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远景能源张轩:风机大规模并网稳定性问题分析及解决方案

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-22  浏览次数:178  
核心提示:远景能源智能风机解决方案负责人张轩出席会议并发表了题“风机大规模并网稳定性问题分析及解决方案”的主旨演讲。
  12月21日-22日,由中国可再生能源学会风能专业委员会主办的第二届风电设备质量与可靠性论坛在北京裕龙国际酒店隆重召开。
  
  远景能源智能风机解决方案负责人张轩出席会议并发表了题“风机大规模并网稳定性问题分析及解决方案”的主旨演讲。
  
  以下为发言内容:
  
  张轩:各位领导、各位专家、各位朋友大家上午好。今天的主题就是我们的风机,或者新能源行业,尤其是电力电子设备接入容量越来越多的情况下,会对电网造成什么冲击,以及我们的认识还有他的解决方案是什么,所以我这儿主要是针对风电行业,关于我们最近在学术界比较人们的问题,我们是怎么分析的,怎么解决的。
  
  分成三个部分来讲我的专题报告,一个先给大家有一个感性的认识,加入风电,光伏之后危害是什么,第二跟大家讨论一下机理是什么,第三个我们远景能源方案都有哪些。首先我先讲第一部分,大家可以看到,在最开始的时候,还没有到风机,最开始的时候电力系统对次同步振荡有一个定义的,我们都知道,频率就是50赫兹电网的频率,美国60赫兹,引发振荡的时候有50核子、20赫兹。这是当时1970年的时候,美国火电厂发生了问题所以那个时候他们就开始研究,到了21世纪的时候,新能源大规模介入。本来在美国搞的差不多了,结果在21世纪新能源介入之后,又出现了一些问题。
  
  咱们看一下他的几次事故,1970年的时候和新能源没什么关系,在美国有一个电场,产生了次同步振荡问题。搞火电的大家应该知道,里面有很长的轴,轴除了发电机带动的之外,还有高速轴、中速轴、低速轴。除了50赫兹之外会有其他的频率,会产生扭振,轴会产生损害,这就是非常大的事故了,发电机就必须停机了。结果到2009年的时候,这个时候跟风厂有关了。从电路分析来看,振荡导致大规模风机的脱网。接下来我国有两个安全生产事故,一个2012年,一个2015年,我们平时也往现场跑,实际上小的振荡没有引起重视,如果说我们真的研究这行的话,会发现很多时候是振荡引起的。
  
  现在风电的光伏,有了振荡之后,就会产生大规模的脱网,而且还会导致本身原有的发电设备产生故障,最终导致电网的安全事故。这就是一个案例,风电厂原来在这个地方,因为我之前因为咱们都是电力设备的专家,所以我有些东西讲的比较具体,这儿我就比较浅的说一说,大家有什么问题可以问。本来这儿接了风电厂之后,有一个串联器,电感刚好跟电容形成一个电路,正电阻的话抑制就会衰落,如果这个地方,在纯电阻方向如果是负的话,就会有一个振荡。当时产生了这样一个机理,振荡起来了,所有的风机全部脱网。
  
  这是2015年新疆哈密地区,是非常重大的一个事故,当时也有很多国家的各个方面,当时都在做这方面事故的调查和分析。从电力电子角度,或者从风机的角度,这个风厂会产生什么呢,他的负阻抗特性由变频器产生的,产生的频率不光是有次同步振荡的频率,而且同时他和当时几百千米之外的火力发电厂,他们的共振频率是相同的,而且频率这个东西和电压幅度不一样,电压幅度比如我这儿有一个一百千伏的,过了多远之后会衰减。这个就传播了电压,和他们的中速轴产生了共振,产生了共振之后,直接导致了当时电厂全部都停机了,还好他旁边是有一个高压输电,带有了保护系统。刚好带了之后,仅是进行了停机,全部停机,但是对当时的火力发电机组没有什么损害,他这儿有三个频率,其中一个频率是30赫兹,和中速轴是一样的。
  
  接下来,刚才给了大家一些例子,在这儿可以看出来,电网现在有一个新的运行环境,这个环境和以前不一样了。上世纪70年代的时候,根本没有什么新能源发电,那时候大家定义很简单,就是50赫兹以下,他是转轴,火力发电在某些情况下会产生负阻抗,负阻抗和电网进行分析的时候,就会发现总体来说会有一个不稳定。但是如果说我把这个去掉,用很多抑制装置或者算法,现在都已经解决得很好了。
  
