12月21日-22日，由中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)主辦的第二屆風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量與可靠性論壇在北京裕龍國(guó)際酒店隆重召開(kāi)。
遠(yuǎn)景能源智能風(fēng)機(jī)解決方案負(fù)責(zé)人張軒出席會(huì)議并發(fā)表了題“風(fēng)機(jī)大規(guī)模并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題分析及解決方案”的主旨演講。
以下為發(fā)言內(nèi)容：
張軒：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位朋友大家上午好。今天的主題就是我們的風(fēng)機(jī)，或者新能源行業(yè)，尤其是電力電子設(shè)備接入容量越來(lái)越多的情況下，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成什么沖擊，以及我們的認(rèn)識(shí)還有他的解決方案是什么，所以我這兒主要是針對(duì)風(fēng)電行業(yè)，關(guān)于我們最近在學(xué)術(shù)界比較人們的問(wèn)題，我們是怎么分析的，怎么解決的。
分成三個(gè)部分來(lái)講我的專題報(bào)告，一個(gè)先給大家有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，加入風(fēng)電，光伏之后危害是什么，第二跟大家討論一下機(jī)理是什么，第三個(gè)我們遠(yuǎn)景能源方案都有哪些。首先我先講第一部分，大家可以看到，在最開(kāi)始的時(shí)候，還沒(méi)有到風(fēng)機(jī)，最開(kāi)始的時(shí)候電力系統(tǒng)對(duì)次同步振蕩有一個(gè)定義的，我們都知道，頻率就是50赫茲電網(wǎng)的頻率，美國(guó)60赫茲，引發(fā)振蕩的時(shí)候有50核子、20赫茲。這是當(dāng)時(shí)1970年的時(shí)候，美國(guó)火電廠發(fā)生了問(wèn)題所以那個(gè)時(shí)候他們就開(kāi)始研究，到了21世紀(jì)的時(shí)候，新能源大規(guī)模介入。本來(lái)在美國(guó)搞的差不多了，結(jié)果在21世紀(jì)新能源介入之后，又出現(xiàn)了一些問(wèn)題。
咱們看一下他的幾次事故，1970年的時(shí)候和新能源沒(méi)什么關(guān)系，在美國(guó)有一個(gè)電場(chǎng)，產(chǎn)生了次同步振蕩問(wèn)題。搞火電的大家應(yīng)該知道，里面有很長(zhǎng)的軸，軸除了發(fā)電機(jī)帶動(dòng)的之外，還有高速軸、中速軸、低速軸。除了50赫茲之外會(huì)有其他的頻率，會(huì)產(chǎn)生扭振，軸會(huì)產(chǎn)生損害，這就是非常大的事故了，發(fā)電機(jī)就必須停機(jī)了。結(jié)果到2009年的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候跟風(fēng)廠有關(guān)了。從電路分析來(lái)看，振蕩導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)機(jī)的脫網(wǎng)。接下來(lái)我國(guó)有兩個(gè)安全生產(chǎn)事故，一個(gè)2012年，一個(gè)2015年，我們平時(shí)也往現(xiàn)場(chǎng)跑，實(shí)際上小的振蕩沒(méi)有引起重視，如果說(shuō)我們真的研究這行的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候是振蕩引起的。
