国电联丁亮：风电场快速调频和无功调压技术应用
东方风力发电网 2020年10月16日 528
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 
在16日上午召开的风电机组技改专题论坛上，国电联合动力技术有限公司软件部副主任丁亮发表《风电场快速调频和无功调压技术应用》主题演讲。 以下为发言实录： 丁亮：今天汇报内容分为四部分，首先是风电消纳，中国的风电发展迅猛，我国风电的装机容量跟年均增长率全球第一，随着风电度电成本的快速下降，风电将会持续保持高速增长，根据相关研究预测，到2030年新能源装机占比将会达到38%的水平，2050年新能源的装机占比在电网中将会达到70%，这样就会导致消纳的问题，将会长期困扰制约风力发展的挑战。据统计2010年到2015年我国弃风电量损失已经达到一千亿千瓦时，新能源占比32.6%，弃风率就已高达14%，随着风电重回三北地区，新能源占比将会再次升高，消纳压力巨大，主要原因是风电大规模并网严重影响了电网频率和电压的安全。根据一些相关的研究，其实传统的风电场不具备快速调频的能力，当大规模并网之后挤占了同步发电机组的开机容量，导致电力系统整个转动惯量降低，调频能力急剧下降，我们看左侧的发电机的转子运动方程，就很直观能够看到整个频率的变化率主要跟我转动惯量跟机械转矩跟电磁转矩有关系，转动惯量其实代表着同步发电机组转动的惯量，这个惯量值越大，整个电力系统频率变化率就会越慢，接下来我们看几个机械转矩，对动这发电机的有功调节，这个量越大相当于整个频率变化的幅度越小，最后电磁转矩，对应的是整个负荷的有功变化，我们刚才说了新能源的占比越来越高，影响的是什么呢？首先影响的是转动惯量，因为同步发电机转动惯量会逐步减少，新能源占比达到30%以上的时候，这个转动惯量就已经弱到一定程度，像西北五省为什么近两年快速推一次调频的改造，就是因为整个电网频率安全性已经急剧下降了。 另外一方面相当于风电严重影响了电网的电压安全，我们都知道风电的动态无功支撑能力照常规的机组电压要弱，并且风力发电相当于逐级升压到电网的，与主电网电气距离是常规机组的两到三倍，随着光伏跟风电快速增长，电力系统它的无功储备能力以及调节也是在急剧下降，这导致整个电力系统电压问题十分突出，我们看常规的火电机组有可能接到电力机组高压电网上，整个阻抗值就0.047PU，风电阻抗值达到0.089PU，这么大阻抗会直接影响电压的稳定性。而且近两年各区域电网公司已经在新颁布的两个细则中首先对风电并网提出了更严苛的要求，其次明确了风电必须具备快速调频和无功调压的能力，并网不友好的风电场不仅仅面临考核的问题，甚至会存在被长时间电网罚停的风险。其实电网对风电主要有五部分总体的基础要求，首先刚才我们提到对风电要求一次调频必须具备这个能力，第二个就是无功调压，第三个就是未来会更严的，相当于是惯量响应，第四个故障电压穿越，相当于高低穿这一块，相当于整个电力系统电压突然跌落了或者突然间升高，风电能够扛得住几百毫秒，还能继续保持恒定的有功支撑，间接保证电网频率的安全。第五个整个风电场上传数据稳定性跟精准性。为了解决上述问题，联合动力率先研制了风电场能量矩阵系统，同时具备快速调频、无功调压以及调度子站等功能为业主打造并网友好型风电场提供了有效途径，这套设备不仅应用于新的风电场，对于老旧风电场改造也会起到直观的作用。 第二部分快速调频，为了实现快速调频功能，研发团队在设计时就采用模块化设计理念，选择了高可靠性场地控制器以及0.2S级高精度多功能智能电表，以及成熟稳定工业服务器和千兆交换机和高规格的电器原件。