国能日新盛洁:风电并网控制技术与调频可靠性探讨

能见App 2023年10月20日 4683

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见APP全程直播本次大会。

在10月18日上午举办的风电机组可靠性论坛上,国能日新科技股份有限公司功率控制产品线经理盛洁发表了题为《风电并网控制技术与调频可靠性探讨》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位同仁朋友们,大家中午好,我是国能日新控制产品线经理盛杰,很荣幸能够在这里给大家分享一下风电并网的控制技术。国能日新主要是做软件系统类的,所以主要分享一下风电场并网控制技术和调频相关的一些技术。

我先介绍一下大规模风电并网的带来的一些稳定控制问题。新型电力系统主要特点是随着大量的电力电子变流器的介入,有大容量的直流输电和异步并网的问题。体现在电源侧,就是变流式电源的持续增长。截止到今年6月底,我国可再生能源的装机容量达到13.2亿千瓦,历史性的超过煤电,约占全国总装机的48.8%。体现在电网侧,就是我们特高压的柔性传输技术。体现用户侧就是分布式发电导致的一个配网有源化,还有我们直流配网和微网技术的蓬勃发展。

相比于同步发电机主导的传统的电力系统,我们新型的电力系统现在主要面临的就是低惯量、低阻尼和弱电压支撑这些问题,导致电压和频率问题凸显。具体到大规模风电接入对系统的频率电压的调节能力的影响有哪些呢?我们总结风电场对频率的影响可能有4点。

一个是我们风电场的输出功率,它受制于风能的随机性和波动性的影响;第二个就是我们风电机组它是通过电力电子变流器来并网的,所以它实现了有功和频率的一个结果控制。不像我们传统的同步机,它是频率和有功是成一个下垂曲线的,所以风电机组是难以向电网提供相应一个转动惯量;第三就是我们风电它采用的是电流源的一个控制策略并网,所以它向电网注入的是固定的有功功率和无功功率,是不会主动去参与电网的频率调节;第四个就是我们风电典型的一个反调风特性,它可能夜里2:00~4:00左右,尤其是西北的陆上风,就是夜间处理的峰值与我们的负荷是完全相反的。所以会造成电网的灵活调节资源不足,就进一步破坏了我们电力系统的频率的稳定,这些是对频率的影响。

电压在我们大规模风电并网后,系统潮流发生一些变化。具体体现在我们各个节点,等同于有功输出为正,无功输出为负的负荷。所以我们风电场向系统输送有功的同时,我们也大量消耗着系统的无功。但是我们的有功它又受风力的影响会波动,所以我们对系统无功的这个需求也会波动,这个就造成了大规模风电并网的这种区域附近,它的电压波动是异常频繁的,所以就是我们风电并网,其实它的电压是更难控的。尤其是像一些海上风电,它都是网架结构非常复杂,就涉及到像5级联调等等。

我们这次的主题主要是频率,所以我们接下来还是主要讲对频率的影响和我们的相关调节的技术。我们总结了一下风电并网对系统频率稳定的主要影响的因素有以下6点:

一个就是我们系统的开机方式。我们系统的开机方式,它会决定我们系统的惯性和旋转备用的容量。惯性和旋转备用容量越大,那么风电场如果受电网频率的故障影响,我们退出运行的时候,我们补偿系统的有功缺额的速度就会越快,所以对电力系统的频率的冲击就会越小;

第二个就是我们电力系统的一次调频的作用;第三个就是我们故障元件,故障的元件,它离我们的风电场并网的节点越近,它的故障造成的我们风电场的低电压保护动作,而退出运行的可能性就会越大。而且它的电压跌落就会越严重,所以也会影响频率的下降;第四个就是一个故障的严重程度。如果我们风电场在的电网它的故障严重级别越高,引起风电场跳机的现象就会越严重,所以对系统频率的影响也会越大;第五个就是我们风电功率的波动。如果风电场所在的区域它的风资源非常不稳定,那么它的有功波动就会非常大,非常难控制。所以如果这个频率调节性能不好,它对系统频率的影响也会非常大;最后就是我们风电机组的一个动态性能,就是我们俗称的低电压穿越能力。低电压穿越能力越强,那么电网故障的时候,我们风机跳闸的可能性就越低,那对系统频率的影响就会越小,反之就会影响就越大,这些是我们风电并网对系统频率的一些影响因素。

