中國電力科學研究院有限公司（以下簡稱中國電科院）是國家電網有限公司直屬科研單位，成立于1951年，重點開展電網共性和基礎性關鍵技術研發、試驗檢測和技術標準制定，并為國家電網有限公司提供全面的技術支撐服務。建院以來，中國電科院承擔各類國家和政府科技計劃項目400余項，逐步形成了世界上功能最完整、試驗能力最強、技術水平最高的特高壓、大電網試驗研究體系，在特高壓交直流輸變電、大電網控制、新能源發電并網、智能電網等領域取得一批創新成果。累計獲得國家級科技獎勵94項，擁有有效專利3000余項，出版科技專著400余部，發表科技論文7000余篇；2010年至今，獲批發布國際標準10項，國家標準144項，行業標準370項，團體標準45項，為我國電力科技進步和電力工業的創新發展作出了重要貢獻。
黨的十九大以來，科技創新地位和作用更加凸顯。十九大報告規劃了建設世界科技強國的宏偉藍圖，把加快建設創新型國家作為現代化建設全局的戰略舉措。為貫徹國家要求，國家電網公司提出要堅持創新驅動發展，大力實施科技強企戰略，瞄準世界能源電力科技前沿和企業實際問題，敢為人先、敢于突破，搶占科技制高點，引領電網創新發展。作為國家電網有限公司直屬科研單位，中國電科院提出了分“三步走”建設具有卓越競爭力的世界一流電力科研機構的新時代戰略目標，通過聚焦重點發展方向，全面提升科技創新能力和支撐服務能力，努力建設成為電網重大基礎理論創新的誕生地、高端電力科技的策源地、世界頂尖發明創造的聚集地。
在國家科技戰略引領下，中國電科院提出一系列創新管理舉措，科技研發效率進一步提升。一是強化科研頂層設計，使創新資源更加集中。初步形成“頂層設計先行、指南申報落地、戰略規劃兼容”的研發策劃模式，依托頂層設計凝練聚焦技術新方向，培育未來業務增長點，并在重大戰略方向的遴選上支撐頂層設計，促進科技資源進一步向核心技術方向聚集，在資源有限的情況下，增強了科研投入的系統性、全局性和協同性。通過科研頂層設計，凝練出了50個重點研究方向、44項核心技術、8個中長期戰略性科研方向，基本確立了中國電科院未來若干年的核心重點技術方向。二是實施研發組織優化，使綜合優勢更加凸顯。初步建立“總體設計、集中攻關、分散實施”的跨專業聯合攻關機制，形成院內單位互為補充、相互促進、互通有無的協同攻關體系。通過優化研發組織模式，五年來先后攻克了電力系統全過程動態仿真、特高壓變電設備狀態預警、大規模新能源發電并網、配電網自愈控制、規模化儲能系統集成等一大批關鍵技術難題。
隨著國家科技計劃改革方案逐步實施，國家有關部門于2016年首次采用國家重點研發計劃專項形式組織項目申報。在國資委、國家電網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專項申報，在2016年至2018年期間共計參與了12個專項、73個項目的申報，截至目前已有49個項目（15項牽頭、34項配合）獲批立項，特別是在智能電網領域，已連續三年成為承擔項目最多的單位。
開發“電網友好型”風電機組，助力“新時代”電網穩定運行
——大容量風電機組電網友好型控制技術
我國是全球風電規模最大、發展最快的國家，2017年我國新增風電裝機容量1503萬千瓦，累計裝機達1.64億千瓦，均為世界第一。預計到2050年末，全國風電裝機將突破10億千瓦。隨著風電并網比例不斷攀升，局部區域風電穿透率已超過100%，具備高比例風力發電的“新時代”電力系統正逐漸形成。