这三款场地控制器分别就是巴赫曼的、贝孚的，还有菲尼克斯的，所以说基本上涵盖了80%以上国内的风电场改造的需求，这款电表整个测量精度能达到0.001赫兹，这款电表在面向风电之前，整个电表测控最高精度只有0.05赫兹的采频精度，经过我们跟厂家不断创新研究，做了一些底层的改造，使它的整个精度能达到0.001赫兹，这个电表的性能非常高，而且使用寿命在10年以上。在软件方面依托成熟场级控制器平台和国产化数据库，开发了快速调频程序、以及通讯接口以及友好的HMI界面，看整个软件架构能够看到，整个上位机系统对应是电网公司电力规约，主要包含了支撑产品的HMI界面以及比较友好的数据库，它要采集电网频率，整个风电场高压侧的频率能够感受到，这个时间是非常严格，要在100毫秒内感受到电网的频率变化波动，另外场级控制器要及时控制风机，风机跟场地控制器它的高速通讯已经达到了20毫秒，我们都知道SCADA系统，风电场SCADA系统能够跟风机通讯达到1秒以内，说明这个SCADA系统已经很不错了，场地控制器能达到20毫秒，这个通讯的速度是SCADA的50倍，所以说场级控制器的应用为后续场站级优化又提供了很好的平台支撑。高速通信基于风电场的光纤环网，制订了EtherCAT、Profi-Net和Blue/con三种方案，并对风机测电进行分类重新梳理，相当于我有一些高频变量的测点，相当于风机速度快一点，比如像一些温度的低频变量的测电，可以达到20毫秒的精度。其实整个产生高速通讯的海量数据之后，就会产生另外一个问题就是数据库存储数据的问题，以前SCADA数据有可能每天有1个G、2个G数据量就够了，高速通讯相当于是SCADA数据量的50倍，这个数据量要开发压缩、传输、解包解压缩高效传输技术。 最控制策略方面采用了比较先进的分层控制策略，首先把风机机组全局模糊C均值的聚类，把整个风电场按照性能划分N类的风机机群，相当于上层用MPC预测性的控制方法，为每个风电机群分配合理的功率申请值，下面采用了传统比较稳定的PI五控制器的思路，为每台风机进行多补偿同步的风机有功设定值的下发。下面讲了一些产品软硬件的东西，我们以西北电网整个技术标准进行实际案例的分析，左边是有功频率下垂特性公式，右边就是电网对风电一次调频的技术要求，我认为比较严格整个响应时间是0.2秒，相当于电网频率出现扰动之后，整个调频功率要在2秒钟之内有动作，这个对于以前能量平台、AGC系统是很难实现的，接现在还有一些具体的指标。电科院测试主要分为四部分，一个频率阶跃的扰动试验，第二电网频率扰动实验，第三防扰动效能校验，第四个是AGC协调试验，在电科院进入风电场做测试的时候，它有一个模拟的频率讯号发电装置，给我的快频系统进行有功无功的调节变化，还有一个数据的分析仪器，能够精准计量整个测试的数据。 第一部分看整个频率阶跃扰动试验，经过12项测试，结果显示响应之后时间只有在0.6秒到1.3秒，调节完成时间在2.2秒到6秒，控制时差在0.1%到0.9%，这三项已经超过电网的要求，比如说整个响应之后的时间，电网要求是2秒，最快0.6秒就能搞定，整个调节完成时间电网要求15秒钟，我最快2.2秒就能完成，而且调的是整个风电场的PI，从这块侧面反映出对有功功率的支撑比火电机组还要快很多。