2016年11月4日，在“2016中國風(fēng)電電氣裝備技術(shù)高峰論壇”的主題演講環(huán)節(jié)， 浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司許國東 副總工程師作了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣性能量與一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)報(bào)告。
浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司許國東 副總工程師
以下是大會演講內(nèi)容（現(xiàn)場筆錄）：
各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家早上好。我是運(yùn)達(dá)的許國東，下面由我給大家匯報(bào)一下運(yùn)達(dá)在風(fēng)電機(jī)組的慣性能量提取和一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)方面的一些進(jìn)展。
我說這樣幾個部分：一是電力系統(tǒng)的需求；二是風(fēng)電機(jī)組慣量與調(diào)頻功能分析；三是測試過程和結(jié)果；四是展望。
首先大家知道至2015年底，我國風(fēng)、光、生物質(zhì)發(fā)電量占全部發(fā)電量的5%，未來電能將借助特高壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量輸送，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求日益提高。尤其是我們國家風(fēng)電包括光伏大量的資源都在西北這個地區(qū)，是遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的，所以我們國家現(xiàn)在應(yīng)該說也是包括要新建數(shù)量非常龐大的交流、直流網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)大量遠(yuǎn)距離的輸送。像這種電力形態(tài)其實(shí)全球都是沒有的，要做到這么大能量的遠(yuǎn)距離輸送，對于電力的輸送是有很高的考慮。
從電力系統(tǒng)本身來說，現(xiàn)在我們國家以三北地區(qū)作為代表的高比例新能源電力系統(tǒng)形態(tài)已經(jīng)基本形成，西北幾個省比如甘肅、冀北、新疆、蒙西新能源裝機(jī)占比超過30%，甘肅占比達(dá)到40%。早五年大家覺得這個比例都不可接受的，現(xiàn)在這個事實(shí)已經(jīng)擺在這里，大家做風(fēng)電的也能感受到，其實(shí)今年以來風(fēng)電的接入電網(wǎng)越來越困難，今年上半年整個西北地區(qū)基本上沒有形成風(fēng)電接入，為什么，因?yàn)槲覀兇_實(shí)是遇到了電力系統(tǒng)無法消化這樣的問題，事實(shí)上也不是電網(wǎng)本身不行，而是實(shí)際在運(yùn)行中已經(jīng)出現(xiàn)了這樣的案例，只不過作為外界來講了解的信息并不是很多。所以我們風(fēng)電是一個作為后起的，給整個大系統(tǒng)作為補(bǔ)充，或者說慢慢提升比例的這樣一個角色，所以我們必須要適應(yīng)電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行特性和要求，這樣才能使我們未來能夠扮演更好的角色。
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指整個系統(tǒng)在正常運(yùn)行的時候受到了擾動，然后重新恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)本身有各種各樣的穩(wěn)定性問題，比如說下面這個圖表顯示功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定，這個是我國電力系統(tǒng)規(guī)定中提出的觀點(diǎn)。
