以下為演講實錄：

 

　　這次報告主要是分為這三個方向：第一部分是簡單介紹我們研究的背景；第二部分是對現在高比例風電電力系統的環境下風電機組的控制是往什么方向在發展和有什么樣的需求；第三個就是在未來高比例風電的電力系統發展趨勢下風電機組的控制技術的未來發展方向。

 

　　首先大力發展可再生能源是我們國家能源改革的重要戰略，我們國家是全球風電規模發展最快也是風電裝機容量連續七年位居第一，預計到2050年風電的總裝機達到10億千瓦；風電并網的比例不斷攀升也出現了局部地區的滲透率過高的問題，因為我們國家受資源稟賦的影響，主要采取的是風電大規模集中式開發，由高電壓遠距離輸送的運營模式，而特高壓交直流電網的混聯和風電大規模跨區域的輸送已經成為我國電網的典型特征。現在尤其三北部分風電的大規模應用導致甘肅、蒙東的風電穿透率不斷身高，局部地區比如像甘肅已經超過了100%的風電穿透率，也形成了高比例電力系統的形成。

 

　　隨著大量的常規電源傳統的被風電大量替代，電力系統的能源結構和運行特性也發生了深刻變化，尤其是我國“三北地區”高比例風電經高壓直流外送的新型電力系統形態基本形成，使整個系統呈現出弱慣性以及弱頻率和電壓支撐的特性，使得這個電力系統的安全穩定運行受到一定的挑戰。而且隨著現在大數據技術、智能電網技術以及電動汽車的快速發展，不管是發電用戶，用電的用戶更多通過電力電子設備的并網，而且負荷側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電網的運行控制變得極為復雜。

 

　　高比例電力系統面臨著頻率特性的影響。大規模新能源并網造成電力系統的旋轉備用降低，電力系統慣量不足，一次調頻能力弱化，使得頻率穩定的問題會凸顯。其實在國外面臨同樣的問題，像今年英國倫敦大停電，停電時間將近2個小時，但是展現出來的問題，當時整個站負荷有35%，當時的大規模海上風電的拖網也凸顯當地的風電機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電占負荷的比例高達48%，負荷將近一半的長度，當時也是整個系統的慣量不足，故障發生了之后整個電力系統的頻率在0.4秒內從49.5赫茲跌到了47赫茲，這就是整個頻率變化的量非常大。

 

　　同樣，系統除了頻率故障以外，風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常發生，所以使得高比例風電電力系統的安全穩定運行面臨很大的挑戰，也引起了社會各界和研究人員的關注。

 

　　隨著風電容量從原來的幾十千瓦發展到10MW甚至12MW的增大，包括風機的尺寸從風輪直徑原來的十幾米到現在將近200米的風輪直徑的增加，未來風電的發展方向如何？風電在保障自身安全的情況下內為電網的穩定作出怎樣的貢獻？我們如何發掘風機現有的能力？因為容量增大了，從原來風電機組做到被動的適應電網的一些需求，電網如果發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增加額外的負擔，現在已經作為第三大主力電源，未來電網發生故障，我在保證自己安全的情況下，是否能夠幫助電網穩定和恢復，我認為是大家未來比較關注和更多研究的方向。

 

　　接下來我談論一下對于風電先進控制技術這一塊如何幫助電網提升穩定性，介紹我們做的一些工作和思考。

 

　　隨著風電發電技術的飛速發展，風電機組自身能力不斷被挖掘，機組性能不斷提升，風電機組對于涉網性能主要展現在有功頻率的響應還有無功電壓的響應還有電網適應性和電能質量的研究。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控制和一次調頻的控制；無共電壓這一塊主要是風電機組的無功能力的提升，做到的就是低電壓穿越包括電網對風機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。

 

　　我們研究發現不同的系統轉動慣量和風電占比對電力系統的頻率動態響應特性產生影響。隨著系統的慣量增大，當發生頻率跌落的時候，頻率的最低點會逐步升高，頻率穩定時間會逐步地縮短，這就是為什么在同步機和交流系統中大家愿意提升系統的慣量；而隨著風電的占比增大，頻率跌落的低點會越來越低，穩定的時間需求會越來越大，所以在整個風電占比越高的時候，系統的頻率特性會越來越差。

 

　　傳統的風電機組最先考慮的是通過引入一個附加功率控制來響應這個系統的頻率變化率和系統的頻率偏差，然后我們會發現系統的頻率低點會由附加功率控制中的頻率的系數和頻率的偏差系數共同決定，呈正相關向。頻率的穩態值僅與頻率偏差項的系數成正相關性。也就是一次調頻不光是能改善故障發生后的頻率最低點的狀況，同樣對頻率的穩態有幫助。而慣量響應僅僅是用來增高頻率跌落最低點的狀態。