还有一个实验模拟电网频率扰动试验，可以看出来整个平均值大于97%，积分电量平均值大于93%，一次调频合格率平均值大于95%，蓝色的线是电网的频率，这个频率跟整个西北联调，一般西北每年都会把拉西瓦水电站拉停，基本上200万负荷，然后会有一个频率的波动，看各个电源，比如火电厂、水电场以及风电光伏，看整个一次调频的实验，能够看到蓝色的线是我根据频率计算出来的有功设定值，红色线是实际风电场的处理，基本红色有功处理跟目标值是保持同步，就要求整个有功通讯速度以及控制算法达到比较高的水平，所以说才能达到这种效果。第三项电网的测试就是就是防扰动试验，电网上了柔直输电线路之后，就会出现高电压、低电压暂态故障的问题，在故障的时候，风电场首先要保持能够穿越过去，这就是刚才我们所说高低穿的事情，接下来对于一次调频的影响，高低穿的时候整个风电场功率不能有任何变化，能够看到在高穿的时候。下面的图有四次测试，低穿是0%到80%的PU，相当于零穿了，有五次试验。 另右面图可以看出，红色是实际功率，蓝色线是电压跌落的情况，绿色的线是频率，能够看到整个电压在跌落的时候，会引起频率的剧烈变化，在这种剧烈变化情况下，整个一次调频系统能顺利穿越过去，能够保持整个风电场有功输出。第四个是AGC协调试验，我们知道以前AGC是电网给风电场下发有功控制指令，快速调频也是在调有功，这两个指令有一个主要的区别，在AGC指令跟电力系统里面属于二次调频的指令，相当于对于风电场来说是被动执行，听电网的指令去执行这个指令就可以了，快速调频是主动响应电网的要求，相当于我快速调频要自己感应电网频率，不用电网下指令，我直接就升降有功功率了，在这两者指令同时发生的时候，我们要验证一下，必须相当于一次调频整个优先级更高一些，经过整个八项测试，整个产品完全符合电网的要求，首先就是要执行快速调频，然后再执行AGC指令。经过多个风电场的试验，我们可以看到整个快速调频功能已经在多个风电场得以应用，整体运行效果比较良好，调节时间、调节精度均大幅优于电网标准。 第三部分无功调压，风电场无功调压主要是实时监控电网以及风电场各节点电压，动态差异化控制风电场的集群跟无功补偿装置的处理，在确保电压安全的情况下，能够充分发挥风电场无功能力，这样能够减少SVG投用的处理，这样间接能够影响它的耗电量，整个图中可以看到，其实风电场无功调不仅仅支撑电网的电压，还要在调压过程中保证风电场各节点电压的安全，而且最好是能够近似相等，比如说35千伏的电压，风机出口690伏电压，如果这些整个电压近似相等，对于风电场电压来说是最友好的。根据中国电科院测定，在电压控制无功支撑动作时间小于2秒，调节完成时间在20秒以内，而且调节精度是小于0.3千伏，在无功控制模式下整个动作时间也小于1秒，调节精度小于3%，这也间接的验证了风机无功出率控制策略稳定性跟有效性，当然无功在很多风电场也得以应用，整个指标精度均优于电网要求。第三部分就是基于能量矩阵系统开发的调度子站的功能，就是AGC、AVC子站，这样能够减少风电场前期建设成本的投入以及后续成本的下降。 第四部分展望，通过能量矩阵的应用可以看到各区域电网测试效果比较良好，各项性能均符合电网的要求，同时在电网侧可以验证风电主动支撑电网频率跟电压的有效性，这也是为整个大规模风力发电发展提供了有力的支撑。根据国家的一些规定，以东北年发电量1亿千瓦时风电场进行经案例的分析，如果这个风电场具备一次调频能力，每年可以得到100万的补助，如果它具备虚拟惯量能力的话，每年会得到50万的补偿，这个补偿是电网给的，这个风电场20年累计收益将会达到3000万，这对于一个平价项目来说是十分可观的。未来随着风电的发展，要想实现风电的高效消纳，就需要风电自己承担电力安全职责，风电需要从被电网支撑到主动支撑电网的决策转换，风电发电机组必须要实现频率电压、惯量等主动支撑技术，未来国家跟行业也会对风电电网友好型提出更高的要求，这也是风电未来发展的方向，谢谢大家。 （根据速记整理，未经本人审核）
