以下為演講實(shí)錄：

 

　　這次報(bào)告主要是分為這三個(gè)方向：第一部分是簡單介紹我們研究的背景；第二部分是對現(xiàn)在高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的環(huán)境下風(fēng)電機(jī)組的控制是往什么方向在發(fā)展和有什么樣的需求；第三個(gè)就是在未來高比例風(fēng)電的電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢下風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)的未來發(fā)展方向。

 

　　首先大力發(fā)展可再生能源是我們國家能源改革的重要戰(zhàn)略，我們國家是全球風(fēng)電規(guī)模發(fā)展最快也是風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)七年位居第一，預(yù)計(jì)到2050年風(fēng)電的總裝機(jī)達(dá)到10億千瓦；風(fēng)電并網(wǎng)的比例不斷攀升也出現(xiàn)了局部地區(qū)的滲透率過高的問題，因?yàn)槲覀儑沂苜Y源稟賦的影響，主要采取的是風(fēng)電大規(guī)模集中式開發(fā)，由高電壓遠(yuǎn)距離輸送的運(yùn)營模式，而特高壓交直流電網(wǎng)的混聯(lián)和風(fēng)電大規(guī)模跨區(qū)域的輸送已經(jīng)成為我國電網(wǎng)的典型特征。現(xiàn)在尤其三北部分風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致甘肅、蒙東的風(fēng)電穿透率不斷身高，局部地區(qū)比如像甘肅已經(jīng)超過了100%的風(fēng)電穿透率，也形成了高比例電力系統(tǒng)的形成。

 

　　隨著大量的常規(guī)電源傳統(tǒng)的被風(fēng)電大量替代，電力系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性也發(fā)生了深刻變化，尤其是我國“三北地區(qū)”高比例風(fēng)電經(jīng)高壓直流外送的新型電力系統(tǒng)形態(tài)基本形成，使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出弱慣性以及弱頻率和電壓支撐的特性，使得這個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到一定的挑戰(zhàn)。而且隨著現(xiàn)在大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，不管是發(fā)電用戶，用電的用戶更多通過電力電子設(shè)備的并網(wǎng)，而且負(fù)荷側(cè)新增的這些智能控制包括這些大量的控制接入也使得整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行控制變得極為復(fù)雜。

 

　　高比例電力系統(tǒng)面臨著頻率特性的影響。大規(guī)模新能源并網(wǎng)造成電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用降低，電力系統(tǒng)慣量不足，一次調(diào)頻能力弱化，使得頻率穩(wěn)定的問題會(huì)凸顯。其實(shí)在國外面臨同樣的問題，像今年英國倫敦大停電，停電時(shí)間將近2個(gè)小時(shí)，但是展現(xiàn)出來的問題，當(dāng)時(shí)整個(gè)站負(fù)荷有35%，當(dāng)時(shí)的大規(guī)模海上風(fēng)電的拖網(wǎng)也凸顯當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)電機(jī)組的耐受低頻的能力不足。往前追溯2016年的南澳的大停電也是風(fēng)電占負(fù)荷的比例高達(dá)48%，負(fù)荷將近一半的長度，當(dāng)時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)的慣量不足，故障發(fā)生了之后整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率在0.4秒內(nèi)從49.5赫茲跌到了47赫茲，這就是整個(gè)頻率變化的量非常大。

 

　　同樣，系統(tǒng)除了頻率故障以外，風(fēng)電的高電壓穿越故障、高頻振蕩、次同步振蕩等事故在近幾年經(jīng)常發(fā)生，所以使得高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨很大的挑戰(zhàn)，也引起了社會(huì)各界和研究人員的關(guān)注。

 