小范圍來講可能說電壓和功角穩(wěn)定會更突出，但是從更大的尺度來說頻率穩(wěn)定是一個更重要的問題，我們之所以之前要講高穿和低穿，其實(shí)當(dāng)時是一個電壓穩(wěn)定性，現(xiàn)在隨著風(fēng)電比例的進(jìn)一步提高，頻率穩(wěn)定對于我們的迫切性就更明顯的提了出來。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的頻率本身反映在系統(tǒng)中有供需平衡的基本狀態(tài)，就是發(fā)電和用電要處于一個平衡態(tài)，如果這個平衡被打破，或者說產(chǎn)生了一定的波動，那么我們本身的系統(tǒng)頻率就會產(chǎn)生波動。從我國前面的遠(yuǎn)距離輸送能量的情況來說，就涉及到電力輸送端的電源，輸送端的負(fù)荷以及受電端的負(fù)荷和受電端的負(fù)荷。在電力系統(tǒng)產(chǎn)生波動的情況下，電力系統(tǒng)會要求整個電源側(cè)有調(diào)頻能力，分階段來說是一次調(diào)頻、二次調(diào)頻，當(dāng)然有的系統(tǒng)也會提出三次調(diào)頻這樣的說法。從右邊這個圖來講可以看到風(fēng)因?yàn)椴▌有苑浅４螅秦?fù)荷并不像我們所需要的那樣子，必須電源隨時來補(bǔ)充這個缺口。
這是我們給大家講的是一項(xiàng)國外的電網(wǎng)到則，國外要求的調(diào)頻能力的說法，不光指風(fēng)電，其他也是這樣的要求。德國提出裝機(jī)量大于100MW的時候，加拿大也是的，德國這些標(biāo)準(zhǔn)都由國外一些風(fēng)電整機(jī)廠商已經(jīng)在做適應(yīng)性的測試以及認(rèn)證。比如說像加拿大，像西門子、維斯塔斯他們都做了類似的實(shí)驗(yàn)，但是他這個要求也比較明確，像HS做到3.5s，愛爾蘭提的也是高頻率的調(diào)頻能力。
相應(yīng)來說我們看看我們國家的調(diào)頻是怎么要求的，當(dāng)然這只是風(fēng)電，我們對于風(fēng)電來說沒有頻率響應(yīng)要求，對于火電有一個標(biāo)準(zhǔn)，是GB/30370-2013這個標(biāo)準(zhǔn)的要求，0.033Hz，就是達(dá)到我們調(diào)頻目標(biāo)的90%，燃煤機(jī)組是30m，燃?xì)鈾C(jī)組是15s，調(diào)頻負(fù)荷增量是6-10%，火電如果我們現(xiàn)在要求做調(diào)節(jié)的時候，功率如果調(diào)節(jié)要調(diào)節(jié)蒸汽，通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，這個肯定有一定的時間。水電比如等于0.05Hz，因?yàn)樗姍C(jī)組比較長，所以機(jī)組比較多樣，機(jī)型類別也不同，所以說各個地方的電網(wǎng)公司自己提要求，調(diào)節(jié)負(fù)荷增量在5-10%。
傳統(tǒng)的電力機(jī)組火電水電都是同步器，但是它的轉(zhuǎn)速和頻率是咬合在一起，像我們風(fēng)電的話，風(fēng)電整個裝機(jī)量是1.29億千瓦，其中大概是6%左右是傳統(tǒng)的異步的，定速定槳的這樣的機(jī)組。其他90%幾我們現(xiàn)在都是變速恒頻機(jī)組，但是風(fēng)電的變速恒頻機(jī)組是不咬合的，這樣我們的頻率響應(yīng)沒有什么作用。至于火電水力的慣量也是能體現(xiàn)的，但是你要實(shí)現(xiàn)有功平衡性，我們可以看到一次調(diào)頻都是要時間達(dá)到15s左右，風(fēng)電到底能做到怎么樣？
給大家看一下這個調(diào)頻的過程，左下這個圖有一個是仿真曲線，有一個是錄波曲線。這是以前出的一個事故，出了事故以后他們重新做的仿真曲線和錄波曲線，發(fā)現(xiàn)并不完全一致。就是說電力系統(tǒng)本身的一些事故里面還有一些原因靠這些曲線不能分析出來。右邊是水電機(jī)組一次調(diào)頻過程，有個電力系統(tǒng)通過把水電機(jī)調(diào)節(jié)水流實(shí)現(xiàn)功率的波動，右下這個圖是需要調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，最后而且也是需要十幾秒左右的，這是傳統(tǒng)的火電水電機(jī)組所能達(dá)到的一些能力。