現(xiàn)在風(fēng)電的光伏，有了振蕩之后，就會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的脫網(wǎng)，而且還會(huì)導(dǎo)致本身原有的發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生故障，最終導(dǎo)致電網(wǎng)的安全事故。這就是一個(gè)案例，風(fēng)電廠原來(lái)在這個(gè)地方，因?yàn)槲抑耙驗(yàn)樵蹅兌际请娏υO(shè)備的專家，所以我有些東西講的比較具體，這兒我就比較淺的說(shuō)一說(shuō)，大家有什么問(wèn)題可以問(wèn)。本來(lái)這兒接了風(fēng)電廠之后，有一個(gè)串聯(lián)器，電感剛好跟電容形成一個(gè)電路，正電阻的話抑制就會(huì)衰落，如果這個(gè)地方，在純電阻方向如果是負(fù)的話，就會(huì)有一個(gè)振蕩。當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了這樣一個(gè)機(jī)理，振蕩起來(lái)了，所有的風(fēng)機(jī)全部脫網(wǎng)。
這是2015年新疆哈密地區(qū)，是非常重大的一個(gè)事故，當(dāng)時(shí)也有很多國(guó)家的各個(gè)方面，當(dāng)時(shí)都在做這方面事故的調(diào)查和分析。從電力電子角度，或者從風(fēng)機(jī)的角度，這個(gè)風(fēng)廠會(huì)產(chǎn)生什么呢，他的負(fù)阻抗特性由變頻器產(chǎn)生的，產(chǎn)生的頻率不光是有次同步振蕩的頻率，而且同時(shí)他和當(dāng)時(shí)幾百千米之外的火力發(fā)電廠，他們的共振頻率是相同的，而且頻率這個(gè)東西和電壓幅度不一樣，電壓幅度比如我這兒有一個(gè)一百千伏的，過(guò)了多遠(yuǎn)之后會(huì)衰減。這個(gè)就傳播了電壓，和他們的中速軸產(chǎn)生了共振，產(chǎn)生了共振之后，直接導(dǎo)致了當(dāng)時(shí)電廠全部都停機(jī)了，還好他旁邊是有一個(gè)高壓輸電，帶有了保護(hù)系統(tǒng)。剛好帶了之后，僅是進(jìn)行了停機(jī)，全部停機(jī)，但是對(duì)當(dāng)時(shí)的火力發(fā)電機(jī)組沒(méi)有什么損害，他這兒有三個(gè)頻率，其中一個(gè)頻率是30赫茲，和中速軸是一樣的。
接下來(lái)，剛才給了大家一些例子，在這兒可以看出來(lái)，電網(wǎng)現(xiàn)在有一個(gè)新的運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)環(huán)境和以前不一樣了。上世紀(jì)70年代的時(shí)候，根本沒(méi)有什么新能源發(fā)電，那時(shí)候大家定義很簡(jiǎn)單，就是50赫茲以下，他是轉(zhuǎn)軸，火力發(fā)電在某些情況下會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻抗，負(fù)阻抗和電網(wǎng)進(jìn)行分析的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)總體來(lái)說(shuō)會(huì)有一個(gè)不穩(wěn)定。但是如果說(shuō)我把這個(gè)去掉，用很多抑制裝置或者算法，現(xiàn)在都已經(jīng)解決得很好了。
但是到了新能源發(fā)電越來(lái)越多的時(shí)候，我們可以看到，大家還把那個(gè)東西叫次同步，實(shí)際上內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生變化了，我們就叫做50赫茲到100赫茲周圍的頻率范圍振蕩，如果細(xì)的分析，下面可以再討論。那個(gè)時(shí)候就和50赫茲沒(méi)有任何關(guān)系了，就是由變頻器里面的阻抗和電網(wǎng)的阻抗不匹配，所產(chǎn)生的振蕩問(wèn)題。和他發(fā)電機(jī)本身是不是50赫茲完全沒(méi)有關(guān)系，可以從5赫茲到100赫茲隨意有飄移。