　　隨著風(fēng)電容量從原來的幾十千瓦發(fā)展到10MW甚至12MW的增大，包括風(fēng)機(jī)的尺寸從風(fēng)輪直徑原來的十幾米到現(xiàn)在將近200米的風(fēng)輪直徑的增加，未來風(fēng)電的發(fā)展方向如何？風(fēng)電在保障自身安全的情況下內(nèi)為電網(wǎng)的穩(wěn)定作出怎樣的貢獻(xiàn)？我們?nèi)绾伟l(fā)掘風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的能力？因?yàn)槿萘吭龃罅耍瑥脑瓉盹L(fēng)電機(jī)組做到被動(dòng)的適應(yīng)電網(wǎng)的一些需求，電網(wǎng)如果發(fā)生了一些故障之后我能夠做到不搗亂，有一定程度上不給電網(wǎng)增加額外的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)在已經(jīng)作為第三大主力電源，未來電網(wǎng)發(fā)生故障，我在保證自己安全的情況下，是否能夠幫助電網(wǎng)穩(wěn)定和恢復(fù)，我認(rèn)為是大家未來比較關(guān)注和更多研究的方向。

 

　　接下來我談?wù)撘幌聦τ陲L(fēng)電先進(jìn)控制技術(shù)這一塊如何幫助電網(wǎng)提升穩(wěn)定性，介紹我們做的一些工作和思考。

 

　　隨著風(fēng)電發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組自身能力不斷被挖掘，機(jī)組性能不斷提升，風(fēng)電機(jī)組對于涉網(wǎng)性能主要展現(xiàn)在有功頻率的響應(yīng)還有無功電壓的響應(yīng)還有電網(wǎng)適應(yīng)性和電能質(zhì)量的研究。有功頻率這一塊主要是頻率支撐能力，涉及到對于頻率支撐的慣量響應(yīng)控制和一次調(diào)頻的控制；無共電壓這一塊主要是風(fēng)電機(jī)組的無功能力的提升，做到的就是低電壓穿越包括電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)的高電壓穿越的需求和窄帶支撐的特性。我們的工作就是對頻率支撐和高、低電壓穿越的需求上。

 

　　我們研究發(fā)現(xiàn)不同的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和風(fēng)電占比對電力系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生影響。隨著系統(tǒng)的慣量增大，當(dāng)發(fā)生頻率跌落的時(shí)候，頻率的最低點(diǎn)會(huì)逐步升高，頻率穩(wěn)定時(shí)間會(huì)逐步地縮短，這就是為什么在同步機(jī)和交流系統(tǒng)中大家愿意提升系統(tǒng)的慣量；而隨著風(fēng)電的占比增大，頻率跌落的低點(diǎn)會(huì)越來越低，穩(wěn)定的時(shí)間需求會(huì)越來越大，所以在整個(gè)風(fēng)電占比越高的時(shí)候，系統(tǒng)的頻率特性會(huì)越來越差。

 

　　傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組最先考慮的是通過引入一個(gè)附加功率控制來響應(yīng)這個(gè)系統(tǒng)的頻率變化率和系統(tǒng)的頻率偏差，然后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率低點(diǎn)會(huì)由附加功率控制中的頻率的系數(shù)和頻率的偏差系數(shù)共同決定，呈正相關(guān)向。頻率的穩(wěn)態(tài)值僅與頻率偏差項(xiàng)的系數(shù)成正相關(guān)性。也就是一次調(diào)頻不光是能改善故障發(fā)生后的頻率最低點(diǎn)的狀況，同樣對頻率的穩(wěn)態(tài)有幫助。而慣量響應(yīng)僅僅是用來增高頻率跌落最低點(diǎn)的狀態(tài)。

 

　　對于2MW的風(fēng)電機(jī)組本身風(fēng)電機(jī)組是蘊(yùn)含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的，只不過是通過電力電子的設(shè)備與電網(wǎng)連接之后，它天然結(jié)藕了電網(wǎng)頻率的關(guān)系，所以導(dǎo)致不響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化。現(xiàn)在主流的想法就是我通過改變風(fēng)電機(jī)組的有功頻率控制，使風(fēng)電機(jī)組模擬同步機(jī)響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化。可以看到本身的機(jī)組自身轉(zhuǎn)子中蘊(yùn)含了這個(gè)能量其實(shí)最低支撐有功出率的10秒的時(shí)間，如果在大風(fēng)情況下，就是風(fēng)能好的情況下，支撐的時(shí)間更長。我們做過小風(fēng)慣量的試驗(yàn)，可以看到利用模擬慣量響應(yīng)過程的方式是可以做到響應(yīng)頻率變化率的變化。我們知道在頻率上擾的時(shí)候需要風(fēng)機(jī)減出力，大家得好理解而且是容易做到的；但是在頻率下擾的時(shí)候，就出現(xiàn)一個(gè)問題，就是我的容量是否足夠支撐多發(fā)的這部分功率，所以后續(xù)我們的考慮也是存在在頻率跌落的故障發(fā)生的時(shí)候，我們?nèi)绾问惯@個(gè)風(fēng)電機(jī)組多發(fā)一定的功率來達(dá)到功率支撐的目的。