 

　　對于2MW的風電機組本身風電機組是蘊含轉動慣量的，只不過是通過電力電子的設備與電網連接之后，它天然結藕了電網頻率的關系，所以導致不響應電網的頻率變化。現在主流的想法就是我通過改變風電機組的有功頻率控制，使風電機組模擬同步機響應電網的頻率變化。可以看到本身的機組自身轉子中蘊含了這個能量其實最低支撐有功出率的10秒的時間，如果在大風情況下，就是風能好的情況下，支撐的時間更長。我們做過小風慣量的試驗，可以看到利用模擬慣量響應過程的方式是可以做到響應頻率變化率的變化。我們知道在頻率上擾的時候需要風機減出力，大家得好理解而且是容易做到的；但是在頻率下擾的時候，就出現一個問題，就是我的容量是否足夠支撐多發的這部分功率，所以后續我們的考慮也是存在在頻率跌落的故障發生的時候，我們如何使這個風電機組多發一定的功率來達到功率支撐的目的。

 

　　這是我們當時做了幾組對風電機組的附加功率控制，以實現慣量響應的情況。可以看到通過簡單的附加功率控制環節是可以做到10%有功的功率支撐的，在大風階段的時候，在于限功率和不限功率的情況下，利用變角會預流出功率，解決容量不足的問題，同樣在大小風不限功率的情況下，短時間內只是抑制頻率快速變化的話，在現有風機自身的轉子儲能是足夠處理這項工作的。

 

　　在一次調頻階段，也就是在我的電網頻率偏差額定頻率的情況下，這個時候能量問題會更凸顯。我們大致分成了幾種方式：首先用控制慣量的方式，把原來蘊含在轉子動能的方式進行功率支撐；另外一個是類比于同步機做一個轉速備用的方式來響應頻率支撐。

 

　　慣量控制的好處在于它的響應速度非常快，相比于同步機而言一般火電機組的響應速度在10秒左右，但是風電的慣量響應速度非常快，但是存在問題風能轉子中的容量支撐頻率變化率是可以的，但是如果要長時間支撐電網的頻率恢復它的容量會有問題，如果轉速在小風階段本身的慣量是不足的，那么如果過長時間釋放慣量的話，在支撐結束之后會產生功率凹陷，因為能量是平衡的，這個時候恢復到原來的跟蹤控制的話，原來過多釋放，釋放到并網的最低轉速，那么我在故障完成了之后會重新吸收能量，所以這個地方慣量控制如果在能量過多釋放的情況下會有動力凹陷。

 

　　轉速備用是在我正常控制，就是高速減載的運行模式，但是這只是存在一個力量，是類比于同步機的，它僅存在于中低速風速的情況下，中低速風速又存在容量不足的問題。槳距角備用因為要調節風能的捕獲，涉及到機械部件的運動，所以響應速度慢。外加儲能是一個很好的解決能量來源的問題，但是最大的問題在于經濟性方面，如果我的風機外加了儲能，我能隨時滿足你的有功支撐和頻率調節的要求，但是對我風機的成本增加是非常大的，這就需要從經濟性的角度平衡這個問題。實際上在慣量控制調頻和漿距角備用我們做過測試，慣量控制響應速度非常快，但是槳距角支撐時間比較長，但是要響應幾秒鐘才能滿足10%的功率支撐的以后。

 

　　這個是針對一次調頻做的限功率情況下和不限功率情況下的大小風的一次調頻的測試。可以看到通過上述的幾種方法，現在的風電機組在不增加硬件設施的情況下，從控制角度是可以實現一次調頻的功能。可以看到在小風不限功率的情況下，我們設定的是提供10秒鐘的功率支撐，在支撐結束之后，可以看到會一個小的凹坑，這展現出能量不足的情況。

 

　　在大多數風電場實現風電場的能量管理平臺或者是風電場的功率協調控制系統可以實現場站級的頻率控制，右邊是實際模擬對于風電場的功率協調控制系統輸入真實的電網頻率的錄播，可以體現出現有的協調控制是可以實現調頻的要求。這個地方我們設定的是0.04赫茲，可以看到電網頻率整個風電場會針對頻率的變化給予一定的有功支撐。

 

