中車株洲所萬宇賓:風電場涉網特性改造案例解析

2017-10-20 12:54:49 能見　點擊量：評論 (0)

2017年10月16日-19日，2017北京國際風能大會（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）在役風電機組技改提效專場，中車株洲電力機車研究所有限公司技術中心副主任萬宇賓博士風電場涉網特性改造案例

2017年10月16日-19日，2017北京國際風能大會（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）“在役風電機組技改提效”專場，中車株洲電力機車研究所有限公司技術中心副主任萬宇賓博士風電場涉網特性改造案例解析發表主旨演講。

以下為演講內容：

萬宇賓：各位專家同仁大家上午好，下面由我帶來這么一個專題是風電機組涉網特性改造案例解析。我匯報的內容分四個部分，首先我們簡單介紹一下風電機組涉網特性當前背景，結合我們的標準和我們目前正在做的工作探討一下它的技術要求，最后我們結合我們目前當前正在開展的這樣一個技改項目，對這個項目執行過程我們中間自己總結的一些經驗，我們認為值得關注的一些技術關鍵點進行一些解析，跟大家做一個分享。

首先來談一下涉網特性改造背景，我用兩個關鍵詞來總結這個背景，第一個關鍵詞是替代能源，第一個是在總結我們十二五期間發展成果的時候提到，我們風電已經從補充能源進入到替代能源的發展階段，另外呢它在闡述我們十三五指導思想也提到，要持續增加風電在能源消費中的比重，實現風電從補充能源向替代能源的轉變，那么替代能源怎么理解，我想從不同的維度可以有不同的解讀，但是我們從風電作為電源這樣一個基本屬性來考慮，那么我想它的涉網特性方面應該有這幾個方面的要求，這里面也參考了行業專家的理解。

我們分成五個方面，一個是電網適應，電能質量，電網安全，電網調節以及電網規劃，這5個層面屬性是逐級遞增，作為一個能源你能適應電網，你發出來的質量能夠被電網所接受，更高一點的要求你要能夠參與維護電網的安全，電網出現故障的時候要具備一定的能力，幫助電網恢復過來，電網調節要主動維護主動參與電流的穩定性，電壓的穩定性，電網的規劃就更高層面的需求了，你應該有一個精確的模型，清晰的技術特征特性，那樣的話才能夠把這些特性用于電網的一個長期的宏觀的一個規劃。所以說總的來講，既然從補充能源到替代能源，對這個風電要求是高了，因此對我們涉網特性的要求也會逐步提高。

第二個是跨區域的通電的輸電通道，十三五規劃提到，在十三五”期間，有序推進“三北”地區風電跨省區消納4000萬千瓦，特高壓輸電通道應該說有兩方面，一方面與我國電力資源優化配置可以起到關鍵作用，同時對于我們風電來說也是幫助我們風電行業規模化的建設，規模化的市場消納鋪平道路。電網特高壓直流輸電有什么樣的要求，會帶來什么樣的新的需求新的問題呢，這里也總結了一下，首先多條跨區域HVDC通道投運，風機涉網特性與HVDC需求間的矛盾逐漸顯現跟以往相比，第二個呢因為HVDC存在固有的換向失敗的可能性，這是它的固有特性，在換向失敗的時候導致線路電壓驟升，同時我們要注意到輸送容量越大，換向失敗后導致的電壓驟升越顯著；反過來怎么理解呢，如果不能處理好這個高電壓高穿的問題，我們現在建成或者正在建設當中的這些通道，有可能它的容量就不能得到最大的發揮。而這個通道的建設成本我們知道動輒是數百億的，所以說這是一個可能的潛在的巨大的損失。因此下面第三條是電科院的專家總結的，就是說基于以上特性，高電壓穿越需求影響的是千萬千瓦級別的大區域，而由于固有阻抗存在，低電壓穿越影響范圍在百萬千瓦級別；因此總結這么幾點，高穿失敗將導致千萬千瓦級風電機組群脫網問題，會對電網的穩定性帶來更大的沖擊，因此呢在我們要加大建設的特高壓輸電這樣一個背景下，涉網特性改造也提出新的要求，因此我想用兩個關鍵詞應該可以很好的解讀我們現在涉網特性改造這么一個背景。