在16日上午召开的风电机组技改专题论坛上，国电联合动力技术有限公司软件部副主任丁亮发表《风电场快速调频和无功调压技术应用》主题演讲。 以下为发言实录： 丁亮：今天汇报内容分为四部分，首先是风电消纳，中国的风电发展迅猛，我国风电的装机容量跟年均增长率全球第一，随着风电度电成本的快速下降，风电将会持续保持高速增长，根据相关研究预测，到2030年新能源装机占比将会达到38%的水平，2050年新能源的装机占比在电网中将会达到70%，这样就会导致消纳的问题，将会长期困扰制约风力发展的挑战。据统计2010年到2015年我国弃风电量损失已经达到一千亿千瓦时，新能源占比32.6%，弃风率就已高达14%，随着风电重回三北地区，新能源占比将会再次升高，消纳压力巨大，主要原因是风电大规模并网严重影响了电网频率和电压的安全。根据一些相关的研究，其实传统的风电场不具备快速调频的能力，当大规模并网之后挤占了同步发电机组的开机容量，导致电力系统整个转动惯量降低，调频能力急剧下降，我们看左侧的发电机的转子运动方程，就很直观能够看到整个频率的变化率主要跟我转动惯量跟机械转矩跟电磁转矩有关系，转动惯量其实代表着同步发电机组转动的惯量，这个惯量值越大，整个电力系统频率变化率就会越慢，接下来我们看几个机械转矩，对动这发电机的有功调节，这个量越大相当于整个频率变化的幅度越小，最后电磁转矩，对应的是整个负荷的有功变化，我们刚才说了新能源的占比越来越高，影响的是什么呢？首先影响的是转动惯量，因为同步发电机转动惯量会逐步减少，新能源占比达到30%以上的时候，这个转动惯量就已经弱到一定程度，像西北五省为什么近两年快速推一次调频的改造，就是因为整个电网频率安全性已经急剧下降了。 另外一方面相当于风电严重影响了电网的电压安全，我们都知道风电的动态无功支撑能力照常规的机组电压要弱，并且风力发电相当于逐级升压到电网的，与主电网电气距离是常规机组的两到三倍，随着光伏跟风电快速增长，电力系统它的无功储备能力以及调节也是在急剧下降，这导致整个电力系统电压问题十分突出，我们看常规的火电机组有可能接到电力机组高压电网上，整个阻抗值就0.047PU，风电阻抗值达到0.089PU，这么大阻抗会直接影响电压的稳定性。而且近两年各区域电网公司已经在新颁布的两个细则中首先对风电并网提出了更严苛的要求，其次明确了风电必须具备快速调频和无功调压的能力，并网不友好的风电场不仅仅面临考核的问题，甚至会存在被长时间电网罚停的风险。其实电网对风电主要有五部分总体的基础要求，首先刚才我们提到对风电要求一次调频必须具备这个能力，第二个就是无功调压，第三个就是未来会更严的，相当于是惯量响应，第四个故障电压穿越，相当于高低穿这一块，相当于整个电力系统电压突然跌落了或者突然间升高，风电能够扛得住几百毫秒，还能继续保持恒定的有功支撑，间接保证电网频率的安全。第五个整个风电场上传数据稳定性跟精准性。为了解决上述问题，联合动力率先研制了风电场能量矩阵系统，同时具备快速调频、无功调压以及调度子站等功能为业主打造并网友好型风电场提供了有效途径，这套设备不仅应用于新的风电场，对于老旧风电场改造也会起到直观的作用。 第二部分快速调频，为了实现快速调频功能，研发团队在设计时就采用模块化设计理念，选择了高可靠性场地控制器以及0.2S级高精度多功能智能电表，以及成熟稳定工业服务器和千兆交换机和高规格的电器原件。