國電聯丁亮:風電場快速調頻和無功調壓技術應用_東方風力發電網
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國電聯丁亮:風電場快速調頻和無功調壓技術應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-10-16   來源:能見APP  瀏覽次數:1848
核心提示:在16日上午召開的風電機組技改專題論壇上,國電聯合動力技術有限公司軟件部副主任丁亮發表《風電場快速調頻和無功調壓技術應用》主題演講。
  2020年10月14日-16日,2020北京國際風能大會暨展覽會(CWP 2020)在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一,這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會,再次登陸北京,本屆大會以“引領綠色復蘇,構筑更好未來”為主題,聚焦中國能源革命的未來。能見App全程直播本次大會。
  在16日上午召開的風電機組技改專題論壇上,國電聯合動力技術有限公司軟件部副主任丁亮發表《風電場快速調頻和無功調壓技術應用》主題演講。
  
  以下為發言實錄:
  
  丁亮:今天匯報內容分為四部分,首先是風電消納,中國的風電發展迅猛,我國風電的裝機容量跟年均增長率全球第一,隨著風電度電成本的快速下降,風電將會持續保持高速增長,根據相關研究預測,到2030年新能源裝機占比將會達到38%的水平,2050年新能源的裝機占比在電網中將會達到70%,這樣就會導致消納的問題,將會長期困擾制約風力發展的挑戰。據統計2010年到2015年我國棄風電量損失已經達到一千億千瓦時,新能源占比32.6%,棄風率就已高達14%,隨著風電重回三北地區,新能源占比將會再次升高,消納壓力巨大,主要原因是風電大規模并網嚴重影響了電網頻率和電壓的安全。根據一些相關的研究,其實傳統的風電場不具備快速調頻的能力,當大規模并網之后擠占了同步發電機組的開機容量,導致電力系統整個轉動慣量降低,調頻能力急劇下降,我們看左側的發電機的轉子運動方程,就很直觀能夠看到整個頻率的變化率主要跟我轉動慣量跟機械轉矩跟電磁轉矩有關系,轉動慣量其實代表著同步發電機組轉動的慣量,這個慣量值越大,整個電力系統頻率變化率就會越慢,接下來我們看幾個機械轉矩,對動這發電機的有功調節,這個量越大相當于整個頻率變化的幅度越小,最后電磁轉矩,對應的是整個負荷的有功變化,我們剛才說了新能源的占比越來越高,影響的是什么呢?首先影響的是轉動慣量,因為同步發電機轉動慣量會逐步減少,新能源占比達到30%以上的時候,這個轉動慣量就已經弱到一定程度,像西北五省為什么近兩年快速推一次調頻的改造,就是因為整個電網頻率安全性已經急劇下降了。
  
  另外一方面相當于風電嚴重影響了電網的電壓安全,我們都知道風電的動態無功支撐能力照常規的機組電壓要弱,并且風力發電相當于逐級升壓到電網的,與主電網電氣距離是常規機組的兩到三倍,隨著光伏跟風電快速增長,電力系統它的無功儲備能力以及調節也是在急劇下降,這導致整個電力系統電壓問題十分突出,我們看常規的火電機組有可能接到電力機組高壓電網上,整個阻抗值就0.047PU,風電阻抗值達到0.089PU,這么大阻抗會直接影響電壓的穩定性。而且近兩年各區域電網公司已經在新頒布的兩個細則中首先對風電并網提出了更嚴苛的要求,其次明確了風電必須具備快速調頻和無功調壓的能力,并網不友好的風電場不僅僅面臨考核的問題,甚至會存在被長時間電網罰停的風險。其實電網對風電主要有五部分總體的基礎要求,首先剛才我們提到對風電要求一次調頻必須具備這個能力,第二個就是無功調壓,第三個就是未來會更嚴的,相當于是慣量響應,第四個故障電壓穿越,相當于高低穿這一塊,相當于整個電力系統電壓突然跌落了或者突然間升高,風電能夠扛得住幾百毫秒,還能繼續保持恒定的有功支撐,間接保證電網頻率的安全。第五個整個風電場上傳數據穩定性跟精準性。為了解決上述問題,聯合動力率先研制了風電場能量矩陣系統,同時具備快速調頻、無功調壓以及調度子站等功能為業主打造并網友好型風電場提供了有效途徑,這套設備不僅應用于新的風電場,對于老舊風電場改造也會起到直觀的作用。
  