涉網特性改造的內容主要是目前是這么幾個方面，我這里稍微解釋一下，一個是高穿，我們需要通過高穿和我們的低穿共同構建起一個完整的故障穿越能力，同時也是響應特高壓直流輸電的技術要求，第二個方面是風機和風電場要具備有功控制和無功控制，這主要是因為風電比例在不斷的升高，所以我們電力系統有功儲備也相對下降，這兩個特性加在一起，我們叫它模擬同步機的特性，一方面是利用風機本身的功率，有功的能力，無功電源的能力，主動的維護電網的頻率和電壓的穩定性，風電場就是把單機級別的控制能力、調節能力要求上升到風電場的層面。

然后我們談到技術要求我們首先來自于標準，這里列出的是我們目前行業內主要的一個涉網特性相關標準，主要來自我們的行標，來自于我們國網的器標，南網的器標，以及正在編制當中的國標，跟我們涉網特性相關性比較強的嚴格來講是前面兩個標藍，目前兩個標準還沒有正式發布，已經完成了意見的征集。

那么除了標準之外呢，翅網特性改造的一個具體的技術要求其實參照相應的標準，我們可以總結這么幾張圖，高穿實現的是不同的時間要求，不同的電壓等級下要求持續時間，有關控制要根據我們的規劃的這樣屬性作出適當的特征，無功控制需要按照我們期望的范圍發出感性或者濃性的無功，最后風電場的功率協調控制，實際上也是根據我們的期望去按照這個曲線去跑。也就意味著我們對于有功來講，這個頻率升高的時候，我們功率要下降，當頻率低于我們公平的時候，輸出的功率應當適當的提升。

除了標準之外，其實還有一方面的技術要求來自于我們的約束，這個約束可能來自于我們風機特性本身的一些必須追尋的物理規律和客觀條件限制，至少包含五個方面，首先是工況，在風速和風級運行工況變化，多樣不受控我們需要充分考慮各種可能出現情況組合，第二個空氣動力學，風機轉速下降導致我們氣動升力下降，我們這些問題都需要一并考慮。在部件方面要考慮機械結構載荷，關鍵部件以及輔助系統電氣約束，包括我們的熱系統約束等等，在控制方面因為在涉網特性中的實現過程中，風機可能會偏離我們預定的這樣一個自由發電曲線，短時間的，但是在這個過程中仍然需要堅固風級常規功能實現，比如說傳動鏈阻力控制，塔架主阻控制等等。安全性方面我們也需要兼顧風機原有的安全保護功能，這是最低要求。

第三個部門我們就結合我們當前正在開展的技改安全組的介紹，那么這個項目實際上是華能新能源蒙東公司，還有中國電科院于去年下半年開始策劃的一個這樣一個涉網特性技改示范工程，那么改造的對象呢是華能蒙東公司旗下的幾個風電場，在這個過程中實際上有多家的主機場，還有第三方的專業的這種運維服務公司參與到其中，我們也是參與其中一個標段的工作。

整個項目的背景就是特高壓外送通道扎魯特到青州，這條通道建成以后，蒙東電網作為特高壓送端電網面臨的高電壓、高頻故障風險日益加大，涉網特性成為影響風電外送的重要因素，因此前面提到的涉網特性會成為制約它的一個重要的因素，然后呢這條線是從具體的起始點，它是從通遼扎魯特到山東濰坊青州，我們具體負責的這個標段是華能通遼的浩日格吐風電場，這個風場建成2011年，采用的也是我們中車的1.6兆瓦的風機，121臺。

這里介紹一些技改方案和我們當前試驗情況，整個項目我們是分這樣8個階段去開展的，包括前期的系統評估，方案設計，技術設計，試驗驗證，試點改造，以及試點的測試驗收，最后呢做批量的改造和批量的驗收，那么目前我們現在已經完成試點的改造正在準備進行一個做試點測試驗收。