然后我們講一下次同步振蕩問(wèn)題的機(jī)理，剛才已經(jīng)對(duì)他的概念，還有他一些實(shí)例有一些認(rèn)識(shí)。接下來(lái)我們看機(jī)理，我們這兒可以看到，這兒實(shí)際上是我們引用清華還有國(guó)外教授，包括我當(dāng)時(shí)在美國(guó)的時(shí)候，一直在做這方面的研究，我們對(duì)這個(gè)方面的分析，大體的分析已經(jīng)是比較清晰的，振蕩模式有三類，一個(gè)電力電子裝置之間，會(huì)有一個(gè)負(fù)阻抗的不匹配，當(dāng)然也不一定真的說(shuō)是負(fù)阻抗，提到負(fù)阻抗只能說(shuō)是一種分析方法所產(chǎn)生的，你在這個(gè)分析方法下，你說(shuō)這個(gè)詞大家就理解。但是從大的概念上來(lái)講的話，他就是電力電子裝置互相干擾所產(chǎn)生的。還有發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間，有LC諧振。第三就是發(fā)電機(jī)的軸心扭振。
我給大家簡(jiǎn)要的講一下，現(xiàn)在中國(guó)主流的就是雙倍風(fēng)機(jī)和持續(xù)風(fēng)機(jī)，我們分析的結(jié)論，他們的振蕩機(jī)理分別是什么，這是一個(gè)持續(xù)風(fēng)廠，持續(xù)風(fēng)機(jī)如果給他建模的時(shí)候，可以看到他在建模的過(guò)程中，在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)負(fù)阻抗加電容的模式，在這樣的情況下，因?yàn)閭鬏斁€本來(lái)是有感性的。負(fù)阻抗和電網(wǎng)，傳輸線肯定有負(fù)阻抗的，這兩個(gè)加起來(lái)之后然后來(lái)LC的濾波電路，這樣的電路，如果說(shuō)風(fēng)機(jī)本身負(fù)阻抗和傳輸線上的電阻之和如果還是負(fù)的話，這樣就會(huì)產(chǎn)生振蕩。這個(gè)時(shí)候就是兩個(gè)原因，一個(gè)和風(fēng)廠規(guī)模有關(guān)，規(guī)模越大的話，負(fù)電阻效應(yīng)越大，也和他的控制有關(guān)。這是一個(gè)振蕩模式，這個(gè)振蕩模式下，如果大家做分析的話，是在某一個(gè)焦點(diǎn)出就有一個(gè)振蕩頻率。
如果我分析電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)，風(fēng)廠之間振蕩匹配的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他有好幾個(gè)點(diǎn)的交疊，他就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)振蕩頻率。因?yàn)樗@種振蕩頻率，如果大家看就會(huì)知道，假如說(shuō)出現(xiàn)20赫茲振蕩的話，又把振蕩頻率進(jìn)行了翻倍，因?yàn)樗袷庮l率比較多的，某一個(gè)振蕩頻率下，和火力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生共振的話，就會(huì)有問(wèn)題。但是他的振蕩是比較單一的，他就是電容器主導(dǎo)的，風(fēng)機(jī)葉輪也好，發(fā)電機(jī)也好，都是通過(guò)變頻器進(jìn)行的。
然后雙會(huì)風(fēng)機(jī)，一方面他和直驅(qū)的產(chǎn)生機(jī)理是一樣的。雖然他那種情況下機(jī)理是一樣的，但是他產(chǎn)生的可能性比較小，因?yàn)橥瑯拥娘L(fēng)廠，一個(gè)滿功率，一個(gè)只占了20%的功率。這是剛才我說(shuō)的和直驅(qū)一樣，但是可能性比較小。還有一種比較特殊的，雙會(huì)從定子，電網(wǎng)接到定子之后，定子是感應(yīng)發(fā)電機(jī)，中間的轉(zhuǎn)子接了機(jī)側(cè)變頻器，這個(gè)東西是直驅(qū)沒(méi)有的。這樣的話就形成了一個(gè)新的東西，這個(gè)新的東西就是傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，再加上轉(zhuǎn)子。這個(gè)裝置我們分析下來(lái)，他會(huì)在功率比較低的情況下，會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)振蕩，這個(gè)實(shí)際上是整條電路，整條電路在某些情況下，也會(huì)形成一個(gè)負(fù)的，形成負(fù)的東西之后，整體的電阻會(huì)變成負(fù)值，變成了負(fù)值之后，這樣的情況下，后面又有電感，又有電容，這樣的情況下，他振蕩的模式，馬上也會(huì)產(chǎn)生。但是這樣的情況下，剛才我說(shuō)的直驅(qū)，整條電路里面自帶一個(gè)電容，但是雙會(huì)里面，他里面的整條電路，虛線左邊這部分是沒(méi)有自帶電容的，所以他這兒的意思是什么呢？如果有振蕩的話，必須是在電路里面有串聯(lián)補(bǔ)償器，在線路里面自己加一個(gè)電容。如果沒(méi)有串聯(lián)補(bǔ)償器的話，肯定是振蕩不起來(lái)的。