  但是到了新能源发电越来越多的时候,我们可以看到,大家还把那个东西叫次同步,实际上内涵已经发生变化了,我们就叫做50赫兹到100赫兹周围的频率范围振荡,如果细的分析,下面可以再讨论。那个时候就和50赫兹没有任何关系了,就是由变频器里面的阻抗和电网的阻抗不匹配,所产生的振荡问题。和他发电机本身是不是50赫兹完全没有关系,可以从5赫兹到100赫兹随意有飘移。
  
  然后我们讲一下次同步振荡问题的机理,刚才已经对他的概念,还有他一些实例有一些认识。接下来我们看机理,我们这儿可以看到,这儿实际上是我们引用清华还有国外教授,包括我当时在美国的时候,一直在做这方面的研究,我们对这个方面的分析,大体的分析已经是比较清晰的,振荡模式有三类,一个电力电子装置之间,会有一个负阻抗的不匹配,当然也不一定真的说是负阻抗,提到负阻抗只能说是一种分析方法所产生的,你在这个分析方法下,你说这个词大家就理解。但是从大的概念上来讲的话,他就是电力电子装置互相干扰所产生的。还有发电机和电网之间,有LC谐振。第三就是发电机的轴心扭振。
  
  我给大家简要的讲一下,现在中国主流的就是双倍风机和持续风机,我们分析的结论,他们的振荡机理分别是什么,这是一个持续风厂,持续风机如果给他建模的时候,可以看到他在建模的过程中,在某些情况下可以实现负阻抗加电容的模式,在这样的情况下,因为传输线本来是有感性的。负阻抗和电网,传输线肯定有负阻抗的,这两个加起来之后然后来LC的滤波电路,这样的电路,如果说风机本身负阻抗和传输线上的电阻之和如果还是负的话,这样就会产生振荡。这个时候就是两个原因,一个和风厂规模有关,规模越大的话,负电阻效应越大,也和他的控制有关。这是一个振荡模式,这个振荡模式下,如果大家做分析的话,是在某一个焦点出就有一个振荡频率。
  
  如果我分析电网和风机,风厂之间振荡匹配的话,你会发现他有好几个点的交叠,他就会产生多个振荡频率。因为他这种振荡频率,如果大家看就会知道,假如说出现20赫兹振荡的话,又把振荡频率进行了翻倍,因为他振荡频率比较多的,某一个振荡频率下,和火力发电机产生共振的话,就会有问题。但是他的振荡是比较单一的,他就是电容器主导的,风机叶轮也好,发电机也好,都是通过变频器进行的。
  
  然后双会风机,一方面他和直驱的产生机理是一样的。虽然他那种情况下机理是一样的,但是他产生的可能性比较小,因为同样的风厂,一个满功率,一个只占了20%的功率。这是刚才我说的和直驱一样,但是可能性比较小。还有一种比较特殊的,双会从定子,电网接到定子之后,定子是感应发电机,中间的转子接了机侧变频器,这个东西是直驱没有的。这样的话就形成了一个新的东西,这个新的东西就是传统的感应电机,再加上转子。这个装置我们分析下来,他会在功率比较低的情况下,会出现这样一个振荡,这个实际上是整条电路,整条电路在某些情况下,也会形成一个负的,形成负的东西之后,整体的电阻会变成负值,变成了负值之后,这样的情况下,后面又有电感,又有电容,这样的情况下,他振荡的模式,马上也会产生。但是这样的情况下,刚才我说的直驱,整条电路里面自带一个电容,但是双会里面,他里面的整条电路,虚线左边这部分是没有自带电容的,所以他这儿的意思是什么呢?如果有振荡的话,必须是在电路里面有串联补偿器,在线路里面自己加一个电容。如果没有串联补偿器的话,肯定是振荡不起来的。
  
  他振荡的频率是比较固定的,外边的电感和电容,传输线路已经定好了之后,这两个值是定好了,最后我们得出的结论基本上在5到10赫兹左右,在这样的情况下,你在人眼睛看到的振荡他是50+-8赫兹,会产生两个振荡频率。这是刚才说的,直驱和双会,我们国家非常常见的两种形式他的振荡机理。
  