所以既然有这么多的影响,那么该怎么去调节呢?就是电力系统它对这个系统频率的稳定调节是有一些辅助服务的。具体的它针对不同的时间尺度就分为一次调频、二次调频和三次调频。就如我们 PPT右上的图,大家可以看到这三次调频它对于电力系统来说是形成了一个完整的闭环控制,是从不同的时间尺度上来的。

针对于风电并网,我们这个时间尺度该怎么划分呢?我总结了如左上的这么一个图,可以看到我们0~10秒之间,这是一个我们叫惯量响应的环节。10秒到30秒之间是我们的一个一次调频环节,30秒以后到分钟级是我们的二次调频环节。也是我们风电厂大家俗称的叫AGC就是自动发电控制子站,是这么一个数据服务的功能。刚刚讲完这些功能,那么具体怎么调呢?我们接下来分享一下风电场的一些调频的技术。

首先是一次调频和惯量响应的一个原理。我们风电场参与系统的调频它的有功来源大概可以分为两个部分,一个是我们风机的叶片它所存储的一个旋转动能。就虽然我们风机它是通过电力电子变速器来进入电网的,但实际上它还是有原动机的部分的,就是我们的叶片它还是能存储一定的旋转动能的。第二个就是我们风电主动减载的一个功率的备用。

所以这两部分我们将频率相关的一个控制环节引入到我们风电机组的有功控制,我们就得到了这么一个公式。我们公式等号的左边德尔塔P就是我们为了调节频率而所要调节的有功,式子右半部分的第一部分就是我们的一个叫虚拟惯量的响应环节,就是我们前面所说的惯量响应的环节。它是为了使风电风机具有和同步发电机相似的一个惯量效应,在风机的有功控制的部分,我们引入的是一个频率变化率相关的一个有供参考的信号,也就是DF比例T。

虚拟惯量控制它主要是用于抑制系统中由于负荷扰动引起的频率的一个快速的变化。在频率变化的时候,我们转子也就我们三叶中蕴含的旋转动能,它与电磁功率相互转换,来进行系统的调频,维持频率的稳定。在转速变化后,我们转子的动能它就失去了一个调节能力,所以这个时间不会撑得很长,一般就不超过6秒。

式子的第二部分是我们叫一次调频环节,也就是我们通常所说的下垂控制环节。下垂控制的原理,它是为了模拟同步发电机的一个一次调频的公平特性曲线,所以我们引入的是一个频率偏差的信号,就是德尔塔f。当这个频率变化的时候,我们是能够在频率的最低点进行一个非常强的支撑,所以它的支撑的速度是没有虚拟关联环节快的,但是时间会更久一点,这个是一次调频惯量响应大概的一个原理。

这个是我们当前的国标对应我们一次风电场一次调频性能的一些要求。它功能的要求就是当风电场有功高于20%的额定有功功率的时候,依次调频控制应能实现风电场的一个有功的连续平滑调节。它的响应之后时间也就是从频率变化到我们的有功功率,明显的朝着我们需要调节方向去变化,所花的时间叫响应之后时间应该不大于两秒。响应时间也就是我调节到我需调量的90%所花的时间是要不超过9秒,我们的调节时间也就是从频率变化到我的有功调节,到我所需要调节的这个值的精度范围内,就1%的额定有功功率的精度范围内所花的时间,并且没有在波动出去所花的时间是要不大于15秒。我们的精度是正负1%的额定装机容量,就这个图可能有点错,这个图是一个老的,他写的是2%,实际现在是1%。我们的频率采集的采样周期要不大于100毫秒,频率分辨率要不大于0.003赫兹,同时控制周期要不大于一秒。