跟以同步發電機為主導的傳統電力系統相比，“新時代”電力系統最大的特征在于風電帶來的高比例電力電子裝備接入，隨著風電容量在電力系統中比重不斷加大，電力系統慣量不足，頻率穩定問題凸顯；風電抗擾性低，在系統電壓/頻率波動時易大規模脫網引發連鎖故障；產生的多形態低頻和次/超同步振蕩機理尚未探明，振蕩事故頻發。系統呈現弱慣性、弱電氣阻尼以及弱電壓支撐的運行特性，安全穩定運行面臨重大挑戰。
據國家重點研發計劃項目“大容量風電機組電網友好型控制技術”負責人、中國電科院新能源研究中心副主任秦世耀介紹，本項目按照“理論基礎—關鍵技術—試驗檢測—工程示范”的主線開展研究，并設置了5個課題，攻克一個科學問題，突破四項關鍵技術：
風電機組寬頻動態特性及其多控制環節的耦合作用機理
電網特定條件下雙饋/直驅風電機組并網可能呈現的寬頻振蕩特性涉及風電機組多物理控制動態環節和主動支撐控制動態環節的耦合，目前仍未揭示此相互作用關系。采用時域振蕩模態，分析風電機組寬頻動態的振蕩特征及各控制環節間動態和暫態耦合作用機制，是實現大容量風電機組友好型并網控制優化的關鍵科學問題和理論基礎。研究雙饋/直驅風電機組各物理控制環節動態特性和風電系統振蕩模態與物理控制環節耦合關系至關重要。通過建立風電機組寬頻動態模型，提出風電機組機電耦合扭振和次/超同步振蕩的降階解耦模型，為風電電網友好型控制的關鍵技術突破奠定基礎。
計及能量約束與應力的主動頻率支撐優化控制技術
傳統風電機組運行過程主要考慮自身運行安全與發電量，對電網頻率并不具有支撐能力，降低了電網整體有效慣量，致使電網頻率穩定性下降，同時風電機組缺乏一次調頻能力，減小了系統的后備支撐。而風電機組參與調頻對機組控制系統提出了新的挑戰，包括頻率支撐能量來源和機組應力邊界改變。頻率支撐過程中慣量響應動能釋放規律和一次調頻期間備用容量的匹配直接影響機組的穩定運行。通過量化機組機械結構特性和電氣設備運行邊界，建立轉子動能預測模型，優化鎖相環性能，確保慣量響應的可靠實現。以風電機組頻率支撐動態特性和穩態特性為目標，建立以機組容量，機械應力，電氣應力和電網阻抗適應性為約束條件，綜合設計慣量系數、阻尼系數和一次調頻系數的目標優化函數，同時考慮到三者之間交互耦合，通過迭代優化得到自適應的頻率支撐策略核心參數，并建立慣量與一次調頻協調控制策略。
次/超同步頻率不確定、多形態下風電機組主動阻尼控制技術
次/超同步振蕩具有頻率不確定、形態多樣化特點，現有控制無法快速追蹤振蕩變化，難以兼顧風電機組基本控制回路需求，無法實現大規模推廣。基于動態能量/阻抗特性理論，研究單機次/超頻特性的關鍵影響因素，結合風場—設備網絡模型，描述振蕩分量的傳播與演化規律，揭示風電設備間的耦合機理。采用移頻鎖相技術，構建自適應阻抗/動態能量設計方案，并基于多支路阻抗/能量重塑理論優化接入位置；評估基頻特性與次/超頻特性的影響程度，以不同工況下運行邊界條件為約束，實現多目標風電機組主動阻尼控制；通過基準電壓同步技術，研究風電網絡阻抗/能量匹配模式，實現具有時空、功率耦合的設備協同。擬構建快速鎖頻和振蕩追蹤技術，通過帶寬調整解耦次/超頻和基頻回路，并以風電機組基本響應需求為約束，制定風電機組自適應主動阻尼控制。
電網故障情況下機組可控性提升及動態功率優化控制技術
