中国海装刘一星：风电机组电网友好型关键技术研究及应用

　　2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。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，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 　　在15日上午召开CTO分论坛上，中国船舶集团海装风电股份有限公司电网接入高级专家刘一星发表《风电机组电网友好型关键技术研究及应用》的演讲，以下为发言实录： 　　 　　刘一星：各位专家、各位同行大家上午好，我的演讲题目叫风电机组电网友好型关键技术研究及应用。首先介绍一下我们的总公司，用三个关键词概括就是实力突出，技术一流，目标一致。我们总公司连续7年进入世界五百强，是世界第一，目前有七个国家级研发中心，九个国家级重点实验室，包括12名工程院院士和4万多名科研技术人员，技术方面对为突出代表中国水平是辽宁号的航空母舰，可以代表我国工程技术最高水平，而且科技创新工程获2013年度科技进步一等奖，我们集团公司的理念是发展风电符合中船重工战略专长和发展方向，力赶国际水平。 　　 　　我们海装公司是中船重工五家一类企业之一，资产总量120亿元，主要从事风电整机装备研制等，有国家海上风力发电工程技术研究中心平台，我们追求的是南北布局、海陆并举，国内国外市场并进，涵盖850千瓦一直到10兆瓦。 　　 　　下面重点介绍海装公司2019年启动的世界首个柔性直流电网装备换流站——张北柔性直流电网试验示范工程。张北柔直工程是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，工程核心技术和关键设备均为国际首创，将创造12项世界第一。这个项目是个多能互补项目总装机容量为150MW，采用15台H146-3.2MW机组和30台H146-3.4MW机组。预计每年将有4.4亿度清洁电能随网进入北京，同时助力2022年北京冬奥会场馆100%绿色能源供应。 　　 　　这张图主要介绍的是风电机组的半实RT-LAB仿真模型，首先也是对半输入仿真模型，计算它的10到250赫兹的阻抗，这个图上没有优化之前750赫兹相位是有突变的，从感性直接变化到溶性，幅值比较偏高，就是优化内阻这样的算法，使得750赫兹谐振点的幅值减小，同时对第二个谐振点1300赫兹附近相位也得到了一个变化，这样增强了系统的稳定性。 　　 　　这张图说明的是什么呢？就是为了获得风机并网以后的阻抗特性，风电机组在实际运行的工况其实是非常多变的，如果仅仅通过特定工况的阻抗特性，实际上并不能够分析风电机组次振荡的特性，因此对风电机组进行多个工况的阻抗扫频，张北互补项目是150兆瓦，风电场接入是35千伏的线路，总共连接是45台风机，35千伏的线路长度是0.5公里到16.1公里的范围内，我们在风电场仿真当中考虑到了一个仿真的要求，考虑到了仿真资源的分配，把整个风电场仿真放入到子模型当中。 　　 　　下面这两页主要讨论的是风电场的建模，我们怎么来建立一个精度比较高的风电场的模型，还要考虑计算算力，在等值当中要考虑算法，考虑场站里边的线路的参数，为了检验风机机组等值模型的精度，选取了两条各两台风电机组进行比对分析，分别进行扫频，就得到了4台风场聚合的曲线，同时为了验证聚合曲线是不是准的，我们怎么做呢？在4台风机阻抗汇集的地方，通过阻抗扫频方式也得到了这个曲线，图上这两个曲线是基本一致，从4台风机聚合当中证明这个方法是有效的，4台风机是有效，让扫频的曲线和聚合曲线再次进行了比对分析，从右边这个图两条曲线的趋势基本一致，这个就更进一步说明了风电场仿真聚合方法有效性，最主要目的可以大量节约仿真资源，同时提高仿真率。 　　 　　