这三款场地控制器分别就是巴赫曼的、贝孚的，还有菲尼克斯的，所以说基本上涵盖了80%以上国内的风电场改造的需求，这款电表整个测量精度能达到0.001赫兹，这款电表在面向风电之前，整个电表测控最高精度只有0.05赫兹的采频精度，经过我们跟厂家不断创新研究，做了一些底层的改造，使它的整个精度能达到0.001赫兹，这个电表的性能非常高，而且使用寿命在10年以上。在软件方面依托成熟场级控制器平台和国产化数据库，开发了快速调频程序、以及通讯接口以及友好的HMI界面，看整个软件架构能够看到，整个上位机系统对应是电网公司电力规约，主要包含了支撑产品的HMI界面以及比较友好的数据库，它要采集电网频率，整个风电场高压侧的频率能够感受到，这个时间是非常严格，要在100毫秒内感受到电网的频率变化波动，另外场级控制器要及时控制风机，风机跟场地控制器它的高速通讯已经达到了20毫秒，我们都知道SCADA系统，风电场SCADA系统能够跟风机通讯达到1秒以内，说明这个SCADA系统已经很不错了，场地控制器能达到20毫秒，这个通讯的速度是SCADA的50倍，所以说场级控制器的应用为后续场站级优化又提供了很好的平台支撑。高速通信基于风电场的光纤环网，制订了EtherCAT、Profi-Net和Blue/con三种方案，并对风机测电进行分类重新梳理，相当于我有一些高频变量的测点，相当于风机速度快一点，比如像一些温度的低频变量的测电，可以达到20毫秒的精度。其实整个产生高速通讯的海量数据之后，就会产生另外一个问题就是数据库存储数据的问题，以前SCADA数据有可能每天有1个G、2个G数据量就够了，高速通讯相当于是SCADA数据量的50倍，这个数据量要开发压缩、传输、解包解压缩高效传输技术。 最控制策略方面采用了比较先进的分层控制策略，首先把风机机组全局模糊C均值的聚类，把整个风电场按照性能划分N类的风机机群，相当于上层用MPC预测性的控制方法，为每个风电机群分配合理的功率申请值，下面采用了传统比较稳定的PI五控制器的思路，为每台风机进行多补偿同步的风机有功设定值的下发。下面讲了一些产品软硬件的东西，我们以西北电网整个技术标准进行实际案例的分析，左边是有功频率下垂特性公式，右边就是电网对风电一次调频的技术要求，我认为比较严格整个响应时间是0.2秒，相当于电网频率出现扰动之后，整个调频功率要在2秒钟之内有动作，这个对于以前能量平台、AGC系统是很难实现的，接现在还有一些具体的指标。电科院测试主要分为四部分，一个频率阶跃的扰动试验，第二电网频率扰动实验，第三防扰动效能校验，第四个是AGC协调试验，在电科院进入风电场做测试的时候，它有一个模拟的频率讯号发电装置，给我的快频系统进行有功无功的调节变化，还有一个数据的分析仪器，能够精准计量整个测试的数据。 第一部分看整个频率阶跃扰动试验，经过12项测试，结果显示响应之后时间只有在0.6秒到1.3秒，调节完成时间在2.2秒到6秒，控制时差在0.1%到0.9%，这三项已经超过电网的要求，比如说整个响应之后的时间，电网要求是2秒，最快0.6秒就能搞定，整个调节完成时间电网要求15秒钟，我最快2.2秒就能完成，而且调的是整个风电场的PI，从这块侧面反映出对有功功率的支撑比火电机组还要快很多。还有一个实验模拟电网频率扰动试验，可以看出来整个平均值大于97%，积分电量平均值大于93%，一次调频合格率平均值大于95%，蓝色的线是电网的频率，这个频率跟整个西北联调，一般西北每年都会把拉西瓦水电站拉停，基本上200万负荷，然后会有一个频率的波动，看各个电源，比如火电厂、水电场以及风电光伏，看整个一次调频的实验，能够看到蓝色的线是我根据频率计算出来的有功设定值，红色线是实际风电场的处理，基本红色有功处理跟目标值是保持同步，就要求整个有功通讯速度以及控制算法达到比较高的水平，所以说才能达到这种效果。