  第二部分快速調頻,為了實現快速調頻功能,研發團隊在設計時就采用模塊化設計理念,選擇了高可靠性場地控制器以及0.2S級高精度多功能智能電表,以及成熟穩定工業服務器和千兆交換機和高規格的電器原件。這三款場地控制器分別就是巴赫曼的、貝孚的,還有菲尼克斯的,所以說基本上涵蓋了80%以上國內的風電場改造的需求,這款電表整個測量精度能達到0.001赫茲,這款電表在面向風電之前,整個電表測控最高精度只有0.05赫茲的采頻精度,經過我們跟廠家不斷創新研究,做了一些底層的改造,使它的整個精度能達到0.001赫茲,這個電表的性能非常高,而且使用壽命在10年以上。在軟件方面依托成熟場級控制器平臺和國產化數據庫,開發了快速調頻程序、以及通訊接口以及友好的HMI界面,看整個軟件架構能夠看到,整個上位機系統對應是電網公司電力規約,主要包含了支撐產品的HMI界面以及比較友好的數據庫,它要采集電網頻率,整個風電場高壓側的頻率能夠感受到,這個時間是非常嚴格,要在100毫秒內感受到電網的頻率變化波動,另外場級控制器要及時控制風機,風機跟場地控制器它的高速通訊已經達到了20毫秒,我們都知道SCADA系統,風電場SCADA系統能夠跟風機通訊達到1秒以內,說明這個SCADA系統已經很不錯了,場地控制器能達到20毫秒,這個通訊的速度是SCADA的50倍,所以說場級控制器的應用為后續場站級優化又提供了很好的平臺支撐。高速通信基于風電場的光纖環網,制訂了EtherCAT、Profi-Net和Blue/con三種方案,并對風機測電進行分類重新梳理,相當于我有一些高頻變量的測點,相當于風機速度快一點,比如像一些溫度的低頻變量的測電,可以達到20毫秒的精度。其實整個產生高速通訊的海量數據之后,就會產生另外一個問題就是數據庫存儲數據的問題,以前SCADA數據有可能每天有1個G、2個G數據量就夠了,高速通訊相當于是SCADA數據量的50倍,這個數據量要開發壓縮、傳輸、解包解壓縮高效傳輸技術。
  
  最控制策略方面采用了比較先進的分層控制策略,首先把風機機組全局模糊C均值的聚類,把整個風電場按照性能劃分N類的風機機群,相當于上層用MPC預測性的控制方法,為每個風電機群分配合理的功率申請值,下面采用了傳統比較穩定的PI五控制器的思路,為每臺風機進行多補償同步的風機有功設定值的下發。下面講了一些產品軟硬件的東西,我們以西北電網整個技術標準進行實際案例的分析,左邊是有功頻率下垂特性公式,右邊就是電網對風電一次調頻的技術要求,我認為比較嚴格整個響應時間是0.2秒,相當于電網頻率出現擾動之后,整個調頻功率要在2秒鐘之內有動作,這個對于以前能量平臺、AGC系統是很難實現的,接現在還有一些具體的指標。電科院測試主要分為四部分,一個頻率階躍的擾動試驗,第二電網頻率擾動實驗,第三防擾動效能校驗,第四個是AGC協調試驗,在電科院進入風電場做測試的時候,它有一個模擬的頻率訊號發電裝置,給我的快頻系統進行有功無功的調節變化,還有一個數據的分析儀器,能夠精準計量整個測試的數據。
  