至于風(fēng)電我們來看一下，風(fēng)電慣性時間常數(shù)本身這個值是動能除以要發(fā)電的功率，風(fēng)電的H就是叫慣性時間常數(shù)，右邊的散點(diǎn)就是典型的風(fēng)電機(jī)組大概的一些慣量。大家可以看到差不多在5-10的樣子，其實(shí)跟火電機(jī)組或者水電機(jī)組差不多在同等量級上，我們是完全有能力提取這樣的慣性量為我所用，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的目標(biāo)。
這張圖是我們典型的風(fēng)電機(jī)組的變速運(yùn)行機(jī)組的曲線，可以看到本身它有很大的變速范圍，在整個變速范圍內(nèi)都是50Hz的目標(biāo)，其實(shí)我們實(shí)現(xiàn)的是50Hz的目標(biāo)，我們實(shí)現(xiàn)的是跟隨電網(wǎng)頻率的目標(biāo)。在整個范圍內(nèi)可以看見在最佳的運(yùn)行曲線上。我為什么要跑在最佳Cp上，最佳Cp是我們獲得最好的能量。但是如果我們做一些調(diào)頻的動作，要偏離這個曲線，也會產(chǎn)生一些以往不太關(guān)注的一些特性。
從風(fēng)電機(jī)組本身的有功功率的控制來說，它是受到風(fēng)、氣動、機(jī)械、電機(jī)的這些元素，并不是我們想調(diào)就調(diào)的，本身有一些前提條件。比如當(dāng)時你說你要調(diào)有功，說風(fēng)到底有多大，就是說你的Cp到你的當(dāng)時是什么值，機(jī)械的話如果突然間上升增大功率，對齒箱，對軸承有沒有影響，對電氣本身的影響不是很大，但是會不會過油，會不會振動，就會有這樣的一些特性的約束。
在整個調(diào)頻過程中，左上這個圖是美國做的，在特同傳動效果下不同的頻率支撐有怎樣的影響。右圖是一個典型的在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行曲線上，我們通過調(diào)頻軌跡到底是怎么做。但是這個我想說右圖只是一個典型的參考，并不是說大家都這么做，也不是說非要這么做，而且在這樣做的范圍內(nèi)大家可以看到紅線，紅線在這個軌跡走的時候，肯定我們這個監(jiān)速就是下降的，這個會帶來什么影響？會帶來風(fēng)電機(jī)組的Cp運(yùn)行速度會下降。在調(diào)頻這個時候如果要實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的支撐，也就是說我們短時間內(nèi)增加有用功的輸出，我們輸出的電能是大于我們接受的接線能，就會到一些不安全的區(qū)域。風(fēng)電慣量響應(yīng)的作為在于降低系統(tǒng)故障時調(diào)頻的變化率，一次調(diào)頻其實(shí)著重在后期。
左圖是國外的結(jié)果，頻率波動的時候?qū)崿F(xiàn)快速的支撐起來，右邊這個圖是我們作為調(diào)頻功能釋放出有功功率的備用量，火電水電其實(shí)都是這個道理，火電是加了倍壓。有圖來講釋放功率的量有幾種方法，風(fēng)大的時候沒有，風(fēng)小的時候就有了，也就是說我們在事先留好備用量，當(dāng)我們需要的時候就釋放出來。
技術(shù)難點(diǎn)在以下幾個方面：一是快速準(zhǔn)確的響應(yīng)， 二是功率平穩(wěn)過渡，三是電氣和機(jī)械系統(tǒng)安全，四是避免超速、欠速停機(jī)。
說一下整個實(shí)現(xiàn)的過程和結(jié)果，我們最開始做了Matlab-Bladed系統(tǒng)仿真，很多人都會做。然后我們做了地面動力平臺測試，實(shí)現(xiàn)了可靠性。然后我們是今年6月份在電科院一個基地做了這樣的實(shí)驗(yàn)，可以看到這個頻率當(dāng)時我們做的還是雙波抖動，右上這個圖做的是慣量，就是說我們在頻率波動的時候提取這個能量，恢復(fù)的時候我們要把這個能量重復(fù)放回來，所以它下面是有一個缺口的。右下這個圖我們是慣量加一次調(diào)頻，這樣的做法我們在振蕩的時候就不會有缺口。大家可以看到右下這個圖波形就很方。現(xiàn)在的風(fēng)電場其實(shí)都有在線調(diào)節(jié)的功能要求，但是這個和我們現(xiàn)在做的有什么區(qū)別？其實(shí)都能做，還是跟原來是一樣的？我告訴大家是不一樣的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的風(fēng)電場用常規(guī)方法調(diào)節(jié)有功功率，達(dá)到這個目標(biāo)可能需要幾秒鐘。比如說我們從100%功率的下降到80%，這個時間是要幾秒鐘的時間，但是我們現(xiàn)在這個做法縮減到原來的1/10，