風電機組在故障暫態中承受著由電壓幅值驟變、相位跳變和負序擾動等引起的電氣應力。當前，風電機組在故障暫態過程中可控性變差，導致故障暫態過程中風電機組對電網頻率/電壓的支撐缺乏主動性，因此，應改進控制方法提高可控性。為了實現風電機組故障暫態支撐，風電機組在故障暫態中保有可控性是其基礎。首先從故障快速檢測、動態PLL、虛擬強勵/欠勵和低高穿連續故障協調控制等方面研究故障穿越關鍵技術。以變流器容限、載荷約束為邊界條件，動態識別故障暫態支撐可控域，采用多維度協同應力抑制措施實現可控域動態擴展，提升風電機組故障暫態支撐的可控性。構建典型場景，量化分析不同故障階段風電機組故障暫態支撐需求，提出風電機組故障暫態支撐的優化控制策略。研制風電機組電壓/頻率故障暫態支撐控制器，突破風電機組“電網友好型”控制技術中的故障暫態支撐技術。
電網故障/擾動條件下風電機組傳動鏈動態阻尼控制技術
電網出現故障/擾動會對風電機組機械子系統造成較大載荷，甚至可能造成傳動鏈扭振失穩從而引發事故，因此需要研究電網故障、頻率擾動、電力系統振蕩等電網運行條件下的風電機組載荷動態響應機理，在電網故障/擾動條件下對“電網友好型”風電機組載荷進行穩定優化控制，對風電機組傳動鏈進行動態阻尼控制，抑制傳動鏈扭振，提高風電機組運行穩定性和可靠性。研究電網故障、頻率擾動、電力系統振蕩等運行條件下的風電機組載荷動態特性及風電機組與電網相互影響的機理，明確電網故障/擾動工況下的風電機組載荷約束條件，提出風電機組疲勞載荷和極限載荷的定量評價方法，突破電網故障、頻率擾動、電力系統振蕩等電網運行條件下風電機組載荷穩定優化控制技術。
項目預期研制雙饋/直驅風電機組寬頻動態特性數模混合實時仿真平臺、風電慣量/一次調頻優化控制系統、具備主動阻尼和電壓/頻率主動支撐能力的風電機組電控系統、風電機組載荷優化控制系統等，最終研發出兩臺“電網友好型”風電樣機，并將在張北國家風電試驗檢測基地開展示范驗證，展示“電網友好型”風電機組的慣量/一次調頻性能、振蕩主動抑制能力、故障暫態支撐性能。
項目的實施將推動我國風電技術及自主研發制造的發展，提高我國風電關鍵技術在國際上的核心競爭力，為我國實現高比例風電電力系統安全穩定運行，提升風電接入和消納能力奠定良好基礎。
攻克中低壓直流接入關鍵技術 促進光伏并網消納
——分布式光伏多端口接入直流配電系統關鍵技術和裝備
大力發展分布式光伏發電是促進我國可再生能源開發利用、推進能源結構調整的重要舉措。“十三五”期間我國分布式光伏發展迅速，裝機容量將達6000萬千瓦以上，靠近負荷建設、高滲透率接入，是當前分布式光伏發展的主流趨勢。
高比例分布式光伏消納面臨新挑戰與新選擇
隨著分布式光伏電源接入數量與容量的增加，現有交流配電系統面臨一系列技術挑戰，諸如潮流分布與繼電保護配置的改變、諧波污染源增加與電能質量下降、調度控制困難、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已日臻成熟，用戶端直流型負荷比重持續增加，區域直流配電網已成為未來城市與工業園區配電系統建設的重要趨勢。分布式光伏與直流配電相結合是一種積極探索，其電壓更穩定、效率更高、系統更為可靠。以雄安新區配電網建設、蘇州同里新能源小鎮等示范工程為代表，分布式光伏接入直流配電網的實踐已呈現快速發展趨勢。
