中國電力科學研究院新能源研究所總工程師遲永寧出席“上海國際海上風電+風電運維活動”時，就“海上風電的建模與直流接入控制技術”發表技術演講

        中國風電材料設備網：“海上風電建模和直流并網運行控制技術”有幾個方面：第一個方面是大容量風電機組的建模技術，因為目前國家的新能源接入越來越多了。越來越多以后對電力系統來說每天的運行方式可能不太一樣，都要做一些計算，研究電力系統出現一些問題的時候，都需要一些發電的模型，比如說常規的火電機組、水電機組。現在運行的越來越風電機組的建模，甚至是光伏發電本身的一些建模變得越來越重要了。因為對于了解整個電力系統的運行特性，對于認識整個電網和新能源發電之間到底有什么相互作用都是非常有用的。

　　前兩年行業內關注DDR的穿越作用，DDR穿越的問題因為做的測試都是針對風電機組的。但是作為電力系統來說，更關注的是整個電力系統里面會怎么樣。所以像風電場一些DDR的測試他也要通過建模技術來測試，比如說去建立一些風機的模型，然后組成一個風機的模型放到電力系統里面做分析才能知道整個風電場和光伏電站的經過是怎么樣的。

　　第二，海上風電技術，海上風電技術咱們國家推進的比較慢。未來三五年以內更多是交流的方式，其中當然有一些問題。全世界來講歐洲的風電開發直流的技術是越來越普遍的技術，因為直流是有一些優勢的。所以今年會研究海上風電的直流組網的技術，還有海上風電多了以后，會形成一個區域性直流電網，直流電網可能有多個發電的電源介入這個電網，這就是一個多斷的直流概念。

　　目前來看，國際電工委員會對各種風電機組做了一些分類，目前大概有4類分類方式，把風電分為帶有感應發動機的定速風電機組，這種風電機組像之前的金風的750都是這種技術。但是近幾年隨著電力電子變頻調速的技術越來越多，這種技術用的越來越少了。更多的是第三種和第四種，而第二種是一個過渡技術，就是把傳統感應發動機轉子通過一個開口借到一個電阻上，這樣通過控制電阻的阻抗多少可以改變一些風電機組的特性。但是第二種機組應用也比較少，目前最多是第三種、第四種，最常見的一種是雙饋的風電機組，一種是直驅的風電機組。之前的華銳、東氣風機基本上都是雙饋式的。對這4種風電機組的建模現在國際上了很多工作。

　　對于模型，因為需要用模型做一些分析和研究。根據目的的不一樣的，對模型也有不同的分類，比較簡單的來說目前對電力系統就是兩大類，一大類是機電的模型，更多的是用于電力系統的穩定問題，安全問題。再有一種是詳細的模型，是風電機組的電磁模型，更多的是廠家在使用，是一種設備級的。像設備本身的電池特性，像設備本身通過電力電子控制的特性，都是用電磁展臺的模型。但是對于電力系統來說，更多的關注是一個機電展臺分析的模型。

拿比較常用的雙饋風電機組簡單介紹一下，就是建模是什么。因為作為一個風電機組來說，包括了空氣動力學的模型，機械部分的模型，也包括了發電機的模型。但是對于目前的風力發動和光伏發電更重要的是電力電子的模型。這塊模型對于發電技術本身，對于電器的特性，運行的特性有更大的影響。因為基本上風電機組和光伏電器特性都是依靠電力電子部分來實現的。

發電機的傳統部分包含了風力機、軸、發電機，實際上通過齒輪箱連接起來以后，把一個慢速的風力機的機械傳動，最后到發動機這一側就變成了高速的制塊了。所以說在做建模的時候，目前來說考慮的更多的是把風力機和發動機分開，實際上是兩個質量塊的模型。這兩個質量在電網發生穩定問題的時候，故障的時候，這兩個質量塊之間就有相對運動了。有相對運動軸就會出現一些扭轉，一些振蕩問題。所以這一塊在建模里是需要考慮的，也會對整個風電機組的特性帶來一定的影響。

　　當然更重要的是風機完全是依靠一個變流器的控制系統來實現對整個風機的控制，因為光伏逆變器是一個主要的控制系統，靠逆變器本身來控制。對于風機來說，主要是靠電機測的逆變器來控制我的風電機組，或者說我的風電機組的發電機發出來的電的電機特性。這個比較復雜，因為一方面需要靠一些矢量控制的原理把風電機組或者發電機兩塊的內容分開控制，一塊就是能量方面，就是功率方面。