  在这儿提一下我们次同步振荡的解决方案,刚才说了机理,我尽量的用简单的方式给大家解释,不知道大家有没有听明白,下面可以交流。次同步振荡实际上分成三个部分,一个最主要的还是要看电网配制,如果电网的配制很到位的话,或者说他电网做起来比较坚强,所谓的坚强就是我知道风电厂到底能设计多大,什么样子,模型是什么。在这样的情况下,那就是非常好的配置了。但是现在来说,我们国家行业里面,因为我知道有很多人在做这个研究,但是真正形成一种标准,或者说有一些设计人员,他真的在设计的时候考虑这些,现在来看的话,起码我见到的几乎没有。
  
  刚才我一直谈到电阻的问题,如果完全变成正阻尼的话,肯定还在某一些频段上有负阻尼,第二对能量的损失,或者动态响应的结果是比较差的,对风机来说。因为风机要的就是动态响应非常高,电压很快。但是我刚才说的,在全频带加阻尼。如果在某些,我认清了振荡频率可能在哪里,或者让风机自己感受,他可能发生振荡的频率在哪里,这样的情况下,风机就会在那个频带里面加阻尼控制,加正的阻尼进去,正的电阻进去,这样整个电路,就可以非常明显,有效的抑制他的振荡。
  
  接下来预波装置,一共三个方面。针对这几个方面,第一个必须在项目前期要抓住他的关键电网配制特征,要有风险识别能力,要知道电网或者风场怎么建立这个模型,电网怎么建立这个模型,和以前的不同在哪里,因为以前三大计算的话,以现在三大计算的潮流计算,动态计算,里面很多的模型,尤其是引起振荡的模型是没有考虑进去的。在这样的情况下,能不能把前期,没有考虑到的配制考虑进去。第二对电网进行非常好的分析,把模型的结构搭出来之后,具体的参数必须要知道,而且有很好的建模方式来解决这个问题。
  
  接下来建模好了,可能在某些情况下产生振荡,这样的情况下,根据风机,你如果对风机很了解的话,接下来对风机的控制进行改进。给大家举一个简单的例子,这是我们公司花了很大的力气,做了一套非常精细的,专门用于电网振荡研究的一套仿真模拟系统,这个模拟系统可以非常精确的模拟出电网,什么样的风厂下,什么样的电网下会产生振荡,而且是多少频率的振荡。结果是一致的,能够一致关键在于仿真方法,建模方法。建模方法如果不考虑有些东西的话,或者不在某一个特定的坐标系下考虑东西,有的信息就漏掉了,在这种情况下看不到什么。
  
  首先把模型建立起来,模型建立起来之后,接下来就是对整个电力系统重点的建模,重点的建模,在哪几个方面呢?实际上最主要的一个就是他的感应电机,还有风机的模型,接下来就是变频器控制模型,这个很可能会漏掉很多关键信息,最后得到的是不正确的结果。这个我们做了很多工作,这是仿真图,从不稳定到稳定,从圈外到圈里面。
  
  既然刚才已经分析完了,就有一个振荡抑制,一个是加一个阻抗,加一个阻抗相当于是并联的模式,把虚拟阻尼加进去。接下来我们在这儿,刚才我说串联的模式,会加组策滤波器,可以把中间振荡频率上的能量滤掉,如果你认清了机理或者有方法的时候,这个东西就不是很难了,可以再到理论或者模型里面验证这个东西有没有效,只要有了方法其实就不难,这是一个。还有对于风机或者风厂,怎么让他们在前期识别可能马上产生振荡,这个东西是非常关键的,有了这个东西,再结合强大的分析,对风机的认知能力,现在可以在风机内部设计好,在风机内部就产生这样一个滤波器了。这是我们的实验基地,我们加了很长的,或者是有电容,来验证我们的算法。
  
  接下来就是东北有风厂,实例,有好几个风厂,这样的情况下,就产生了振荡,在这个情况下,最后找到了我们,开始进行问题的解决,实际上当时几个月的时间,振荡了一百多次,业主觉得已经受不了了,但是其他的厂商,因为那个风厂里面好几家,找到别人的时候,大家好像觉得也都不太有有力的解决方案,我们当时进来了之后,在一个月的时间。因为我们当时基本上把算法刚搞完就出问题了,直接把这个算法从实验室拿到了现场,然后可以看到,这儿有一个8赫兹的振荡,在方案改进之后,就有一个明显的抑制。
  
  我今天就讲到这里,谢谢大家。
 
 
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