現階段該領域國內外還存在諸多問題。在直流升壓變流方面，變換器拓撲結構與參數優化設計方法不成熟、功率密度小、效率低；在系統設計集成方面，規模化多端并網穩定性分析理論、規劃設計方法及評價體系缺失；在運行控保方面，計及高比例分布式光伏的直流配電系統快速故障識別定位技術不成熟，隔離保護裝置成本過高。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關鍵技術和裝備”研究，攻克中低壓直流接入關鍵技術，促進光伏并網消納。
一項科學問題和三大關鍵技術
該項目將以提高規模化高比例分布式光伏并網消納能力為目標，以直流接入關鍵裝備研制為主線，深入開展基礎理論研究和關鍵技術攻關，建立面向真實應用場景的領先實證平臺，形成集理論、技術、裝備和平臺為一體的系統化成果。項目將重點解決一項重大科學問題與突破三大關鍵技術，包括：
面向分布式光伏的高效高變比電力電子拓撲構建與直流并網穩定機理
直流并網變換器需具備高增益、高效率、高可靠優良特性與高自由度控制、寬范圍運行能力。目前針對此類直流變換裝置的拓撲與參數設計方法尚無深入研究，針對其寬頻帶、 寬范圍、 多模式下的動態建模亦缺乏研究。同時，直流并網系統中多變換器間電氣距離短，耦合作用強，多尺度交互作用機理復雜，給系統的穩定分析帶來困難。因此，探索光伏直流變換器拓撲構建方法，開展模型理論研究，揭示裝置與系統間多尺度交互作用機理，是亟須攻克的基礎理論問題。
高變比分布式光伏中壓直流變換器高效/高可靠性變流技術
分布式光伏中壓直流變換器升壓比高達20倍以上，并且光伏陣列輸出功率及電壓寬范圍隨機變化，設備內部電能轉換環節較多，導致直流變換器效率提升困難；變換器端口工況復雜，運行模式多變，并且中壓變換器模塊串并聯數量多，故障耦合和傳導問題突出，降低了變換器的可靠性。因此，研制高變比、高效、高可靠分布式光伏中壓直流變換器具有極大挑戰。
基于全壽命周期模型的中低壓直流并網分布式光伏系統集成與工程設計技術
理論源于實踐，又必須指導實踐。中低壓直流配電系統的研究仍處于起步階段，國內外僅建成了幾處小規模探索性工程，在規劃設計、設備選配、經濟分析等方面還有大量問題需要研究，分布式光伏中低壓接入直流配電系統集成與工程設計尚無適配的標準和規范，因而構建分布式光伏多端接入的中低壓直流配電系統綜合評估指標體系，開展基于全壽命周期模型的中低壓直流并網分布式光伏系統集成與工程設計技術研究具有極大的挑戰。
基于暫態故障特征快速提取辨識的直流配電系統故障定位與保護技術
含高比例分布式光伏的中壓和低壓直流配電系統體現出電力電子化特征，不同拓撲結構、控制策略的換流設備對故障的響應不同，導致直流故障特征不明確，故障暫態過程解析困難、非線性特征強，難以準確提取分析。同時高比例電力電子裝置接入后系統故障電流上升速度快、 沖擊大，故障后換流設備閉鎖速度快，導致有效故障信息持續時間極短。因此，直流系統保護必須在極短的時間通過故障信號有效解析實現快速準確故障識別定位，技術難度較高。
實踐證明，唯有掌握關鍵核心技術這一“大國重器”，才能消除“卡脖子”的隱憂，才能做產業發展的“領跑者”。該項目將立足理論與技術創新，全面突破分布式光伏中低壓直流并網核心關鍵技術體系；同時依托中國電力科學研究院張北試驗基地，建成世界首個分布式光伏直流并網系統平臺（±10kV/±375V/1.2MW），積累工程實證經驗，實現設計規范化、產品實用化、測試標準化。該項目將致力于先進技術產業化，其核心成果可率先應用于2022年杭州亞運會場館與雄安新區直流配電系統等重大標志性工程，并向全國城市電網與工業園區輻射推廣。通過該項目研究與成果轉化應用，將有效提升我國電網對規模化、高滲透率分布式光伏的并網消納能力，有效支撐國家節能減排戰略實施，促進經濟社會可持續發展；同時將增強我國新能源行業技術引領力，提升關鍵裝備研發制造水平，促進產業升級。