　　另一塊是發動機的電壓是和無功相關的。無功又和這個風電機組本身的風量是有關系的。這兩塊通過矢量控制的原理把的完全分解了。通過控制一個量完全可以控制風機發出的功率是多大，比如說發出1兆的電力。另外一個控制另一個量完全控制發出的無功功率是多大。這個東西可以控制發電機的機端的電壓。

　　第二個方面是海上風電場直流組網的技術，因為現在國家開發的是離岸距離已經近的20公里、30公里，通過交流來接入。這樣一個風電場20萬或者30萬的規模還不是很大，但是當風電場的規模更大一般，當風電場離岸距離更遠以后，一些問題就出現了。這時候就依靠交流介入的技術可能就有問題。所以可以看到在歐洲的海上風電開發過程里面，包括德國北部的北海、包括英國附近甚至大西洋旁邊的海上風電的開發，因為風電場離岸距離越來越遠，比如說離陸地是90公里100公里，更多的是采用直流的風機，直流的技術是包括在風電場內用一些直流來組網，組成一個風電場，同時風電場升高到一定電壓以后，風機的功率怎么樣送到岸上去，又涉及到一些送出直流技術。

　　目前在風電場內有這樣幾種匯集方式，比如常見的風電機組他出口電壓是690V，是交流的。通過一個相變把電送到10千伏，或者3萬5，然后串并聯到一起，匯集了以后在整個風電場把他升壓。一般來說，這種交流的匯集在場內一般是交流電通過這種串并聯的匯集以后，通過升高變壓器把他升高一個電壓升級，通過交流，通過一個交流的輸入電路送到電網。這個是國家目前來說采用的技術。因為目前這一段的傳輸距離比較近，只有20到30公里的，所以不會引起特別大的問題。但是變電站的體積比較大，而且成本也比較高。一旦輸電線路的長度增加，就會有一些電壓的問題，所以需要無功補償。

　　隨著輸電的距離越來越遠。現在更多的選擇是把輸電線路本身變成一個直流。隨著輸電距離增加，交流輸電帶來的一些問題是很難克服的。這樣就有必要通過直流來進行傳輸。但是這種技術仍然存在一些問題，比如說必須有公平的變壓器，頻率是50赫茲。這樣的話體積就做的比較大，需要放到海上平臺。這一塊對海上建設的要求是比較高的。

下面介紹一下直流組網本身方式分類，比如說直流風電機組可以是現在的風電機組，風電機組把交織變流器另一邊去掉，中間就剩直流了。直流以后通過一些并聯，把這個風電機組到所有的電力匯集起來，通過一個DCDC向岸上輸送。但是這樣有一個問題，因為每個風電機組本身的DCDC的電壓不是很高，匯集起來以后他這個風電場的電壓等級會低一些，所以說他需要一個DCDC升壓的變換器他的電壓升高才能送回去。而DCDC本身的技術變頻是比2倍要大，可能是3倍，這方面的技術還不太成熟。

　　海上風電根據不同國家的規劃，歐洲在北海，北海既有德國，也有像丹麥、瑞典很多國家的參與。在北海建一些海上風電，利用直流比較先進的技術，柔性直流的輸電技術建立起一個海上的直流網絡。另外像歐洲這種超級電網的概念，要把北非的一些光資源和光熱發電接入到電網里面。還有地中海的一些光熱發電，光伏發電。

這個超級電網的規劃是歐洲的風能協會提出的，在面臨未來大規模新能源發展的情境下就提出了直流聯網的技術，把大規模的新能源通過直流的電網輸送到歐洲的負荷中心區。中國也有同樣的問題，因為一方面海上風電在山東、江蘇、甚至福建廣東以后也有一些，另一方面內陸風電也有一些，內陸風電大家在提可以通過傳統的直流，通過幾千公里的距離把西部可再生能源送到東部來。

　　但是也有一種可能，因為西部的風電比較分散比較多，所以他在某些局部區域可以剛才說的類似于海上風電直流匯集輸送的技術，可能會形成某些區域的直流電網，把這個電力再通過比如說遠距離的交流輸電，或者是遠距離的直流輸電輸送到負荷中心去。

　　美國也有這樣的規劃。但是隨著以后美國新能源越來越多，交流電網里面就會出現紅色的直流，直流是可能是兩個不同的交流電網背靠背的直流聯系，當然也有可能在某個區域形成一個區域的直流電網，同時通過這個區域把電送到交流電網里去。對于直流技術的研究，世界上關注人越來越多。相信應該在不久的將來，直流電網肯定在實際的工程里面有一些應用。

