中车株洲所万宇宾:风电场涉网特性改造案例解析

2017年10月16日-19日，2017北京国际风能大会（CWP2017）在北京隆重召开。在中国国际展览中心（新馆）“在役风电机组技改提效”专场，中车株洲电力机车研究所有限公司技术中心副主任万宇宾博士风电场涉网特性改造案例解析发表主旨演讲。

以下为演讲内容：

万宇宾：各位专家同仁大家上午好，下面由我带来这么一个专题是风电机组涉网特性改造案例解析。我汇报的内容分四个部分，首先我们简单介绍一下风电机组涉网特性当前背景，结合我们的标准和我们目前正在做的工作探讨一下它的技术要求，最后我们结合我们目前当前正在开展的这样一个技改项目，对这个项目执行过程我们中间自己总结的一些经验，我们认为值得关注的一些技术关键点进行一些解析，跟大家做一个分享。

首先来谈一下涉网特性改造背景，我用两个关键词来总结这个背景，第一个关键词是替代能源，第一个是在总结我们十二五期间发展成果的时候提到，我们风电已经从补充能源进入到替代能源的发展阶段，另外呢它在阐述我们十三五指导思想也提到，要持续增加风电在能源消费中的比重，实现风电从补充能源向替代能源的转变，那么替代能源怎么理解，我想从不同的维度可以有不同的解读，但是我们从风电作为电源这样一个基本属性来考虑，那么我想它的涉网特性方面应该有这几个方面的要求，这里面也参考了行业专家的理解。

我们分成五个方面，一个是电网适应，电能质量，电网安全，电网调节以及电网规划，这5个层面属性是逐级递增，作为一个能源你能适应电网，你发出来的质量能够被电网所接受，更高一点的要求你要能够参与维护电网的安全，电网出现故障的时候要具备一定的能力，帮助电网恢复过来，电网调节要主动维护主动参与电流的稳定性，电压的稳定性，电网的规划就更高层面的需求了，你应该有一个精确的模型，清晰的技术特征特性，那样的话才能够把这些特性用于电网的一个长期的宏观的一个规划。所以说总的来讲，既然从补充能源到替代能源，对这个风电要求是高了，因此对我们涉网特性的要求也会逐步提高。

第二个是跨区域的通电的输电通道，十三五规划提到，在十三五”期间，有序推进“三北”地区风电跨省区消纳4000万千瓦，特高压输电通道应该说有两方面，一方面与我国电力资源优化配置可以起到关键作用，同时对于我们风电来说也是帮助我们风电行业规模化的建设，规模化的市场消纳铺平道路。电网特高压直流输电有什么样的要求，会带来什么样的新的需求新的问题呢，这里也总结了一下，首先多条跨区域HVDC通道投运，风机涉网特性与HVDC需求间的矛盾逐渐显现跟以往相比，第二个呢因为HVDC存在固有的换向失败的可能性，这是它的固有特性，在换向失败的时候导致线路电压骤升，同时我们要注意到输送容量越大，换向失败后导致的电压骤升越显著；反过来怎么理解呢，如果不能处理好这个高电压高穿的问题，我们现在建成或者正在建设当中的这些通道，有可能它的容量就不能得到最大的发挥。而这个通道的建设成本我们知道动辄是数百亿的，所以说这是一个可能的潜在的巨大的损失。因此下面第三条是电科院的专家总结的，就是说基于以上特性，高电压穿越需求影响的是千万千瓦级别的大区域，而由于固有阻抗存在，低电压穿越影响范围在百万千瓦级别；因此总结这么几点，高穿失败将导致千万千瓦级风电机组群脱网问题，会对电网的稳定性带来更大的冲击，因此呢在我们要加大建设的特高压输电这样一个背景下，涉网特性改造也提出新的要求，因此我想用两个关键词应该可以很好的解读我们现在涉网特性改造这么一个背景。

涉网特性改造的内容主要是目前是这么几个方面，我这里稍微解释一下，一个是高穿，我们需要通过高穿和我们的低穿共同构建起一个完整的故障穿越能力，同时也是响应特高压直流输电的技术要求，第二个方面是风机和风电场要具备有功控制和无功控制，这主要是因为风电比例在不断的升高，所以我们电力系统有功储备也相对下降，这两个特性加在一起，我们叫它模拟同步机的特性，一方面是利用风机本身的功率，有功的能力，无功电源的能力，主动的维护电网的频率和电压的稳定性，风电场就是把单机级别的控制能力、调节能力要求上升到风电场的层面。

然后我们谈到技术要求我们首先来自于标准，这里列出的是我们目前行业内主要的一个涉网特性相关标准，主要来自我们的行标，来自于我们国网的器标，南网的器标，以及正在编制当中的国标，跟我们涉网特性相关性比较强的严格来讲是前面两个标蓝，目前两个标准还没有正式发布，已经完成了意见的征集。