我们要能够躲过就是单一短路故障引起的损失的频率突变,也就是当电力系统发生大于短路故障的时候,我们的一次调频要退出,不应该动作。其次就是系统的一次调频应该与风电场的AGC功能来相互的去协调控制,因为他们控制的都是有功功率。但至于怎么去协调,国标就没有做要求了,每个省份它根据自己的情况会有一些要求。例如说是正向叠加、反向闭锁,还是正反向都闭锁,还是正反向都叠加,每个省份会有区别,这个是国标对一次调频的一个要求。

但是现在是没有国标对惯量响应功能的功能和性能去作出要求的,只有一个国标它是提了一句有惯量响应功能的风电场,它的惯量响应功能也应该是与一次调频功能去协调配合的,只有这么一句话。至于怎么去协调配合,现在有一些省份,像安徽、山东,还有云南等等省份,现在风电场都是在做惯量响应的功能。所以每个省份它怎么配合的,他们会有自己一些实验性质的要求,因为现在都是在尝试看到底怎么控好。

就为什么咱们惯量响应是没有要求的,因为惯量响应我们前面说了,它的原理还是我们的风机的扇叶所储存的一个旋转动能去做的响应,所以这个功能一般都是在我们风机的主控系统里面实现的。而我们的一次调频它主要是全场的一个从一次调频系统去实现的,所以它是两个系统。两个系统之间不同的时间尺度,它是怎么配合,就是很有难度的。这个跟我们光伏是完全不一样的,光伏它是光大效应,它是完全没有转子,也就是没有原动机。所以我们的光伏它的惯量响应和一次调频都是由快速平均响应系统整体去实现的,所以这个实现起来配合起来难度就比较低。

这个就是为什么我们当前没有国标对惯量的一个要求,这个是我们当前的一个国标,也就是风电场功率控制系统调度功能技术要求,这个国标对我们AGC的一个性能的要求,主要是一个控制精度是要小于2%的一个额定装机容量,这个是比一次调频的要求低的,一次调频的要求是1%。第二个就是我们的响应速率是要每20秒能够调节20%的一个额定装机,要达到这个速率。这个也是远远低于现在部分省份要求的惯量响应的一个速率,惯量响应有些省份要求大概是一秒能够调节10%的一个额定装机容量,就非常难达到。

所以大家也看到了我们现在的一些国标对于调频的性能要求是非常高的,我们常规的风电场它在参与调频和调压的时候是很困难的,很难达到一些技术要求,这个也是咱们部分风机厂家很头疼的一件事情。所以一般推荐采用的就是风储联合的一个控制方式,因为我们储能电站它通过PCS来调节,它是一个四象限运行的,所以它的调节速率和调节精度都是要优于风电的。并且就是风电它受风资源的波动的影响,有时候负荷可能可以下调,但是难以上调,但是有了频率,就是有了这个储能参与调节就解决了这个问题。

同时我们这个储能参与调压,它也是能够实现一个动态无功的置换。就是我们能把SVG这种用于储备,就电网应用于应对电网的一些展开事件,这些设备它的无功给置换出去,让它能够在电网能发生事件的时候,我们的SVG这些功能这些装置它是具备一个无功调节能力的。整体的风储联合的控制,它也能提升整个场站的一个经济效益,因为它会降低我们由于调频和调压带来的一些考核。

然后我再介绍一下我们国内能日新的一个场站的功率控制系统,就简单的介绍一下。我们的功率控制系统主要是接收电网调度的中心的一些有功电压指令,然后我们主要是来传给风机的能管系统,就是我们的风机EMS,由他们来控制有功和无功。当这个频率和电压越线的时候,我们也会主动的去调节有功无功来响应电网的频率和电压的变化。整个的控制系统它采用的是一个主动预防性的一个控制,就是我们会结合当前的一些理论功率,以及我未来的一些电压和电压的一些变化等等,我们来预防性的进行有功和无功的这么一个控制,并且我们结合了一些人工智能的算法。所以在控制策略上,包括线损的一些工具上就是更精准。