第三项电网的测试就是就是防扰动试验，电网上了柔直输电线路之后，就会出现高电压、低电压暂态故障的问题，在故障的时候，风电场首先要保持能够穿越过去，这就是刚才我们所说高低穿的事情，接下来对于一次调频的影响，高低穿的时候整个风电场功率不能有任何变化，能够看到在高穿的时候。下面的图有四次测试，低穿是0%到80%的PU，相当于零穿了，有五次试验。 另右面图可以看出，红色是实际功率，蓝色线是电压跌落的情况，绿色的线是频率，能够看到整个电压在跌落的时候，会引起频率的剧烈变化，在这种剧烈变化情况下，整个一次调频系统能顺利穿越过去，能够保持整个风电场有功输出。第四个是AGC协调试验，我们知道以前AGC是电网给风电场下发有功控制指令，快速调频也是在调有功，这两个指令有一个主要的区别，在AGC指令跟电力系统里面属于二次调频的指令，相当于对于风电场来说是被动执行，听电网的指令去执行这个指令就可以了，快速调频是主动响应电网的要求，相当于我快速调频要自己感应电网频率，不用电网下指令，我直接就升降有功功率了，在这两者指令同时发生的时候，我们要验证一下，必须相当于一次调频整个优先级更高一些，经过整个八项测试，整个产品完全符合电网的要求，首先就是要执行快速调频，然后再执行AGC指令。经过多个风电场的试验，我们可以看到整个快速调频功能已经在多个风电场得以应用，整体运行效果比较良好，调节时间、调节精度均大幅优于电网标准。 第三部分无功调压，风电场无功调压主要是实时监控电网以及风电场各节点电压，动态差异化控制风电场的集群跟无功补偿装置的处理，在确保电压安全的情况下，能够充分发挥风电场无功能力，这样能够减少SVG投用的处理，这样间接能够影响它的耗电量，整个图中可以看到，其实风电场无功调不仅仅支撑电网的电压，还要在调压过程中保证风电场各节点电压的安全，而且最好是能够近似相等，比如说35千伏的电压，风机出口690伏电压，如果这些整个电压近似相等，对于风电场电压来说是最友好的。根据中国电科院测定，在电压控制无功支撑动作时间小于2秒，调节完成时间在20秒以内，而且调节精度是小于0.3千伏，在无功控制模式下整个动作时间也小于1秒，调节精度小于3%，这也间接的验证了风机无功出率控制策略稳定性跟有效性，当然无功在很多风电场也得以应用，整个指标精度均优于电网要求。第三部分就是基于能量矩阵系统开发的调度子站的功能，就是AGC、AVC子站，这样能够减少风电场前期建设成本的投入以及后续成本的下降。 第四部分展望，通过能量矩阵的应用可以看到各区域电网测试效果比较良好，各项性能均符合电网的要求，同时在电网侧可以验证风电主动支撑电网频率跟电压的有效性，这也是为整个大规模风力发电发展提供了有力的支撑。根据国家的一些规定，以东北年发电量1亿千瓦时风电场进行经案例的分析，如果这个风电场具备一次调频能力，每年可以得到100万的补助，如果它具备虚拟惯量能力的话，每年会得到50万的补偿，这个补偿是电网给的，这个风电场20年累计收益将会达到3000万，这对于一个平价项目来说是十分可观的。未来随着风电的发展，要想实现风电的高效消纳，就需要风电自己承担电力安全职责，风电需要从被电网支撑到主动支撑电网的决策转换，风电发电机组必须要实现频率电压、惯量等主动支撑技术，未来国家跟行业也会对风电电网友好型提出更高的要求，这也是风电未来发展的方向，谢谢大家。 （根据速记整理，未经本人审核）