中車株洲所萬宇賓:風(fēng)電場涉網(wǎng)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(fēng)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(fēng)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(shù)中心副主任萬宇賓博士風(fēng)電場涉網(wǎng)特性改造案例

2017年10月16日-19日，2017北京國際風(fēng)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(fēng)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(shù)中心副主任萬宇賓博士風(fēng)電場涉網(wǎng)特性改造案例解析發(fā)表主旨演講。

以下為演講內(nèi)容：

萬宇賓：各位專家同仁大家上午好，下面由我?guī)磉@么一個專題是風(fēng)電機組涉網(wǎng)特性改造案例解析。我匯報的內(nèi)容分四個部分，首先我們簡單介紹一下風(fēng)電機組涉網(wǎng)特性當(dāng)前背景，結(jié)合我們的標(biāo)準(zhǔn)和我們目前正在做的工作探討一下它的技術(shù)要求，最后我們結(jié)合我們目前當(dāng)前正在開展的這樣一個技改項目，對這個項目執(zhí)行過程我們中間自己總結(jié)的一些經(jīng)驗，我們認(rèn)為值得關(guān)注的一些技術(shù)關(guān)鍵點進行一些解析，跟大家做一個分享。

首先來談一下涉網(wǎng)特性改造背景，我用兩個關(guān)鍵詞來總結(jié)這個背景，第一個關(guān)鍵詞是替代能源，第一個是在總結(jié)我們十二五期間發(fā)展成果的時候提到，我們風(fēng)電已經(jīng)從補充能源進入到替代能源的發(fā)展階段，另外呢它在闡述我們十三五指導(dǎo)思想也提到，要持續(xù)增加風(fēng)電在能源消費中的比重，實現(xiàn)風(fēng)電從補充能源向替代能源的轉(zhuǎn)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(fēng)電作為電源這樣一個基本屬性來考慮，那么我想它的涉網(wǎng)特性方面應(yīng)該有這幾個方面的要求，這里面也參考了行業(yè)專家的理解。

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

第二個是跨區(qū)域的通電的輸電通道，十三五規(guī)劃提到，在十三五”期間，有序推進“三北”地區(qū)風(fēng)電跨省區(qū)消納4000萬千瓦，特高壓輸電通道應(yīng)該說有兩方面，一方面與我國電力資源優(yōu)化配置可以起到關(guān)鍵作用，同時對于我們風(fēng)電來說也是幫助我們風(fēng)電行業(yè)規(guī)模化的建設(shè)，規(guī)模化的市場消納鋪平道路。電網(wǎng)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(jié)了一下，首先多條跨區(qū)域HVDC通道投運，風(fēng)機涉網(wǎng)特性與HVDC需求間的矛盾逐漸顯現(xiàn)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?qū)е戮€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(dǎo)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(xiàn)在建成或者正在建設(shè)當(dāng)中的這些通道，有可能它的容量就不能得到最大的發(fā)揮。而這個通道的建設(shè)成本我們知道動輒是數(shù)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(jié)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(qū)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(jié)這么幾點，高穿失敗將導(dǎo)致千萬千瓦級風(fēng)電機組群脫網(wǎng)問題，會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來更大的沖擊，因此呢在我們要加大建設(shè)的特高壓輸電這樣一個背景下，涉網(wǎng)特性改造也提出新的要求，因此我想用兩個關(guān)鍵詞應(yīng)該可以很好的解讀我們現(xiàn)在涉網(wǎng)特性改造這么一個背景。

涉網(wǎng)特性改造的內(nèi)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(gòu)建起一個完整的故障穿越能力，同時也是響應(yīng)特高壓直流輸電的技術(shù)要求，第二個方面是風(fēng)機和風(fēng)電場要具備有功控制和無功控制，這主要是因為風(fēng)電比例在不斷的升高，所以我們電力系統(tǒng)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(fēng)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(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定性，風(fēng)電場就是把單機級別的控制能力、調(diào)節(jié)能力要求上升到風(fēng)電場的層面。

然后我們談到技術(shù)要求我們首先來自于標(biāo)準(zhǔn)，這里列出的是我們目前行業(yè)內(nèi)主要的一個涉網(wǎng)特性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要來自我們的行標(biāo)，來自于我們國網(wǎng)的器標(biāo)，南網(wǎng)的器標(biāo)，以及正在編制當(dāng)中的國標(biāo)，跟我們涉網(wǎng)特性相關(guān)性比較強的嚴(yán)格來講是前面兩個標(biāo)藍(lán)，目前兩個標(biāo)準(zhǔn)還沒有正式發(fā)布，已經(jīng)完成了意見的征集。

那么除了標(biāo)準(zhǔn)之外呢，翅網(wǎng)特性改造的一個具體的技術(shù)要求其實參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，我們可以總結(jié)這么幾張圖，高穿實現(xiàn)的是不同的時間要求，不同的電壓等級下要求持續(xù)時間，有關(guān)控制要根據(jù)我們的規(guī)劃的這樣屬性作出適當(dāng)?shù)奶卣鳎瑹o功控制需要按照我們期望的范圍發(fā)出感性或者濃性的無功，最后風(fēng)電場的功率協(xié)調(diào)控制，實際上也是根據(jù)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(dāng)頻率低于我們公平的時候，輸出的功率應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)奶嵘?/span>