首先來看高穿，針對現場的機型的現狀以及我們評估的結果，我們最后得出這樣一個軟硬件相結合的技改方案，硬件我們有三個方面，變流器控制單元升級，因為老的核心控制器的計算能力還有資源受限，第二個方面因為高穿我們需要通過斬波進行增量，這個成本不是很高。第三方面是綜合評估，我們識別出一些關鍵的可能存在老化存在風險的這樣一個器件作為一個更換，確保最后整改效果達到一個預期，這是硬件方面。

軟件方面包括高穿當前版本的標準，對主控軟件和（變動器）軟件的這個功能進行針對性的設計，做它的軟件方案。這是我們高穿地面試驗波形，這里挑選的是我們兩項，1.3倍高風這樣一個相對苛刻的這么一個工況，右邊是它的各個主要的波形，從這個曲線來看在電壓驟升過程中，電壓可控，有功功率波動很小，同時呢吸收電網無功幅度也是滿足要求，響應速度也很快，整個機側電流不變，是符合預期的。除了這個工況之外，我們最新標準對所有的工況做了測試，不管是從響應時間，從一些電的約束方面都是滿足標準要求的，右邊是我們的無功響應一個試驗結果，總的來講高穿沒有太大的技術挑戰，但是在實現過程中還是有一些技術關鍵點可能值得分享和探討，那么這里我們總結了兩條，第一個應該充分考慮在故障穿越時刻風機的這么一個各種狀態的組合，通過機網側電流電壓的控制，實現約束最優響應，這是比較關鍵的一個點。

第二個呢，因為它有快速性的要求，同時盡可能的實現部分的電壓的可控，因此我們應該及早和及時響應電壓的變化，盡可能早的介入電壓的調節和控制，那么通過快速無功控制使得電壓一定程度，最大限度的受控，滿足我們的器件約束，減少波動，同時也避免有可能出現的這種，因為反復的吸發無功導致的振動和波動。

有功控制環節從目前的技術要求來看應該是兩個部分，一個是我們是慣量響應，第二個是下垂控制，這兩個方面的特性綜合在一起我們叫它虛擬同步器，這是目前標準的命名方式，可以發生頻率故障的時候，能夠使頻率偏離的幅度得到一個很好的抑制。

具體到我們項目里面，我們采取的方案是這樣一個全部是控制策略一個調整和優化，這里面用黃色標出來的就是在原有常規的風機控制策略上，要實現有功頻率需要增加部分功能，下面這部分包括頻率檢測，以及并行通道分別實現我們的慣量響應和有功調頻，上面呢變槳的部分是用來配合完成儲存和釋放。響應的還有我們轉矩和功率的調整以及整個功能一個監督控制，用來實現各部分一個步調一致。這是我們在風場做的試驗情況，這是模擬的一個50赫茲到50.4赫茲一個頻率的跳變，其中標出了多條曲線，我們可以看到從這一時刻開始頻率發生跳變，按照轄區特性的要求我們需要功率發生一個負向的階躍來響應它，那么可以看到在轉距電流上面都可以看到很清晰的階躍點，這條紅線是我額外加上去的，這個時刻沒有發生頻率跌落事件，原來的正常功率應該是沿著這條紅線，跟這條綠線相連這樣走下來的，所以可以看到在整個頻率控制的過程中，整個功率是符合預期的一個均勻一致的下跌，在整個過程中我們發電機轉速我們的功率沒有任何的波動，這一點是控制的非常好的一點。

第三個是一個反的，頻率下跌從50赫茲降到49.6赫茲，跟前面例子是一樣的，我們可以看到有功在損失，在100毫秒以內發生了一個正向跳變，這個時刻恢復回來，當頻率恢復的時候我功率也相應的恢復，轉矩電流可以看到清晰的上跳躍和下跳躍，然后同樣的整個過程中發電機轉速，我們的功率在跳變時刻都沒有發生任何的波動非常的清晰。