 

　　這是我們當(dāng)時(shí)做了幾組對風(fēng)電機(jī)組的附加功率控制，以實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)的情況。可以看到通過簡單的附加功率控制環(huán)節(jié)是可以做到10%有功的功率支撐的，在大風(fēng)階段的時(shí)候，在于限功率和不限功率的情況下，利用變角會(huì)預(yù)流出功率，解決容量不足的問題，同樣在大小風(fēng)不限功率的情況下，短時(shí)間內(nèi)只是抑制頻率快速變化的話，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)子儲能是足夠處理這項(xiàng)工作的。

 

　　在一次調(diào)頻階段，也就是在我的電網(wǎng)頻率偏差額定頻率的情況下，這個(gè)時(shí)候能量問題會(huì)更凸顯。我們大致分成了幾種方式：首先用控制慣量的方式，把原來蘊(yùn)含在轉(zhuǎn)子動(dòng)能的方式進(jìn)行功率支撐；另外一個(gè)是類比于同步機(jī)做一個(gè)轉(zhuǎn)速備用的方式來響應(yīng)頻率支撐。

 

　　慣量控制的好處在于它的響應(yīng)速度非常快，相比于同步機(jī)而言一般火電機(jī)組的響應(yīng)速度在10秒左右，但是風(fēng)電的慣量響應(yīng)速度非常快，但是存在問題風(fēng)能轉(zhuǎn)子中的容量支撐頻率變化率是可以的，但是如果要長時(shí)間支撐電網(wǎng)的頻率恢復(fù)它的容量會(huì)有問題，如果轉(zhuǎn)速在小風(fēng)階段本身的慣量是不足的，那么如果過長時(shí)間釋放慣量的話，在支撐結(jié)束之后會(huì)產(chǎn)生功率凹陷，因?yàn)槟芰渴瞧胶獾模@個(gè)時(shí)候恢復(fù)到原來的跟蹤控制的話，原來過多釋放，釋放到并網(wǎng)的最低轉(zhuǎn)速，那么我在故障完成了之后會(huì)重新吸收能量，所以這個(gè)地方慣量控制如果在能量過多釋放的情況下會(huì)有動(dòng)力凹陷。

 

　　轉(zhuǎn)速備用是在我正常控制，就是高速減載的運(yùn)行模式，但是這只是存在一個(gè)力量，是類比于同步機(jī)的，它僅存在于中低速風(fēng)速的情況下，中低速風(fēng)速又存在容量不足的問題。槳距角備用因?yàn)橐{(diào)節(jié)風(fēng)能的捕獲，涉及到機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，所以響應(yīng)速度慢。外加儲能是一個(gè)很好的解決能量來源的問題，但是最大的問題在于經(jīng)濟(jì)性方面，如果我的風(fēng)機(jī)外加了儲能，我能隨時(shí)滿足你的有功支撐和頻率調(diào)節(jié)的要求，但是對我風(fēng)機(jī)的成本增加是非常大的，這就需要從經(jīng)濟(jì)性的角度平衡這個(gè)問題。實(shí)際上在慣量控制調(diào)頻和漿距角備用我們做過測試，慣量控制響應(yīng)速度非常快，但是槳距角支撐時(shí)間比較長，但是要響應(yīng)幾秒鐘才能滿足10%的功率支撐的以后。

 

　　這個(gè)是針對一次調(diào)頻做的限功率情況下和不限功率情況下的大小風(fēng)的一次調(diào)頻的測試。可以看到通過上述的幾種方法，現(xiàn)在的風(fēng)電機(jī)組在不增加硬件設(shè)施的情況下，從控制角度是可以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的功能。可以看到在小風(fēng)不限功率的情況下，我們設(shè)定的是提供10秒鐘的功率支撐，在支撐結(jié)束之后，可以看到會(huì)一個(gè)小的凹坑，這展現(xiàn)出能量不足的情況。