除了標(biāo)準(zhǔn)之外，其實還有一方面的技術(shù)要求來自于我們的約束，這個約束可能來自于我們風(fēng)機特性本身的一些必須追尋的物理規(guī)律和客觀條件限制，至少包含五個方面，首先是工況，在風(fēng)速和風(fēng)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(xiàn)情況組合，第二個空氣動力學(xué)，風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)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(jié)構(gòu)載荷，關(guān)鍵部件以及輔助系統(tǒng)電氣約束，包括我們的熱系統(tǒng)約束等等，在控制方面因為在涉網(wǎng)特性中的實現(xiàn)過程中，風(fēng)機可能會偏離我們預(yù)定的這樣一個自由發(fā)電曲線，短時間的，但是在這個過程中仍然需要堅固風(fēng)級常規(guī)功能實現(xiàn)，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(fēng)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(jié)合我們當(dāng)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(wǎng)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(fēng)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(yè)的這種運維服務(wù)公司參與到其中，我們也是參與其中一個標(biāo)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(wǎng)作為特高壓送端電網(wǎng)面臨的高電壓、高頻故障風(fēng)險日益加大，涉網(wǎng)特性成為影響風(fēng)電外送的重要因素，因此前面提到的涉網(wǎng)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(fù)責(zé)的這個標(biāo)段是華能通遼的浩日格吐風(fēng)電場，這個風(fēng)場建成2011年，采用的也是我們中車的1.6兆瓦的風(fēng)機，121臺。

這里介紹一些技改方案和我們當(dāng)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(tǒng)評估，方案設(shè)計，技術(shù)設(shè)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(xiàn)在已經(jīng)完成試點的改造正在準(zhǔn)備進行一個做試點測試驗收。

首先來看高穿，針對現(xiàn)場的機型的現(xiàn)狀以及我們評估的結(jié)果，我們最后得出這樣一個軟硬件相結(jié)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(guān)鍵的可能存在老化存在風(fēng)險的這樣一個器件作為一個更換，確保最后整改效果達(dá)到一個預(yù)期，這是硬件方面。

軟件方面包括高穿當(dāng)前版本的標(biāo)準(zhǔn)，對主控軟件和（變動器）軟件的這個功能進行針對性的設(shè)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(fēng)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(wǎng)無功幅度也是滿足要求，響應(yīng)速度也很快，整個機側(cè)電流不變，是符合預(yù)期的。除了這個工況之外，我們最新標(biāo)準(zhǔn)對所有的工況做了測試，不管是從響應(yīng)時間，從一些電的約束方面都是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，右邊是我們的無功響應(yīng)一個試驗結(jié)果，總的來講高穿沒有太大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是在實現(xiàn)過程中還是有一些技術(shù)關(guān)鍵點可能值得分享和探討，那么這里我們總結(jié)了兩條，第一個應(yīng)該充分考慮在故障穿越時刻風(fēng)機的這么一個各種狀態(tài)的組合，通過機網(wǎng)側(cè)電流電壓的控制，實現(xiàn)約束最優(yōu)響應(yīng)，這是比較關(guān)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(xiàn)部分的電壓的可控，因此我們應(yīng)該及早和及時響應(yīng)電壓的變化，盡可能早的介入電壓的調(diào)節(jié)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(xiàn)的這種，因為反復(fù)的吸發(fā)無功導(dǎo)致的振動和波動。

有功控制環(huán)節(jié)從目前的技術(shù)要求來看應(yīng)該是兩個部分，一個是我們是慣量響應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)的命名方式，可以發(fā)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(diào)整和優(yōu)化，這里面用黃色標(biāo)出來的就是在原有常規(guī)的風(fēng)機控制策略上，要實現(xiàn)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(xiàn)我們的慣量響應(yīng)和有功調(diào)頻，上面呢變槳的部分是用來配合完成儲存和釋放。響應(yīng)的還有我們轉(zhuǎn)矩和功率的調(diào)整以及整個功能一個監(jiān)督控制，用來實現(xiàn)各部分一個步調(diào)一致。這是我們在風(fēng)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(biāo)出了多條曲線，我們可以看到從這一時刻開始頻率發(fā)生跳變，按照轄區(qū)特性的要求我們需要功率發(fā)生一個負(fù)向的階躍來響應(yīng)它，那么可以看到在轉(zhuǎn)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(fā)生頻率跌落事件，原來的正常功率應(yīng)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(yù)期的一個均勻一致的下跌，在整個過程中我們發(fā)電機轉(zhuǎn)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(nèi)發(fā)生了一個正向跳變，這個時刻恢復(fù)回來，當(dāng)頻率恢復(fù)的時候我功率也相應(yīng)的恢復(fù)，轉(zhuǎn)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(fā)電機轉(zhuǎn)速，我們的功率在跳變時刻都沒有發(fā)生任何的波動非常的清晰。

責(zé)任編輯：lixin

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