束的弃风现象，有效提高新能源利用小时数。”