對于這種海上風電來說，最有可能形成這樣一個情景，比如海上有幾個風電場，或者幾個大的風電場群。這些風電場每個都會形成一個直流。直流跟陸上的交流系統通過一些聯系聯系在一起。但是現在各個地方都在做不同的研究，有的單位提出可能是一個環狀的電網，但是環狀電網可能有一個問題。比如說電腦的電氣聯系斷了，所有電力都要通過這邊輸來送到交流電網，這樣的話對于某些局部的線路就需要承擔4個風電場的容量。這樣經濟上是不合算的，所以說這個環形聯網雖然簡單，但是輸電線路成本應該會比較高。因為輸電線路在某些條件下要承受更大的功率。

　　再一個是星型，星型就是把所有的匯集在一個點上，這樣需要建一個海上平臺。但是匯集到一個點上，相對來說一個風電場出現問題不會影響其他三個。但是還有一個問題，一個是可能需要海上需要建立一個集中的東西來匯集這些電力。再有一個，當風電的匯集跟電網之間的這些短的連接線上出現問題的時候，整個系統都會受影響。

當然還有人提是這種混合的拓撲結構，可能會解決一些問題。但是相對來說成本也比較高，運行起來也比較復雜。不管怎么說很多問題通過技術可以解決的，但是通過技術和運用可以考慮更多的可靠性，更多的冗余度的時候，經濟上的投入就會增加。這這塊不單單是一個技術上的考慮，是一個技術和經濟綜合考慮。

　　對于剛才說的多端直流控制做的研究也比較多，像剛才這種電網會形成一個海上多端直流電網。每個風電場群會在這個直流電網里負擔起一定的控制責任。比如有的海上風電場要控制你這個接入點的直流電壓，要保證電壓。有的風電場負擔發出多少功率，這個直流電網就是吸收多少功率。同時電網直流站也會有這樣的要求，到底是來控制電壓，還是控制一個功率的分配。

　　假設有兩個海上風電場或是兩個風電場基地，通過直流接入到陸上以后，這樣他會在這個直流系統里面會形成4個直流的換流站，每個換流站他在直流里面控制目的、控制策略都是不一樣的。比如說對于VSCE換流站可以根陸上的電網就控制功率，就把電網發出的功率取其中一部分通過這個端口送到電網里去，這一塊就控制直流電壓。在運行里面控制直流電壓意味著什么呢？意味著要保證這個直流電壓是穩定的，但是功率大了以后，直流會升高，這個時候會采取一定的手段，把吸收到的功率通過這個站完全送出去。

　　所以這個站的任務是什么呢？保證直流的電壓是恒定的，但是直流的功率最后海上風電的功率是在不斷變化的。這樣目前控制方式可能有的陸上站負責控制電壓，控制電壓相當于不斷的吸收風電場的功率，功率大了以后就多吸收，少了以后就少吸收。而這個是保證恒定的功率，這個比較簡單。但是也會造成什么問題呢？這個站他運行方式的變成比較大，對這邊的電網會一些影響。所以從理論上來說，雖然有一些優點，控制比較簡單，任務分配也比較明確，但是在實際的系統接入里面有一些別的問題。

　　還有的別的控制方式，比如使直流電壓偏差控制。比如說這個站以前是控制直流電壓，保證功率的吞吐。但是當傳輸的容量超過一定的限制的時候，這個直流電壓的可能會升高。升高到一定程度有了邊查以后，把站控制的一些任務就會轉到其他的站上去。比如說這個站就不控制電壓了，到了上限了就只去控制功率了，把控制任務轉到這個站去了。所以依靠直流偏差的控制可以在站和站之間改變一些控制策略。

　　電壓的下垂控制，也叫斜率控制。其類似于交流系統里面的一個行為，比如說一個電網，電網里面有很多發電廠，發電廠發電的多少是影響這個電網的頻率的。當電網頻率升高的時候，這個發電廠本身調頻的系統就會讓這個發電廠的出力降一些，當頻率低的時候，會讓這發電廠的出力高一些，這個東西就叫下垂控制。

　　這個下垂控制的想法實際也可以在直流里面實現，直流里面看到的就不是系統的頻率了，因為直流系統沒有頻率，就是一個直流電壓了。當直流電壓發生變化的時候，就通過直流電壓的變化來控制這個電壓功率傳輸，這個類似于交流系統的頻率控制一樣，通過這種手段來協調整個系統的控制。這樣的話會有一個好處，這兩個站控制基本上是同步的，比如說當風電的出力更多的時候，兩個站直流上升是差不多。兩個站在直流偏差的控制下，會讓注入電網的功率增加。這樣也是會通過這樣機制來控制整個多端的控制。

　　這些技術尤其在中國是處于研究階段，在歐洲可能有一些應用。但是隨著海上風電越來越多，從近海風電發展到遠海發電，直流技術應該在海上風電甚至陸上風電當中有更多的應用。