提升風光功率預測和調度水平 助力可再生能源消納
——促進可再生能源消納的風電/光伏發電功率預測技術及應用
隨著《可再生能源法》的發布，我國風力和光伏發電取得長足發展。截至2017年底，風電和光伏裝機分別達到1.64、1.30億千瓦，均居世界第一位。風電、光伏已經成為我國主力電源，在總裝機中占比達到17%，在20個省區已成為第二大電源。
電力系統是一個實時平衡系統，在不含大規模風電/光伏的電力系統，可利用常規電源的可控調節能力來適應負荷的動態變化。風/光等新能源出力波動大、與負荷需求時空不匹配，加重了系統調節負擔。隨著風/光裝機容量的增加，其功率預測成為電網運行控制的關鍵環節。我國電源結構以煤電為主，調節速度慢、調節能力不足，對預測水平的要求更高；同時大規模集中開發的特點要求充分發揮大電網調節能力，促進可再生能源消納。
功率預測和調度技術面臨挑戰
功率預測絕對偏差增大。我國風電/光伏裝機容量大，集中度高，隨著風/光出力占比的不斷增加，同樣預測精度帶來的功率偏差總量大幅增加，給新能源調度計劃的制定帶來較大困難，亟須進一步提升預測精度。
預測預見期不足。目前行業標準規定功率預測的預見期為72小時，在以火電為主的電源結構下，無法適應機組組合的動態優化需求，也嚴重影響電力建設、設備檢修、常規電源發電和市場交易的年月度計劃安排，亟待在誤差可控的情況下進一步延長功率預測長度。
預測應用水平需要提升。現有功率預測技術對預測偏差缺乏科學預估，只能憑借以往運行經驗安排調度計劃，既可能影響充分消納，又存在供電不足風險，亟須研究刻畫預測偏差范圍的概率預測技術，同時提升多層級優化調度與風險防控技術。
技術突破助力新能源消納
針對面臨的挑戰，項目從預測和調度兩個技術維度，中長期、短期和超短期三個時間尺度開展技術攻關。預測技術方面，創新預報方法，深入挖掘氣象—功率時空關聯特性，運用深度學習技術，提升預測精度，延長預測長度，填補中長期電量預測、概率預測等技術空白。調度技術方面，研究考慮預測不確定性的調度決策、風險辨識、備用配置和緊急控制等關鍵技術，實現風險可控條件下風/光最大化消納。
天氣預報是風/光功率預測最主要的輸入數據，天氣預報誤差也是功率預測最主要的誤差源。受數值天氣預報技術水平限制，數值天氣預報對不同天氣過程的預報能力不同，導致功率預測誤差在不同的天氣過程和天氣過程的不同階段呈現不同的形式。由于天氣過程演化規律對新能源功率預測誤差的影響機理不明，導致功率預測精度提升較為困難，揭示天氣過程演化規律對風/光功率預測誤差的影響機理是預測精度提升和實現對預測誤差量化評估的關鍵。因此，必須突破天氣過程演化規律對風/光功率預測誤差的影響機理這一科學問題。
風/光資源具有較強的時空關聯性。風/光功率預測精度的提升依賴于對可用氣象信息的充分挖掘，依據單一時刻、單一地點數值天氣預報數據的傳統風/光功率預測技術，忽略了氣象變化的時空關聯特性，未能實現對可用氣象信息的充分利用。對于不同時間、空間尺度上的風/光功率預測問題，需借助先進的智能化學習手段，充分利用與預測對象相關聯的數值天氣預報大數據，在時間與空間維度上擴展模型可用的氣象數據，建立氣象—功率的高維映射模型，提升風/光功率預測的精度。亟待開展基于數值天氣預報大數據時空關聯性的多尺度風/光功率預測的關鍵技術研究。