场站功率控制系统它一般都是采用一个集中主屏的方式,一般具备的就是我们列的这些功能,它一般都是灵活可拓展的。像国能日新的功率控制系统,它是最多能支持100个风机能管平台的同时的介入和控制。同时我们采用的是工业级的控制器,它是具有IP65的防护等级,而且我们的电磁兼容一般都是要过4级的,系统的可用率是要能达到99.9%以上,这个是我们控制系统的。就是我们是在电力安全一区,所以我们采用的都是CS的架构。我们的这个界面它是可以灵活拓普的,可以各种拖拽,并且能实现一键去切换风格,像当前看见的是一个蓝色系,我们还有深色系、浅色系等等,就是非常人性化的。

这个是我们风电场的调频系统的大概的一个托普图,我们的控制对象主要就是风机的能管系统,也可能是直控风机,也可能是直控我们单台风机。再一个我们控制 PCS系统,就是有自备储能电站的这种风电场,我们也是要控制储能的。还有SVG,这个是用于调压的。同时我们通过远动系统和PMU装置和远动装置来实现跟调度系统和scholar系统的一个数据交互,它是能实现一些远程的主动一些,叫主动控制。

那我们来如何解决系统的稳定性的问题,我们采用的是一个基于硬件冗余和内存同步的一个容错系统。所以我们的内存数据和硬盘数据它是能完全同步的,不像我们现在主流的一些冗余软件,它实际上只是硬盘数据同步。所以就是当一个机器上运行的设备,运行的一些功能出现问题的时候,它是整个切换到另一台机器上是重新去运行,但是我们的这个采用的是内存数据也完全同步。所以我们从客户的视觉它其实是只有一台服务器的,完全是一个无感的切换。并且很多部分的服务它是一直两边都在跑着的,就不需要一个时间差。

这种方式它是可以应用于我们的一个首先是双机热备要求的一个高可用的容错,其次它在接入调度数据网的一个双平面和双主,就调度它一般分为双主双平面,这个也是调度数据网为了信息安全做的一个保障。我们这种架构它是可以支持介入这种调度数据网的双主双平面的,就是调度他想用哪根通道跟我们连,他就可以自己去选择,我们是都支持的。

同时我们的场站就风电场的它的控制系统是部署在电力的安全一区,就是我们的生产控制大区。生产控制大区对于二次安防的要求和信息安全的要求是非常高的,我们也满足二次安防所有的一个要求,并且我们提供的是全面化的全面的自主可控的软硬件的国产化解决方案,就整个软件和硬件全部都是支持,都有一主两备的国产化的一个解决方案。

再简单介绍一下我们公司,我们是成立于2008年,然后2022年4月份是在创业板上市。我们服务的新能源的市场规模达到了260g瓦以上,同时也在一带一路的就是国外布局,在很多国家做了非常多的项目,大概服务达到了3.67瓦以上的海外的风电场和光伏电站等新能源电站。

我们公司的业务大概是可以总结为源网荷储4个层面的。首先在电源侧,我们有功率预测系统、并网控制系统、电力交易、气象预警和智慧运维等等。就我们功率预测系统它市场占有率是非常高的,现在很多场站的PK都是第一名。并且这个功率预测系统它也是可以提供全省资源的一个预警,全省气象预警,还有像风机浮冰等等的这种预警,也是可以给我们这些风机厂家的安全控制带来一些好处的。

然后网测我们主要是提供省地调的一个功率预测系统,还有分布式的群控群调系统,分布式的承载力评估,还有新能源消纳管理等等。在负荷侧我们有微电网和虚拟电厂等业务,在储能侧我们提供一个风光储一体化的控制。我的分享完了,感谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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