洪敏:新一代电网友好型风电机组能主动支撑分散式

能见App 2019年10月28日 212

2019年10月21-24日,2019北京国际风能大会暨展览会(CWP2019)在北京隆重召开,大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展:绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来,已连续举办11届,成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月23日下午,CWP2019分散式发展论坛(II)在新国展召开。浙江运达风电股份有限公司主任工程师洪敏出席论坛并做主旨演讲。

浙江运达风电股份有限公司主任工程师洪敏

洪敏:各位嘉宾,和同仁大家下午好,非常容幸能够代表我们浙江运达风电股份有限公司,来介绍我们公司新一代电网友好型风电机组的主动支撑技术。

这个主动支撑技术,它主要是针对联网友好型,因此它不光适用于并网型的、集中型的风机,特别是适用于高风电渗透比例的弱电网,也同样适用于分布式发电的场所。

目前风机的机组的频率运行范围通常是在48到51赫兹之间,风电是通过AGC系统参与系统的二次调频,一般是不具备惯量和一次调频的能力,但是随着大规模风电接入电力系统使得系统有效转动惯量不断减小,系统频率稳定难度加大。

以前的电力系统,可能是火电技术占到百分之百,或者是火电技术容量是小于70%,新能源的装机大于30%,是未来的趋势,在这种情况下,如果我们大型的风电机组转速,如果它的有功输出跟电网频率没有关系,或者它的无功输出跟电压稳定没有关系的话,其实是不利于整个系统的稳定运行的。那么我们其实可以通过机组的改造,使得风电机组它具备跟同步发电机组一样的惯量响应,一次调频和无功调压的功能。

接下来我就对主动支撑技术做一个详细介绍,主动支撑技术主要包括三个方面,首先是惯量调频、一次调频和无功调压。

首先介绍的是虚拟惯量调频,2017年风力发电机组电网的适应性测试规程的报批稿里就规定了,惯量响应的指标,要求公式就是有功功率的偏移是df/dt呈一个负比例的一个系数,那么这个有功功率的响应时间是不大于500毫秒,最大可用的这种有功调节量是不宜小于10%的额定功率的。

并且在功率恢复过程中,风电机组的输出与平抑变化前的功率之差不能大于5%的额定功率。

第三个,功率控制误差不能超过正负2%的额定有功,那么这个梯阶就是风机因为具有这种惯量调频所具备的虚拟的惯量时间系数,TG推荐值一般是4到8秒钟。

这里面肯定会产生一些技术难点,第一个难点就是这个响应时间,因为我们从检测频率变化,一直到我们响应,这个肯定是有一个很多环节的,惯量调频我们目前针对的是单机,所以它主要包括哪几个时间,第一个是频率检测时间,大概是200到300毫秒,这个已经是非常快的速度,第二个是通讯时间是40到160毫秒,第三个是主控的响应时间是10到20毫秒,第四个是变流器相应时间大概是60毫秒。

第二个是频率变化前后的二次偏差,主要会是有一个二次跌落的问题,因为我们是利用了转子动能,去超发有功来支撑电网频率的稳定,根据能量守恒规律,前面超发了,后面必然带来后面的少发,否则我的转速必然不稳定,所以会有一个跌落。

第三个难点,我们要对风机机械载荷做一个定向分析,因为惯量响应会使得我的风机有功功率不再是遵循MPB曲线运行,因为电网的频率往往是波动的,尤其电网越弱,这个波动会越频繁越大,会导致惯量调频会不停地响应,有可能会导致我风机的载荷,会超过不具备调频能力的时候,所以我们要对这个载荷进行详细的搅合,看是否会超过我安全稳定预量。

这个图是虚拟惯量调频的整体技术方案,主要是由风机变流器通过高频的频率检测板,将电网频率输送给我们的主控,然后主控来计算频率的变化率,通过一个死区,然后乘以一个比例系数,得到我们所需要调节的偏差,再叠加到我们的MPB曲线得到一个有功功率参考值,再通过一个斜率的限制,把这个功率指令发送给风机变流器,主要会涉及到软件改造和硬件改造,软件改造包括主控方面的改造,就是我们需要增加惯量响应,控制算法,以及载荷优化的算法。