在6月份我們還在西北電網(wǎng)做了一個實(shí)際的大系統(tǒng)頻率擾動，頻率是真實(shí)的波動了，也可以看到因?yàn)楫?dāng)時那天風(fēng)比較小，我們只做了慣量的體現(xiàn)，沒有做慣量加一次調(diào)頻的曲線。這個是電科院給我們的檢測報(bào)告。
總結(jié)上來講就是現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組是完全可以滿足現(xiàn)有電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)頻需求，當(dāng)然這個現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)頻需求對應(yīng)的是國內(nèi)的對于火電水電我們現(xiàn)在頻率的要求優(yōu)勢還是比較大的，如果要調(diào)頻的話，針對于國外的水平，根據(jù)德國、愛爾蘭這個水平要求我們現(xiàn)在也是能夠滿足的，我們已經(jīng)達(dá)到了和西門子同等的水平。整個風(fēng)電調(diào)頻的優(yōu)越性在于我們這個調(diào)頻功能的響應(yīng)非常迅速，并且功能靈活。大家知道傳統(tǒng)的水電火電從前面那個導(dǎo)則來講它的線只是10%，風(fēng)電其實(shí)是可以有條件做得更大，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)組是同步進(jìn)行的，是存在剛性約束的，你調(diào)節(jié)量如果過大的話是容易產(chǎn)生機(jī)械振動的，這個在設(shè)備本身可能受不了，但是風(fēng)電因?yàn)檎麄€控制過程是柔性的，它允許或者我們能夠做到更大的超出率。從經(jīng)濟(jì)上來講風(fēng)電旋轉(zhuǎn)容量備用充分，不會增加過多的成本。如果我們具備調(diào)頻能力的話，未來在電網(wǎng)，我們是可以獲得一些有限上網(wǎng)權(quán)這樣一些考量的。
對于未來的工作我們也跟大家共享一下：一是我們現(xiàn)在從單機(jī)到機(jī)群的慣量調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)，大量的機(jī)群如果同時要做到慣量調(diào)頻有一個同步性問題。二是電網(wǎng)適應(yīng)，復(fù)雜電網(wǎng)下的功能的準(zhǔn)確快速響應(yīng)，因?yàn)楹芏嚯娋W(wǎng)形態(tài)并不像我們理想的那樣，就像我們前面展示的仿真和錄波一樣，它并不完全一致，我們未來在一些真正的或者多樣性的復(fù)雜電網(wǎng)下，是不是也能達(dá)到我們所期望的快速響應(yīng)。包括風(fēng)電如果像現(xiàn)在這種調(diào)頻速度，我們和常規(guī)機(jī)組怎么配合？和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器以及其它的電網(wǎng)中互有的裝備怎么搭配。三是設(shè)備能力，就是復(fù)雜運(yùn)行工況下的極限能力，比如說風(fēng)，未來幾秒鐘風(fēng)變化特別多，比如說整個調(diào)解目標(biāo)、調(diào)節(jié)裕度和調(diào)節(jié)參數(shù)的時變性，這是我們未來所要追求的目標(biāo)。
我們現(xiàn)在未來的新能源發(fā)展空間還是非常的大，《巴黎協(xié)議》馬上要執(zhí)行，風(fēng)電作為可再生能源的一部分，如何能發(fā)揮我們風(fēng)電的優(yōu)勢？在電網(wǎng)中占有一席之地，這個是大家需要一起來共同努力的，謝謝大家！
