金风科技股份有限公司研发中心副总经理杨志千:金风风电构网技术探索与实践

能见App 2023年10月20日 5642

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17日下午召开的“碳视角下的新型电力系统”主题论坛上,金风科技股份有限公司研发中心副总经理杨志千发表了题为《金风风电构网技术探索与实践》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家下午好,前面几位专家都是非常宏观和非常系统地给我们做了分享,我的报告和分享会比较局部,主要是向各位同仁介绍一下金风科技在构网技术方面所做的一些探索和实践。

我整个报告分为四个部分,第一个介绍一下构网技术,包括我们在能源新时代下电网的需求。第二个对我们所做的构网型风电机组、技术和产品做一个介绍,第三个基于构网型技术面向电网的整体解决方案,最后是一些实践和应用的情况。

首先看一下发展背景,这一页是世界各国对于风光新能源出力占比的情况,2022年我国的风光发电占比电量占比大概是14%,其实对于“双碳”目标提出,预计到2060年发电量占比肯定要超过50%的,就是在电量上面会有一个比较大的提升。第二个在2022年已经有局部地区整个渗透率达到200以上甚至300%,在电量上面已经存在瞬时和局部70%,预期2060年可能会接近100%电量占比成为常态。

以风光为主的新能源发展,会给电网包括发电企业带来哪些挑战,新能源高占比的电网挑战有哪些?我们只是做了一些局部的总结,它并不全面,主要有以下几个方面,第一是电网的短路容量会有一个明显的降低,对应的就是短路比低于1.5的区域会逐年增加,这种故障的影响范围也会越来越大,系统稳定性风险会加大,这边可以看到部分发达国家地区电网强度的变化一直都是呈现持续下降的趋势。第二是新能源高占比电力电子化,它带来的宽频振荡存在风险,我们在原来的电压稳定、频率稳定、功角问题基础上还要考虑振荡稳定,还有基于电力电子变流器控制的一些稳定分析,这个系统风险会更加复杂。第三个就是对于电网总体惯量,由于风光新能源具有一定的波动性,它就会存在着短时惯量的降低或者变化的情况,就更需要一个有效的支撑。

针对这些问题,从电网的角度、发电业主的角度、设备厂家,全行业都在共同寻找应对的方法和方案。从要求上来看,整个风电并网要求以及规范是越来越严格的,高比例多场景下面它的需求主要来源三个方面,第一个就是基于传统的新能源并网的标准,第二并没有包含在并网的标准中,但是来自一些专业的要求,比如说对于振荡的阻尼控制要求。还有一种来源是来基于电网的发展趋势提出新的要求,比如说柔性电网、高渗透电力系统、源网荷储的综合电力系统、分布式电力系统,要求规范也会越来越多。

怎么去应对或者说满足这些需求,我们在电源侧提出了构网型风机技术的解决方案或者路径之一。构网技术基本的理念是模拟同步发电机的运行原理,对新能源机组有功偏差经过转子运动方程映射的方式来形成类似于同步机的相角,电压频差经过励磁等效形成幅值,自主建立内电势,呈现一种电压源外特性。特性方面首先表现出惯量属性,能够降低频率的变化率和幅度。第二是电压支撑,可以表现出对扰动的物理反应,能够降低电压变化率和波动,第三故障支撑,整个抗扰性得到支撑,可以帮助系统的稳定。最后是阻尼可调,基于控制的阻尼参数,能够在一定程度上帮助降低或者化解宽频振荡的风险。

金风科技是在2019年风能展期间发布了构网1.0产品,在今天又发布了2.0的产品。2.0产品主要有什么特征?第一个就是强支撑,能够对刚刚提到的电压、频率、故障和阻尼提供相应的定量的支撑。第二个增收益,增收益是个相对的概念,它主要是要通过系统集成设计和并网定制化以及控制灵活性,以及降低综合电网稳定设备的运维成本,这几个方面去体现收益的增加。具体在技术参数方面,可以实现150%到300%短路电流支撑,还有接近于零延时小于5毫秒的惯量响应,以及从0.5到2.0参数范围内的阻尼可调,由此可以支撑潜在的新能源100%场景的送出,具备黑启动的功能,承担具有主力电源的功能和潜力。

构网是不是它的能力越强越好?构网能力并不是越强越好,也并不是说传统的随网机组一定是有问题的,所谓构网和随网组合一定是结合电网需求、电力系统稳定需求,不同需求电网支撑需求,这里面包括在适应增强电网强度、频率支撑、暂态过电压以及黑启动电力交易,这是不同维度功能的要求。我们对应推出了系列化产品,可以满足沙戈荒大基地场景和分散式的场景以及源网荷储场景,还有深远海送出不同场景需求。

金风在构网型机组测试验证方面主要做了以下工作:第一个是数字仿真验证,半实物精度可以达到1%,并网短路比可以到1.1,在完成了系统的仿真测试后我们进行了单机的测试,单机测试的样机经过超过了700天的单机验证,完成了超过50项的故障穿越测试,同时进行了相应的型式测试和技术评估。最后也进入了场站验证的阶段,有超过500天的场站运行的经验,以及在场站进行了场站系统级别的35千伏短路实验,还有超过30台机组的并联运行实验。

介绍了我们的技术和产品,再介绍一下如何通过技术和产品去组成面向不同需求的整体解决方案,这里以传统的大基地的项目为例,传统的大基地,尤其是前面专家介绍的,随着电网的短路比降低,弱电网特性是非常突出的,为了解决这种弱电网的支撑的需求,传统的解决方案是配备一定的分布式调相机、集中式的储能。采用构网机组后,可以对分布式调相机容量进行调低,同时可以取消部分的集中式储能,部署到风机端形成分布式储能的能力。这个技术有什么特点?第一它通过风储一体,可以形成电量的缓冲,增强频率的支撑能力,第二可以提供高倍短路电流支撑,第三通过储能和风机的联合,可以具备自建电压的能力,具备黑启动的功能。最后通过风机和储能的耦合,减少了整个设备种类,简化了整个风电场或者说装备和设备的控制难度、控制维度复杂度。

我们可以看一个运行效果,这是我们在国际项目做的对比,对比的一个基准就是采用传统随网型的风电机组配合分布式调相机,去满足整场运行稳定的需求,第二绿色的线是改造成构网型的机组之后它的运行特性,可以看到两个方案其实都能够实现相对的稳定,但是在构网型系统方案上面,它的特性会更平滑,支撑能力会更强。目前构网型推广主要的场景就是沙戈荒大基地。

向各位分享一下我们做的具体的实践和应用的工作,第一个基于园区分散式做了构网型单机系统测试验证,超过700天的运行。我们也在江苏开展了全国首个风电场对风机进行分布式配储整场改造和运行的实践。同时我们也是国内首个全构网风电场运行的项目,整个风电场安装了31台2兆瓦的机组,全场进行构网机组的改造和运行,并且也配合了电网部门开展了系列的联网实验、人工短路实验、独立带负荷实验,这些表现来看都能够符合预期,呈现出一个对频率和电压抗扰动的支撑能力。

最后我想说,构网技术、构网型风电机组、构网型储能、构网型SVG,我认为这里面需要结合场景去做综合的组合的应用,也希望各位同仁、各位同行、研究机构,大家一起努力,推动构网技术的成熟发展和规模化应用。谢谢大家!

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