 

　　在大多數(shù)風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的能量管理平臺或者是風(fēng)電場的功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)場站級的頻率控制，右邊是實(shí)際模擬對于風(fēng)電場的功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)輸入真實(shí)的電網(wǎng)頻率的錄播，可以體現(xiàn)出現(xiàn)有的協(xié)調(diào)控制是可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的要求。這個(gè)地方我們設(shè)定的是0.04赫茲，可以看到電網(wǎng)頻率整個(gè)風(fēng)電場會(huì)針對頻率的變化給予一定的有功支撐。

 

　　對于高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的情況下對低電壓穿越性能的影響。我們構(gòu)建了220千伏的外環(huán)網(wǎng)為主網(wǎng)架的高比例可再生能源受端的電網(wǎng)系統(tǒng)，對整個(gè)系統(tǒng)做N-1的故障掃描。我們設(shè)置了5種情況，風(fēng)電占負(fù)荷的比例從25%左右提升到63%左右的情況，可以看到原有的低電壓穿越的曲線，我們會(huì)對整個(gè)電力系統(tǒng)的故障掃描做一個(gè)穩(wěn)定性分析。會(huì)發(fā)現(xiàn)第一種方式也就是風(fēng)電占比24%左右，風(fēng)電+直流占負(fù)荷一半的情況下，按不同的低穿的情況做系統(tǒng)的穩(wěn)定性是沒有問題的。設(shè)置的第二種方式就是風(fēng)電占負(fù)荷比例提升在40%左右，而風(fēng)電+直流占負(fù)荷在65%左右的時(shí)候，按照原有的低電壓穿越的技術(shù)整個(gè)系統(tǒng)是沒辦法達(dá)到穩(wěn)定的，如果一定程度上增長電壓恢復(fù)的時(shí)間，稍微減小一下電壓恢復(fù)的等級，在這種情況下也可以穩(wěn)定的。

 

　　當(dāng)風(fēng)電占負(fù)荷超過45%，目前對于整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越，對于系統(tǒng)穩(wěn)定會(huì)有很大的影響，這種情況下系統(tǒng)是沒辦法保持穩(wěn)定的，這也印證了南澳的那一次大停電，風(fēng)電占整個(gè)負(fù)荷超過45%的情況下，其實(shí)風(fēng)電的低穿是有問題的，當(dāng)時(shí)他們有14個(gè)風(fēng)電場，有9個(gè)風(fēng)電場是多次低穿未過而產(chǎn)生這個(gè)情況，也就是在高比例風(fēng)電系統(tǒng)的情況下，原有的技術(shù)對電力系統(tǒng)我們需要重新審視原有的要求。是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，就是在高比例風(fēng)電的情況下，對低穿實(shí)際上也是重新提了一個(gè)需求。故障后就是不同的風(fēng)電占比的情況下，同樣在電壓恢復(fù)階段也存在一些問題。第二種方式的情況下我們發(fā)現(xiàn)無功支撐也是需要進(jìn)一步提升的，現(xiàn)在對于無功需求的系數(shù)是按照1.5算的，但是我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)電占比超過40%之后，這個(gè)系數(shù)其實(shí)需要提高才能保持電網(wǎng)穩(wěn)定。也就是說不光從低電壓穿越的需求和電壓對于無功支撐的要求，風(fēng)電占比不斷增高是對于風(fēng)機(jī)這方面的需求會(huì)越來越嚴(yán)苛，這是未來需要進(jìn)一步研究的方向。

 