通过上述一系列仿真，海装公司取得了整个风电行业接入张北柔直电网第一个许可证，是国网公司颁发张北工程换流报告，建立了风电场进入柔直振荡模型，找到了稳定不够的中高频段，设计出软件总结控制器，用控制算法起到降本增效的作用，同时更能抑制柔直系统电网宽频谐振，总之这个项目创造三个首次，第一个首次就是数字PSCAD软件和半实物RTDS混合仿真研究。第二个首次就是在行业内首次用数字PSCAD软件研究宽频振荡稳定性分析，多个仿真计算，所有仿真结果包括大功率、小功率，电压电力升高等所有工况都进行了详细的仿真，证明这个仿真结果和实测结果的比对是符合这个误差范围，风电机组模型精度是高的，同时也获得了国网公司颁发的机电展台建模和验证的报告。第三个首次是首次采用行业内国网公司现在推的国产ADPSS软件仿真，首次分析了中国海装造的3.X张北柔直系统高低电压穿越及扰动特性分析。 　　 　　接下来介绍一个海装规模化集群若电网关键技术研究，这一部分内容将会以一个案例的方式来阐述，我们公司在弱电网介入自适应方面从三个方面来着手，首先原因分析，策略优化，效果验证，一般风电机组短路比1.5或者更低电网时，它会发生振荡，一般情况海装公司会通过优化变流器策略和参数达到预期效果，其中有一个事件就是钟一海装新疆哈密风电项目在去年的时候，据当时的反馈，振荡附近其余的风机可能会出现故障或者脱瓦，只有海装公司的风机正常运行。 　　 　　具体的分析方法和解决的措施，措施一采用序阻抗分析方法，仍然用仿真的平台，通过阻抗扫描的方式获取特性，依据比较经典奈奎斯特，我们认为就是容易发生振荡的频率点，进而针对性制定规划，控制参数和策略方式，谈到增大系统阻尼，抑制振荡的效果，左边这个图是序阻抗相簿，第一个完整仿真模型，对仿真模型分别注入正序和负序扰动信号，分别计算出对象的正负序的阻抗，右边是风机变流器的图，针对刚刚第一步发生易诊断频率段，通过修改变流器参数，针对本案例主要加快电流的调节速度，从左边仿真图可以看出来电流控制器将改变阻抗曲线的形状，一簇仿真曲线可以发现这样一个规律，增大KP将会在电流控制器带宽范围内可以修正曲线，右边这个图是变流器的控制框图，其中优化整改的部分是标蓝色的这些东西，通过上述这个法则分析，最终修改变流器的关键参数，进一步验证实施对策是否有效，我们进行了一个比对，右边这个图就是风电场在阻抗平台的扫描结果，在没有优化之前它其实是在65赫兹左右，会呈现一个容性特性和电网感性特性，可能会发生振荡的提示，优化控制参数策略以后，阻抗曲线可以看到是满足低短路比的稳定运行，进一步对机组做了优化以后，看一下奈奎斯特稳定左边这个图，可以看到存在CD两个交点，C在45度左右，满足运行条件，D交点在65度左右，能够实现稳定运行。 　　 　　上面理论分析全部基于仿真来做的。现场的情况我们也做了进一步的总结，通过这个图可以看到在整改之前风机出口的电流谐波进行了分析，36赫兹、63赫兹谐波含量是比较高，经过整改以后，这个是全场有功功率在55到60万千瓦，几乎达到了风电场满发的情况。 　　 　　最后简单介绍一下风电机组高低参仿真情况，最主要提的是零电压穿越，海装是具备这样的零电压穿越功能，左边是我们的测试图，从这个图当中可以看到，满发功率的时候三项对称，35千伏侧实际仿真测试波形，可以看到测试结果是满足德国的标准。我们在做风电场一样要建立风电场的模型，这个是仿真的结果，在风电场短路比10和2.5两种情况下进行了仿真，两项对称和两项不对称，这种情况下进行了0.2到1.3PU，所有的仿真测试结果是符合国标要求的。 　　 　　以上是我的所有演讲，谢谢大家。