第二个是变流器方面我们要优化平缓的算法,提高频率的检测速度和精度。

第三个改变主控和变流器的通讯协议,要增加电网频率的通讯量。

硬件方面的改造主要是增加高频率的采样板,它的采样和计算周期都要达到20KHZ。

里面一共会有四个关键技术,第一个关键技术,就是基于转速约束条件的惯量响应能力分析,首先分析动能变化量,来计算这个惯量支撑的一个时间,只有当叶轮吸收的气动功率,大于输出电功率和损耗功率之和的时候,我们转速才能恢复到上限,那我们对2.0兆瓦机组模型为例,分析了不同的发电机转速和当前功率下我们储存的能量,由此得到一个10%额定功率释放的时间,分别是3.3秒,9.6秒,29.56秒,和60.37秒,可以看出来这个转速越高,我们能够支撑的时间肯定是越长

假设这个机组释放惯量结束之后的最低转速是1050转/分的话,那么20%的额定功率释放的功能,对应的转速,其实最低转速只有1190转/分。

第二个关键技术,就是风电机组惯量响应的控制程序,它的控制策略刚刚已经介绍过了,右图是风电机组惯量响应的控制拓扑图,我们首先要保证这个转速控制,要使它的控制更加的平滑、准确。

第二个就是转矩控制的响应要更为迅速,这样才能达到一个响应时间小于500毫秒,以及控制误差小于2%的技术指标。

第三个关键技术点,就是风机的“软退出”控制策略,我们是通过梯形函数f(T),使转速恢复的最初阶段,风电机组有功出力不至于降得太低;可以更好地避免转速恢复过程对系统频率造成的不利影响。

我们可以看到右下角是我们做的一个测试,采用“软退出”策略之后,转速的恢复,有功功率的跌落是明显的要改善的,红色是改善后的一个结果。

第四个关键技术,就是频率及其变化的迅速检测,主要难点是快速检测和检测精度,实际上是相互冲突的,因为我们频率检测点是放在690伏,电压比较低,短路阻抗会比较大,这样导致电压信号的杂波比较大,所以在频率检测的时候,需要的滤波也会更大,这样会造成检测时间会加长。

另外一个,额外的相角的这种扰动,也会造成我的频率变化造成误差。第一是改进的方法是增加频率采样板的速率,达到20赫兹,第二是优化锁频环算法,采用电压基波分量提取,计算频率前馈,PI参数调节,并且优化低通滤波器的参数。

第三个是谐波抑制,要对滤波电路进行优化,优化的结果通过三角波的频率线进行一个测试,考核的标准主要是频率的检测精度,测试结果可以达到0.002赫兹,变化率的精度可以达到0.0025赫兹。

这是我们惯量响应单机df/dt测试结果,大家可以看出在频率跌落的一瞬间,这一段时间有功功率是增加的,在频率上升的时间,有功功率是减少。

我介绍的第二个技术就是一次调频技术,一次调频的要求如左图所示,这是风电场,是整场行为,参与电网一次调频下垂曲线,规定了风电场有功功率调整的限值,不能小于10%的额定有功,调节死区是0.1赫兹,功率控制误差不能大于正负2%pn,有功功率响应时间不大于5秒。

右图是对风电场一次调频频率阶跃扰动过程调节示意图,它规定了几个指标,第一个指标就是响应之后的这个时间,就是自频率跃过死区开始,到出力可靠的调频方向变化的时间,是不能超过2秒钟。

第二个就是响应时间,超出调频死区开始,至有功功率所需调节量的90%的时间不能超过12秒。

第三个是调节时间TS,自超出频率死区开始,直到完成调频的最短时间是不能超过15秒。

接下来介绍一次调频的整体技术方案,这个方案如左图所示,它是通过风电场采集数据到系统,将有功功率和无功功率传送到能管平台,能管平台计算出所需要调节的有功功率,并且通过专家PID的计算,将整场的功率分配给每台风机,然后下发给每台风机。同时它也要接受电网调度系统的一个指令。

我们改造方案也是分为硬件改造方案和软件改造方案,在硬件方面首先我们要增加一个高精度的电气量的检测柜,这个频率的检测精度是不能低于0.005赫兹,检测时间是小于100毫秒,不能大于100毫秒,并且增加了一个基于PLC调频控制系统,替换了原有能量场管理平台。

软件改造方案包括风功率协调控制系统的软件改造,首先是增加了一次调频的算法,第二个也是增加了基于专家PID功率有功功率分配优化算法,然后就是风电机组的主控系统软件的改造,主要是优化了功率响应的速度。