那么除了标准之外呢，翅网特性改造的一个具体的技术要求其实参照相应的标准，我们可以总结这么几张图，高穿实现的是不同的时间要求，不同的电压等级下要求持续时间，有关控制要根据我们的规划的这样属性作出适当的特征，无功控制需要按照我们期望的范围发出感性或者浓性的无功，最后风电场的功率协调控制，实际上也是根据我们的期望去按照这个曲线去跑。也就意味着我们对于有功来讲，这个频率升高的时候，我们功率要下降，当频率低于我们公平的时候，输出的功率应当适当的提升。

除了标准之外，其实还有一方面的技术要求来自于我们的约束，这个约束可能来自于我们风机特性本身的一些必须追寻的物理规律和客观条件限制，至少包含五个方面，首先是工况，在风速和风级运行工况变化，多样不受控我们需要充分考虑各种可能出现情况组合，第二个空气动力学，风机转速下降导致我们气动升力下降，我们这些问题都需要一并考虑。在部件方面要考虑机械结构载荷，关键部件以及辅助系统电气约束，包括我们的热系统约束等等，在控制方面因为在涉网特性中的实现过程中，风机可能会偏离我们预定的这样一个自由发电曲线，短时间的，但是在这个过程中仍然需要坚固风级常规功能实现，比如说传动链阻力控制，塔架主阻控制等等。安全性方面我们也需要兼顾风机原有的安全保护功能，这是最低要求。

第三个部门我们就结合我们当前正在开展的技改安全组的介绍，那么这个项目实际上是华能新能源蒙东公司，还有中国电科院于去年下半年开始策划的一个这样一个涉网特性技改示范工程，那么改造的对象呢是华能蒙东公司旗下的几个风电场，在这个过程中实际上有多家的主机场，还有第三方的专业的这种运维服务公司参与到其中，我们也是参与其中一个标段的工作。

整个项目的背景就是特高压外送通道扎鲁特到青州，这条通道建成以后，蒙东电网作为特高压送端电网面临的高电压、高频故障风险日益加大，涉网特性成为影响风电外送的重要因素，因此前面提到的涉网特性会成为制约它的一个重要的因素，然后呢这条线是从具体的起始点，它是从通辽扎鲁特到山东潍坊青州，我们具体负责的这个标段是华能通辽的浩日格吐风电场，这个风场建成2011年，采用的也是我们中车的1.6兆瓦的风机，121台。

这里介绍一些技改方案和我们当前试验情况，整个项目我们是分这样8个阶段去开展的，包括前期的系统评估，方案设计，技术设计，试验验证，试点改造，以及试点的测试验收，最后呢做批量的改造和批量的验收，那么目前我们现在已经完成试点的改造正在准备进行一个做试点测试验收。

首先来看高穿，针对现场的机型的现状以及我们评估的结果，我们最后得出这样一个软硬件相结合的技改方案，硬件我们有三个方面，变流器控制单元升级，因为老的核心控制器的计算能力还有资源受限，第二个方面因为高穿我们需要通过斩波进行增量，这个成本不是很高。第三方面是综合评估，我们识别出一些关键的可能存在老化存在风险的这样一个器件作为一个更换，确保最后整改效果达到一个预期，这是硬件方面。

软件方面包括高穿当前版本的标准，对主控软件和（变动器）软件的这个功能进行针对性的设计，做它的软件方案。这是我们高穿地面试验波形，这里挑选的是我们两项，1.3倍高风这样一个相对苛刻的这么一个工况，右边是它的各个主要的波形，从这个曲线来看在电压骤升过程中，电压可控，有功功率波动很小，同时呢吸收电网无功幅度也是满足要求，响应速度也很快，整个机侧电流不变，是符合预期的。除了这个工况之外，我们最新标准对所有的工况做了测试，不管是从响应时间，从一些电的约束方面都是满足标准要求的，右边是我们的无功响应一个试验结果，总的来讲高穿没有太大的技术挑战，但是在实现过程中还是有一些技术关键点可能值得分享和探讨，那么这里我们总结了两条，第一个应该充分考虑在故障穿越时刻风机的这么一个各种状态的组合，通过机网侧电流电压的控制，实现约束最优响应，这是比较关键的一个点。

第二个呢，因为它有快速性的要求，同时尽可能的实现部分的电压的可控，因此我们应该及早和及时响应电压的变化，尽可能早的介入电压的调节和控制，那么通过快速无功控制使得电压一定程度，最大限度的受控，满足我们的器件约束，减少波动，同时也避免有可能出现的这种，因为反复的吸发无功导致的振动和波动。

有功控制环节从目前的技术要求来看应该是两个部分，一个是我们是惯量响应，第二个是下垂控制，这两个方面的特性综合在一起我们叫它虚拟同步器，这是目前标准的命名方式，可以发生频率故障的时候，能够使频率偏离的幅度得到一个很好的抑制。