風/光預測的不確定性增加了電網運行的風險和風/光消納的難度。如何在調度的不同層級、不同階段考慮可再生能源出力的不確定性，并有效管控風險，以確保電力系統能夠安全經濟的消納可再生能源，需要對各個調度環節進行調整，而足夠精確的預測和對風險的可知可控方可保證調度機構敢用這個結果，目前亟待突破考慮預測不確定性的風/光發電跨區多級優化調度與風險防控技術，提高系統運行水平和抗風險能力，促進可再生能源消納。基于預測結果及其概率分布特征，研究隨機優化調度技術及運行風險量化評估方法，支撐多層級調度決策，實現風險防控，促進風/光消納。亟待開展考慮風/光預測不確定性的多級優化調度與風險防控的關鍵技術研究。
項目圍繞上述科學問題和關鍵技術，開展多時空尺度功率預測和調度技術研究，項目預期將突破風電/光伏中長期（年/月）電量預測、短期（0—6天）和超短期（0—4小時）功率預測技術，提出考慮預測不確定性的調度決策和風險防控方法；研發覆蓋全國的中長/短/超短期一體化預測系統、風險調度與緊急控制決策系統，并在國網、南網、蒙西電網等9個調度機構建立示范工程。
項目從基礎理論研究、核心系統研發到典型應用示范全方位布局，將產出一系列具有自主知識產權的國際先進水平的重大成果，探索出一條適合我國資源稟賦和電力系統特點的風電光伏預測以及調度技術，實現電力系統運行靈活性和可再生能源消納能力的有效提升，推動智能電網技術創新，支撐能源結構清潔化轉型和能源消費革命。項目具有廣闊的市場前景和巨大的經濟、社會、生態效益。項目成果將顯著提升我國新能源功率預測精度及應用水平，提升我國大規模可再生能源并網消納水平，促進我國新能源健康發展。
構建電網智能全景系統 實現大電網安全運行的實時分析和精準控制
——互聯大電網高性能分析和態勢感知技術
我國已形成世界上規模最大的交直流互聯電網，電力電子設備和新能源大量接入，導致電網動態特性復雜、安全穩定風險增加，客觀上對在線安全穩定分析提出了更高要求，包括更加準確的狀態感知、更加高效的仿真手段和更加智能的分析評估。
目前電網面臨的三大挑戰
目前基礎模型數據匹配性不足、無法在線進行電力電子特性分析以及單純仿真模式難以滿足電網風險實時掌控的時效性要求。這給當前在線分析技術帶來了新的三大挑戰：
1.新能源波動和負荷特性變化使得電網運行狀態和設備模型參數呈現明顯時變特征，當前在線分析沿用傳統狀態估計方法和離線仿真模型，制約了分析的準確性。
2.現代中國電網已重構為交直流互聯電網，電力電子化特征愈發凸顯，電網穩定特性從機電暫態轉變為機電暫態和電磁暫態混合過程，目前在線分析采用機電暫態仿真，無法進行大電網在線電磁仿真，難以滿足現代電網動態特性分析需要。
3.當前電網運行狀態和安全穩定性快速變化，目前在線分析采用周期掃描和事件觸發的仿真計算模式，耗時5—15分鐘，難以滿足電網風險實時掌控的時效性要求，亟須研究信息驅動的大電網在線運行態勢感知與趨勢預測技術。綜上，為保障當前交直流互聯電網的安全經濟運行，研究互聯大電網高性能分析和態勢感知技術，提升在線仿真分析能力，發展信息驅動的智能化分析模式，實現精準、實時的在線綜合安全穩定分析，意義重大。