　　對于高電壓穿越的需求。首先在低穿越的過程中，機(jī)組如果低穿沒有通過會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的無功過剩，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電壓升高，也會(huì)使其他未脫網(wǎng)的機(jī)組面臨高電壓脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)特壓的直流失敗也會(huì)引起高電壓故障的情況。針對風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越是通過控制方式來實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)電機(jī)組本身耐壓能力是可以支撐1.3額定電壓的耐受，當(dāng)三相平衡電壓升高的故障發(fā)生和三相不平衡高電壓故障發(fā)生了之后，風(fēng)電機(jī)組是可以正常地進(jìn)行有功處理，然后通過它的無功控制能正常進(jìn)行有功處理的。這種情況下對于風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越就是電壓耐受性也是未來需要注意的方向，目前的研究來看，風(fēng)電機(jī)組在不增加硬件設(shè)施的情況下，其實(shí)是可以通過控制來實(shí)現(xiàn)高電壓穿越的能力。

 

　　在風(fēng)電機(jī)組挖掘?qū)﹄娋W(wǎng)的支撐性能之后，更多也是要考慮風(fēng)電機(jī)組自身的安全穩(wěn)定的方式。我們對整個(gè)風(fēng)電機(jī)組在慣量支撐期間，它的載荷變化做過簡單的研究。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在不同的慣量上和不同慣量的持續(xù)時(shí)間和不同支撐幅度的慣量響應(yīng)過程都會(huì)對風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷產(chǎn)生一定的影響，其中會(huì)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間快速的慣量響應(yīng)會(huì)對風(fēng)電機(jī)組的軸系造成較大的損傷的風(fēng)險(xiǎn)：隨著響應(yīng)時(shí)間的不斷提升，在慣量支撐的過程中，軸系的載荷會(huì)有明顯的增大。這就告訴我們要在慣量支撐的要求上，也要注意一定的平衡，而且一定程度上風(fēng)電機(jī)組未來的載荷優(yōu)化甚至在前期的設(shè)計(jì)方面也都需要考慮未來這些功能實(shí)現(xiàn)帶來的一些影響。

 

　　在一次調(diào)頻方面，如果我們對于未來要試試槳距角預(yù)流功率進(jìn)行一次調(diào)頻的方面，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)槳距角會(huì)增加葉根疲勞載荷的增大，隨著一次調(diào)頻有功支撐幅度的增大，載荷實(shí)際上也是不斷增大的。而且一次調(diào)頻過程中，對于漿距絕的會(huì)增加塔架左右，而且也使得載荷線性增加。

 

　　對于低電壓的穿越過程中，不同的電壓跌落深度對于軸系的紐振包括塔架左右方向的載荷都會(huì)有增加的影響，而對于葉根的載荷可能會(huì)影響較小，因?yàn)橹饕请娖鞣矫娴墓收蠜_擊。對于所有的載荷平能都有增加，尤其是軸系疲勞載荷是很明顯的增加。

 

　　對于不同的有功功率恢復(fù)時(shí)間的長短，可以發(fā)現(xiàn)它對于傳動(dòng)鏈軸系的載荷也會(huì)有很大的影響，但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)有功恢復(fù)的時(shí)間設(shè)定得更長一點(diǎn)，比如到500毫秒之后會(huì)發(fā)現(xiàn)載荷增加就沒有那么劇烈了，也就是說我們在對于有功恢復(fù)階段的時(shí)候，考慮到風(fēng)機(jī)自身的載荷的限制，是不是在現(xiàn)有的有功恢復(fù)的階段，不給他們提過多的要求。同時(shí)我們在未來的機(jī)組開發(fā)和結(jié)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)時(shí)是否也考慮應(yīng)對未來如果需求是快速有功恢復(fù)的情況下，對載荷進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)。

 

　　接下來主要對未來風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的展望。

 

　　高比例系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組處于我國第三大的發(fā)電電力能源，風(fēng)電機(jī)組需要從被動(dòng)適應(yīng)到主動(dòng)支撐的角色轉(zhuǎn)變，在我們看來不光是要重點(diǎn)突破主要在對于電網(wǎng)的頻率支撐和高電壓穿越和故障穿越的技術(shù)，包括主動(dòng)阻尼和主動(dòng)抑制的優(yōu)化控制，從機(jī)組的層面是否能做到抑制振蕩或者是減少振蕩風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。滿足這些控制和功能之后，風(fēng)電機(jī)組對自身載荷的優(yōu)化控制和對自身安全穩(wěn)定的保障。這就是我們認(rèn)為未來的高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)條件下風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化控制主要是從這四個(gè)方面來發(fā)展和演化的。

 

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