2017年12月27日，世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站在位于张家口的国家风光储输示范电站建成投运。据国家电网公司副总经理杨晋柏介绍，工程总计改造风机59台共118兆瓦、500千瓦光伏逆变器24台共12兆瓦，新建5兆瓦电站式虚拟同步机2套。
国家风光储输示范电站 赵秉忠/摄
何为虚拟同步机技术？简言之，该技术能使新能源机组由“我行我素”的“自转”变为“协调统一”的“公转”，主动支撑电网频率、电压波动，有力保障电网安全稳定运行。
在风光储输示范电站，由理论一步步变为现实的虚拟同步机技术正在使冀北地区丰富而“任性”的清洁电力更加适应“训练有素”的电网阵营。
此次投运的电站式虚拟同步机采用电压控制型虚拟同步机技术，具备自动有功调频、无功调压、削峰填谷和黑启动等综合功能。电站式虚拟同步机的建成投运标志着我国虚拟同步机主要技术方案在光伏、风电和电站式三大类型上实现全覆盖。
据冀北电力公司相关负责人介绍，虚拟同步机技术通过将同步机的机电暂态方程引入电力电子设备控制环节，使新能源能够自适应地参与系统的频率和电压调节，同时具备阻尼系统振荡的功能，可使新能源发电的特性最大限度接近常规火电。
虚拟同步机技术自1997年提出以来，英国、美国、德国、荷兰等新能源大国都在努力攻关。世界同行研究20年未果，中国首先实现突破。2016年，国家电网公司开展电网前瞻技术研究，依托国家风光储输示范工程，启动新能源虚拟同步机示范工程建设。国网冀北电力公司协同中国电科院、许继集团、南瑞集团等单位开展了关键技术攻关和装备研制，最终攻破技术难关，全面掌握了虚拟同步机核心技术，为大规模新能源友好并网提供了新的技术手段。
据悉，此前，虚拟同步机技术的研究主要停留在理论和微电网应用层面，此次国网建成世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站，研制大容量新能源虚拟同步机，填补了虚拟同步机技术在大电网应用方面的空白。截至目前，国网公司已成功研制了光伏、风电、电站式三类虚拟同步机装置，主要技术指标均达到预期要求。其中，世界首套500千瓦光伏虚拟同步机已于2016年12月全部建成投运。采用增加超级电容、磷酸铁锂电池两种技术路线，研发了光伏发电最大功率跟踪与虚拟同步机协调控制系统，使光伏发电单元具备了惯量支撑、一次调频和主动电压调节等功能。世界首套2兆瓦风电虚拟同步机于2017年11月全部建成投运，基于原控制系统，通过增加控制环节、优化控制策略，采用预留备用、风机转动惯量两种调频支撑技术路线，使风机能够主动感知并适应电力系统运行变化，具备自动有功调频、无功调压、阻尼系统振荡等能力。
此外，在实体工程建设过程中，国家电网还探索建立了虚拟同步机装备试验检测体系，全面验证了虚拟同步机的性能并提出了应用推广建议。按照“先示范、后推广”原则，在后续推广阶段，将在示范工程改造经验的基础上，对国家风光储输示范电站内剩余117台各型风机进行虚拟同步机改造，总容量达到317.5兆瓦。
截至2017年11月，我国风电装机容量约达1.82亿千瓦，光伏装机容量达1.26亿千瓦，规模均居世界第一。新能源已成为17个省级电网的第二大电源，其中冀北、甘肃、宁夏等省级电网新能源装机占比已超过40%，大规模、高比例新能源将成为我国新一代电力系统的重要特征。统计数据显示，我国冀北区域新能源装机容量1474.81万千瓦，统调装机占比达到53.09%，是我国第一个新能源装机占比超过50%的省级电网。预计到2030年，张家口可再生能源示范区内风电、光伏和光热装机将分别达2000万、2400万和600万千瓦。
“正如一个孩子小的时候，我们都关心他的成长，不太强调他的责任。但是当他长大以后，我们会越来越强调他的责任。我国新能源快速发展，现已到了需要关注其责任的时候。”中国电力科学研究院院长、中国工程院院士郭剑波表示，虚拟同步机技术正是让新能源“担起责任”的方法。
杨晋柏表示：“电力系统的安全、可靠、经济运行，既依赖于电网技术、装备的提升，又依赖于各类并网电源协同发挥各自的支撑作用。虚拟同步机技术可使新能源发电技术更加智能，实现清洁能源友好并网，将有效促进能源转型，为新能源大规模发电奠定基础。”