  第一部分看整個頻率階躍擾動試驗,經過12項測試,結果顯示響應之后時間只有在0.6秒到1.3秒,調節完成時間在2.2秒到6秒,控制時差在0.1%到0.9%,這三項已經超過電網的要求,比如說整個響應之后的時間,電網要求是2秒,最快0.6秒就能搞定,整個調節完成時間電網要求15秒鐘,我最快2.2秒就能完成,而且調的是整個風電場的PI,從這塊側面反映出對有功功率的支撐比火電機組還要快很多。還有一個實驗模擬電網頻率擾動試驗,可以看出來整個平均值大于97%,積分電量平均值大于93%,一次調頻合格率平均值大于95%,藍色的線是電網的頻率,這個頻率跟整個西北聯調,一般西北每年都會把拉西瓦水電站拉停,基本上200萬負荷,然后會有一個頻率的波動,看各個電源,比如火電廠、水電場以及風電光伏,看整個一次調頻的實驗,能夠看到藍色的線是我根據頻率計算出來的有功設定值,紅色線是實際風電場的處理,基本紅色有功處理跟目標值是保持同步,就要求整個有功通訊速度以及控制算法達到比較高的水平,所以說才能達到這種效果。第三項電網的測試就是就是防擾動試驗,電網上了柔直輸電線路之后,就會出現高電壓、低電壓暫態故障的問題,在故障的時候,風電場首先要保持能夠穿越過去,這就是剛才我們所說高低穿的事情,接下來對于一次調頻的影響,高低穿的時候整個風電場功率不能有任何變化,能夠看到在高穿的時候。下面的圖有四次測試,低穿是0%到80%的PU,相當于零穿了,有五次試驗。
  
  另右面圖可以看出,紅色是實際功率,藍色線是電壓跌落的情況,綠色的線是頻率,能夠看到整個電壓在跌落的時候,會引起頻率的劇烈變化,在這種劇烈變化情況下,整個一次調頻系統能順利穿越過去,能夠保持整個風電場有功輸出。第四個是AGC協調試驗,我們知道以前AGC是電網給風電場下發有功控制指令,快速調頻也是在調有功,這兩個指令有一個主要的區別,在AGC指令跟電力系統里面屬于二次調頻的指令,相當于對于風電場來說是被動執行,聽電網的指令去執行這個指令就可以了,快速調頻是主動響應電網的要求,相當于我快速調頻要自己感應電網頻率,不用電網下指令,我直接就升降有功功率了,在這兩者指令同時發生的時候,我們要驗證一下,必須相當于一次調頻整個優先級更高一些,經過整個八項測試,整個產品完全符合電網的要求,首先就是要執行快速調頻,然后再執行AGC指令。經過多個風電場的試驗,我們可以看到整個快速調頻功能已經在多個風電場得以應用,整體運行效果比較良好,調節時間、調節精度均大幅優于電網標準。
  
  第三部分無功調壓,風電場無功調壓主要是實時監控電網以及風電場各節點電壓,動態差異化控制風電場的集群跟無功補償裝置的處理,在確保電壓安全的情況下,能夠充分發揮風電場無功能力,這樣能夠減少SVG投用的處理,這樣間接能夠影響它的耗電量,整個圖中可以看到,其實風電場無功調不僅僅支撐電網的電壓,還要在調壓過程中保證風電場各節點電壓的安全,而且最好是能夠近似相等,比如說35千伏的電壓,風機出口690伏電壓,如果這些整個電壓近似相等,對于風電場電壓來說是最友好的。根據中國電科院測定,在電壓控制無功支撐動作時間小于2秒,調節完成時間在20秒以內,而且調節精度是小于0.3千伏,在無功控制模式下整個動作時間也小于1秒,調節精度小于3%,這也間接的驗證了風機無功出率控制策略穩定性跟有效性,當然無功在很多風電場也得以應用,整個指標精度均優于電網要求。第三部分就是基于能量矩陣系統開發的調度子站的功能,就是AGC、AVC子站,這樣能夠減少風電場前期建設成本的投入以及后續成本的下降。
  
  第四部分展望,通過能量矩陣的應用可以看到各區域電網測試效果比較良好,各項性能均符合電網的要求,同時在電網側可以驗證風電主動支撐電網頻率跟電壓的有效性,這也是為整個大規模風力發電發展提供了有力的支撐。根據國家的一些規定,以東北年發電量1億千瓦時風電場進行經案例的分析,如果這個風電場具備一次調頻能力,每年可以得到100萬的補助,如果它具備虛擬慣量能力的話,每年會得到50萬的補償,這個補償是電網給的,這個風電場20年累計收益將會達到3000萬,這對于一個平價項目來說是十分可觀的。未來隨著風電的發展,要想實現風電的高效消納,就需要風電自己承擔電力安全職責,風電需要從被電網支撐到主動支撐電網的決策轉換,風電發電機組必須要實現頻率電壓、慣量等主動支撐技術,未來國家跟行業也會對風電電網友好型提出更高的要求,這也是風電未來發展的方向,謝謝大家。
  
 ?。ǜ鶕儆浾?,未經本人審核)
 
關鍵詞: 風電
 

 
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