他振蕩的頻率是比較固定的，外邊的電感和電容，傳輸線路已經(jīng)定好了之后，這兩個(gè)值是定好了，最后我們得出的結(jié)論基本上在5到10赫茲左右，在這樣的情況下，你在人眼睛看到的振蕩他是50+-8赫茲，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)振蕩頻率。這是剛才說(shuō)的，直驅(qū)和雙會(huì)，我們國(guó)家非常常見(jiàn)的兩種形式他的振蕩機(jī)理。
在這兒提一下我們次同步振蕩的解決方案，剛才說(shuō)了機(jī)理，我盡量的用簡(jiǎn)單的方式給大家解釋，不知道大家有沒(méi)有聽(tīng)明白，下面可以交流。次同步振蕩實(shí)際上分成三個(gè)部分，一個(gè)最主要的還是要看電網(wǎng)配制，如果電網(wǎng)的配制很到位的話，或者說(shuō)他電網(wǎng)做起來(lái)比較堅(jiān)強(qiáng)，所謂的堅(jiān)強(qiáng)就是我知道風(fēng)電廠到底能設(shè)計(jì)多大，什么樣子，模型是什么。在這樣的情況下，那就是非常好的配置了。但是現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，我們國(guó)家行業(yè)里面，因?yàn)槲抑烙泻芏嗳嗽谧鲞@個(gè)研究，但是真正形成一種標(biāo)準(zhǔn)，或者說(shuō)有一些設(shè)計(jì)人員，他真的在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮這些，現(xiàn)在來(lái)看的話，起碼我見(jiàn)到的幾乎沒(méi)有。
剛才我一直談到電阻的問(wèn)題，如果完全變成正阻尼的話，肯定還在某一些頻段上有負(fù)阻尼，第二對(duì)能量的損失，或者動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果是比較差的，對(duì)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)要的就是動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常高，電壓很快。但是我剛才說(shuō)的，在全頻帶加阻尼。如果在某些，我認(rèn)清了振蕩頻率可能在哪里，或者讓風(fēng)機(jī)自己感受，他可能發(fā)生振蕩的頻率在哪里，這樣的情況下，風(fēng)機(jī)就會(huì)在那個(gè)頻帶里面加阻尼控制，加正的阻尼進(jìn)去，正的電阻進(jìn)去，這樣整個(gè)電路，就可以非常明顯，有效的抑制他的振蕩。
接下來(lái)預(yù)波裝置，一共三個(gè)方面。針對(duì)這幾個(gè)方面，第一個(gè)必須在項(xiàng)目前期要抓住他的關(guān)鍵電網(wǎng)配制特征，要有風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別能力，要知道電網(wǎng)或者風(fēng)場(chǎng)怎么建立這個(gè)模型，電網(wǎng)怎么建立這個(gè)模型，和以前的不同在哪里，因?yàn)橐郧叭笥?jì)算的話，以現(xiàn)在三大計(jì)算的潮流計(jì)算，動(dòng)態(tài)計(jì)算，里面很多的模型，尤其是引起振蕩的模型是沒(méi)有考慮進(jìn)去的。在這樣的情況下，能不能把前期，沒(méi)有考慮到的配制考慮進(jìn)去。第二對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行非常好的分析，把模型的結(jié)構(gòu)搭出來(lái)之后，具體的參數(shù)必須要知道，而且有很好的建模方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