一次调频里包含的关键技术,主要是基于PHC的能量管理平台,程序控制周期短,系统与单机的通讯采用实时以太网通讯技术,具有快速、稳定的特点,同时具备Modbus Tcp/IP、倍福控制器的Ads通讯的能力。

第二个关键技术就是基于专家PID的功率分配优化算法,我们系统采用的使用的专家PID,对控制对象的一个针对性的理解,及专家经验纳入到整个控制的过程中。

接下来是我们风电场一次调频现场的整场测试结果,左图是我们采用了新的PLC能管平台优化主控算法配合后的整场功率响应,左图红色的线是频率的变化曲线,然后蓝色的线是我们有功功率变化曲线,红色的线应该是我们有功功率指令,根据频率变化设置的功率指令,大家可以看出整场指令上调,并且稳定在设置值附近的响应时间约2秒钟,那么右图是原有的PLC能管平台与原有风机主控算法配合整场功率响应时间,并且叠加了AGC信号,可以看出来整场的功率下调,并且稳定在设置值附近的响应时间约为7秒钟,我们提高了整整5秒。

最后,我们是对虚拟惯量和一次调频的载荷进行了一个详细的校验,结果就是采用了惯量调频了一次调频之后,我们载荷是有所增加的,但是根据我们对整机强度进行校核,其中包括结构件、外购件都进行了一个校核,外购件包括叶片、变桨偏航系统、轴承、齿轮箱、结构件,包括轮毂、主轴,前后机架、塔架,以及连接螺栓,最后的结果就是叶片、齿轮箱、塔架,它们的强度都是满足我们设计安全要求的。

还有就是变桨偏航系统的驱动强度,也是满足要求,结构件里面的轮毂主轴等结构,也是满足要求,然后轴承方面,主轴承的安全系数是大于3,变桨轴承安全系数是1.4,偏航轴承安全系数是1.2。

结论就是经过了惯量和一次调频功能改造后的机组,载荷是有所增加,但是整机强度是满足设计要求的。

最后一个技术点,就是无功调压,左图是风电场无功调压的测试曲线要求,主要也是在小功率和大功率下进行测试,主要测试三种模式都必须具备,第一个是恒定功率因数控制,响应时间是小于等于10秒,控制偏差不能超过正负0.01。

第二个就是恒无功控制模式,就是并网点的无功功率响应时间是小于等于2秒,那无功功率调节的控制误差,不应超过正负2%的额定有功。

第三种就是电压下垂模式,并网点无功功率的响应时间是小于或者等于2秒,并且无功功率调节控制误差,不应该超过正负2%的额定有功。

左边是我们整个的无功调压的整体方案,也是系统把PQ传送给我们的能管平台,然后频率检测柜,同时把这个高精度的采样的电压也传送给能管平台,然后风功率的调功控制系统,则根据连的偏置,来计算这个无功功率的调节值,或者是直接转发电网的调度无功指令,并且分配给全场风机和无功补偿装置,这个要取决于当时的运行的情况。

硬件改造方案是:

1、与一次调频功能共用高精度电气量检测柜(快速精确检测风电场并网点电压)。

2、基于PLC的风功率协调控制系统。它包括了无功调压,并且替换原来的能管平台。

3、风机变流器优化升级。主要是快速响应主控的无功功率指令。

软件改造主要是包括:

1、根据无功调压模式,来设置无功调整量的一个算法;

2、基于专家PID的快速无功功率的算法,就是要根据每台风机的有功输出情况、风速情况,来分配无功功率指令。

结论就是通过改造,风机的关联响应和一次调频是具备可行性的,而且是可以满足现有的标准,并且改造以后对风机载荷有一定影响,但是都是在风机的安全设计范围之内。未来的展望,我们现在有惯量调频和一次调频,但是怎么样让它在系统运行,主要还要考虑到惯量调频和一次调频相互协调,就是惯量调频和一次调频所需要的功率变换量如何进行优化分配,统筹协调,在时间上如何进行分配,惯量调频应该是响应系统频率的快速变化,所以它的响应是毫秒级,一次调频是响应频率一定的变化量,所以这个时候响应应该是在秒级的,所以我的理解应该是系统先启动惯量调频,然后再是一次调频。

根据电网的实际情况,并且要对惯量调频的惯性系数梯阶,以及一次调频的有功下垂系数,要进行一个优化,要适应实际的电网,才能保证风机具备这两种功能之后,还能稳定地运行,并且加强系统的稳定性,我的介绍完毕,非常感谢。