　　對于高比例風電電力系統的情況下對低電壓穿越性能的影響。我們構建了220千伏的外環網為主網架的高比例可再生能源受端的電網系統，對整個系統做N-1的故障掃描。我們設置了5種情況，風電占負荷的比例從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，我們會對整個電力系統的故障掃描做一個穩定性分析。會發現第一種方式也就是風電占比24%左右，風電+直流占負荷一半的情況下，按不同的低穿的情況做系統的穩定性是沒有問題的。設置的第二種方式就是風電占負荷比例提升在40%左右，而風電+直流占負荷在65%左右的時候，按照原有的低電壓穿越的技術整個系統是沒辦法達到穩定的，如果一定程度上增長電壓恢復的時間，稍微減小一下電壓恢復的等級，在這種情況下也可以穩定的。

 

　　當風電占負荷超過45%，目前對于整個風電機組的低電壓穿越，對于系統穩定會有很大的影響，這種情況下系統是沒辦法保持穩定的，這也印證了南澳的那一次大停電，風電占整個負荷超過45%的情況下，其實風電的低穿是有問題的，當時他們有14個風電場，有9個風電場是多次低穿未過而產生這個情況，也就是在高比例風電系統的情況下，原有的技術對電力系統我們需要重新審視原有的要求。是一個動態的概念，就是在高比例風電的情況下，對低穿實際上也是重新提了一個需求。故障后就是不同的風電占比的情況下，同樣在電壓恢復階段也存在一些問題。第二種方式的情況下我們發現無功支撐也是需要進一步提升的，現在對于無功需求的系數是按照1.5算的，但是我們發現當風電占比超過40%之后，這個系數其實需要提高才能保持電網穩定。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，風電占比不斷增高是對于風機這方面的需求會越來越嚴苛，這是未來需要進一步研究的方向。

 

　　對于高電壓穿越的需求。首先在低穿越的過程中，機組如果低穿沒有通過會導致整個系統的無功過剩，導致整個系統的電壓升高，也會使其他未脫網的機組面臨高電壓脫網的風險。當特壓的直流失敗也會引起高電壓故障的情況。針對風電機組的高電壓穿越是通過控制方式來實現的，風電機組本身耐壓能力是可以支撐1.3額定電壓的耐受，當三相平衡電壓升高的故障發生和三相不平衡高電壓故障發生了之后，風電機組是可以正常地進行有功處理，然后通過它的無功控制能正常進行有功處理的。這種情況下對于風電機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，風電機組在不增加硬件設施的情況下，其實是可以通過控制來實現高電壓穿越的能力。

 

　　在風電機組挖掘對電網的支撐性能之后，更多也是要考慮風電機組自身的安全穩定的方式。我們對整個風電機組在慣量支撐期間，它的載荷變化做過簡單的研究。我們會發現風電機組在不同的慣量上和不同慣量的持續時間和不同支撐幅度的慣量響應過程都會對風電機組的疲勞載荷產生一定的影響，其中會發現響應時間快速的慣量響應會對風電機組的軸系造成較大的損傷的風險：隨著響應時間的不斷提升，在慣量支撐的過程中，軸系的載荷會有明顯的增大。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，而且一定程度上風電機組未來的載荷優化甚至在前期的設計方面也都需要考慮未來這些功能實現帶來的一些影響。

 

　　在一次調頻方面，如果我們對于未來要試試槳距角預流功率進行一次調頻的方面，我們會發現槳距角會增加葉根疲勞載荷的增大，隨著一次調頻有功支撐幅度的增大，載荷實際上也是不斷增大的。而且一次調頻過程中，對于漿距絕的會增加塔架左右，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有增加的影響，而對于葉根的載荷可能會影響較小，因為主要是電器方面的故障沖擊。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時間的長短，可以發現它對于傳動鏈軸系的載荷也會有很大的影響，但是我們會發現當有功恢復的時間設定得更長一點，比如到500毫秒之后會發現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階段的時候，考慮到風機自身的載荷的限制，是不是在現有的有功恢復的階段，不給他們提過多的要求。同時我們在未來的機組開發和結構載荷設計時是否也考慮應對未來如果需求是快速有功恢復的情況下，對載荷進行重新的設計和校驗。

 

　　接下來主要對未來風電機組并網特性的展望。

 

　　高比例系統中，風電機組處于我國第三大的發電電力能源，風電機組需要從被動適應到主動支撐的角色轉變，在我們看來不光是要重點突破主要在對于電網的頻率支撐和高電壓穿越和故障穿越的技術，包括主動阻尼和主動抑制的優化控制，從機組的層面是否能做到抑制振蕩或者是減少振蕩風險的發生。滿足這些控制和功能之后，風電機組對自身載荷的優化控制和對自身安全穩定的保障。這就是我們認為未來的高比例風電電力系統條件下風電機組的優化控制主要是從這四個方面來發展和演化的。

 

　　（內容來自現場速記，未經本人審核）