接下來(lái)建模好了，可能在某些情況下產(chǎn)生振蕩，這樣的情況下，根據(jù)風(fēng)機(jī)，你如果對(duì)風(fēng)機(jī)很了解的話，接下來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制進(jìn)行改進(jìn)。給大家舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這是我們公司花了很大的力氣，做了一套非常精細(xì)的，專門用于電網(wǎng)振蕩研究的一套仿真模擬系統(tǒng)，這個(gè)模擬系統(tǒng)可以非常精確的模擬出電網(wǎng)，什么樣的風(fēng)廠下，什么樣的電網(wǎng)下會(huì)產(chǎn)生振蕩，而且是多少頻率的振蕩。結(jié)果是一致的，能夠一致關(guān)鍵在于仿真方法，建模方法。建模方法如果不考慮有些東西的話，或者不在某一個(gè)特定的坐標(biāo)系下考慮東西，有的信息就漏掉了，在這種情況下看不到什么。
首先把模型建立起來(lái)，模型建立起來(lái)之后，接下來(lái)就是對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)重點(diǎn)的建模，重點(diǎn)的建模，在哪幾個(gè)方面呢？實(shí)際上最主要的一個(gè)就是他的感應(yīng)電機(jī)，還有風(fēng)機(jī)的模型，接下來(lái)就是變頻器控制模型，這個(gè)很可能會(huì)漏掉很多關(guān)鍵信息，最后得到的是不正確的結(jié)果。這個(gè)我們做了很多工作，這是仿真圖，從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，從圈外到圈里面。
既然剛才已經(jīng)分析完了，就有一個(gè)振蕩抑制，一個(gè)是加一個(gè)阻抗，加一個(gè)阻抗相當(dāng)于是并聯(lián)的模式，把虛擬阻尼加進(jìn)去。接下來(lái)我們?cè)谶@兒，剛才我說(shuō)串聯(lián)的模式，會(huì)加組策濾波器，可以把中間振蕩頻率上的能量濾掉，如果你認(rèn)清了機(jī)理或者有方法的時(shí)候，這個(gè)東西就不是很難了，可以再到理論或者模型里面驗(yàn)證這個(gè)東西有沒(méi)有效，只要有了方法其實(shí)就不難，這是一個(gè)。還有對(duì)于風(fēng)機(jī)或者風(fēng)廠，怎么讓他們?cè)谇捌谧R(shí)別可能馬上產(chǎn)生振蕩，這個(gè)東西是非常關(guān)鍵的，有了這個(gè)東西，再結(jié)合強(qiáng)大的分析，對(duì)風(fēng)機(jī)的認(rèn)知能力，現(xiàn)在可以在風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)好，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部就產(chǎn)生這樣一個(gè)濾波器了。這是我們的實(shí)驗(yàn)基地，我們加了很長(zhǎng)的，或者是有電容，來(lái)驗(yàn)證我們的算法。
接下來(lái)就是東北有風(fēng)廠，實(shí)例，有好幾個(gè)風(fēng)廠，這樣的情況下，就產(chǎn)生了振蕩，在這個(gè)情況下，最后找到了我們，開(kāi)始進(jìn)行問(wèn)題的解決，實(shí)際上當(dāng)時(shí)幾個(gè)月的時(shí)間，振蕩了一百多次，業(yè)主覺(jué)得已經(jīng)受不了了，但是其他的廠商，因?yàn)槟莻€(gè)風(fēng)廠里面好幾家，找到別人的時(shí)候，大家好像覺(jué)得也都不太有有力的解決方案，我們當(dāng)時(shí)進(jìn)來(lái)了之后，在一個(gè)月的時(shí)間。因?yàn)槲覀儺?dāng)時(shí)基本上把算法剛搞完就出問(wèn)題了，直接把這個(gè)算法從實(shí)驗(yàn)室拿到了現(xiàn)場(chǎng)，然后可以看到，這兒有一個(gè)8赫茲的振蕩，在方案改進(jìn)之后，就有一個(gè)明顯的抑制。
我今天就講到這里，謝謝大家。