具体到我们项目里面，我们采取的方案是这样一个全部是控制策略一个调整和优化，这里面用黄色标出来的就是在原有常规的风机控制策略上，要实现有功频率需要增加部分功能，下面这部分包括频率检测，以及并行通道分别实现我们的惯量响应和有功调频，上面呢变桨的部分是用来配合完成储存和释放。响应的还有我们转矩和功率的调整以及整个功能一个监督控制，用来实现各部分一个步调一致。这是我们在风场做的试验情况，这是模拟的一个50赫兹到50.4赫兹一个频率的跳变，其中标出了多条曲线，我们可以看到从这一时刻开始频率发生跳变，按照辖区特性的要求我们需要功率发生一个负向的阶跃来响应它，那么可以看到在转距电流上面都可以看到很清晰的阶跃点，这条红线是我额外加上去的，这个时刻没有发生频率跌落事件，原来的正常功率应该是沿着这条红线，跟这条绿线相连这样走下来的，所以可以看到在整个频率控制的过程中，整个功率是符合预期的一个均匀一致的下跌，在整个过程中我们发电机转速我们的功率没有任何的波动，这一点是控制的非常好的一点。

第三个是一个反的，频率下跌从50赫兹降到49.6赫兹，跟前面例子是一样的，我们可以看到有功在损失，在100毫秒以内发生了一个正向跳变，这个时刻恢复回来，当频率恢复的时候我功率也相应的恢复，转矩电流可以看到清晰的上跳跃和下跳跃，然后同样的整个过程中发电机转速，我们的功率在跳变时刻都没有发生任何的波动非常的清晰。

这里总结一下这方面的技术关键点，要响应标准的要求，因为它对快速性对我们的响应精度都提出了要求，所以说我们需要在频率的检测平化性和快速性做一个恰当的折中，这一点很重要，同时呢第二个需要注意的就是我们的两大职能机构，我们的转距，桨距控制之间要做到一个精确的协同，同时要达到备用容量的精确储备和释放，第三个容易出现问题，需要在精确调控有功功率的同时，我们要避免可能出现的这种传动链扭振或者以及其他的一些不期望发生的一些波动等等，这对我们的载荷是有好处的。

第三个部分是无功控制，它的技术关键点，因为我们风机本身就有高于当前线性标准要求的，这个大家都是有共识的，那么关键在于什么呢，要把所有的约束条件捋清楚，满足多重约束条件，可以是静态或者是动态这样一个无功控制边界，以这个边界实施我们无功控制一个准则或者一个模型去开展。

风电场功率协调控制，严格来讲它的功能需求和我们前面已经都实现了，AGC ABC这些功能其实没有本质的差异，它的差异主要体现在三个方面，第一个是它需要加入我们频率的闭环，因为我们需要风电场参与有关调频，第二个它对快速性有明确的要求，它必须在5秒之内，所有的功能条件响应到位，同时第三个方面它对控制的精度也有明确的量化指标，这些在以往我们AGC，ABC这些功能的实现中虽然也有考虑，但是一直没有一个很清晰很明确的标准去鉴定它，所以说在这里是有一个明确的量化要求的，那么它的技术关键点应该说我这里总结了三条，第一个我们要实现一个基于模型有功和无功备用容量方法，这个在前面介绍的时候也提到了，有了这个模型才能够准确界定单台机组的运行范围。

第二个方面要基于这些信息，包括备用容量的信息和这个模型有关功率，设计我们合适何当的有功功率分配算法，从而以最少的全场调节动作实现备用容量快速存储快速释放，这样才能快速达到我们期望响应，整个功率调节能够在5秒之内，快速的完成，没有超调，没有波动，我们把我们的经验也总结成了一个专利，目前也正在申报当中，专利的名字叫做一种风电场有功功率控制方法及系统。

第二个方面就是超出标准以外的一些建议，因为我们风电场目前存在一些线路包括感性设备，因此我们如果以标准的功率数来运行的时候，实际上风电场的出口端它的功率因数并不是1，因此我们基于风电场的电器模型，实际上在实现上述功能的时候可以考虑兼顾我们场内线速的优化，虽然这一块的潜力并不是特别大，往往在可能是临界几个百分点，但是实际上它仍然从长期来看还是能够发挥一个积极的效益，这是一点额外的建议。

好，对今天我的汇报做一个总结，第一点总的来讲在新的形势下，电网期待风电担负起较以往更多的责任，更主动地维护电网安全、参与电网调节。而在技术层面，风电机组以及风电场的涉网特性，将在很大程度上决定风电能否匹配其作为替代能源的全新定位，能否有利于特高压直流输电工程实际效用的最大化；第二点我们的报告也是结合中车实践，对涉网特性改造的部分技术关键点给出了有益的建议；希望能够给后续的工作提供一些借鉴和参考，我的汇报就到这里，谢谢各位。

（发言为能见APP整理，未经本人审核）