潘海宁：集群风电设备的并网安全评估技术

　　2016年11月4日，在“2016中国风电电气装备技术高峰论坛”的主题演讲环节，国电联合动力技术有限公司潘海宁 博士作了集群风电设备的并网安全评估技术的相关报告。

　　我今天和大家分享的内容是集群风电设备的并网安全评估技术。今天这个内容主要想从并网安全的角度和大家在重新探讨一些我们风电领域一些共性的技术。我今天讲的主要是对于一些问题的看法和思路，具体工作就不展开了。

　　首先看一下并网安全的问题背景，我们都很清楚常说的电力系统三部分构成：一是电源侧、输配电、用电侧。电源侧也就是我们常说的水电、核电、火电。用电侧随着新能源汽车和高速铁路的发展，负荷侧也是说它的随意性，不确定性越来越强。新能源主要有风电、光伏，它们的特点就是有较强的随机波动性。随着新能源电力规模不断增加，不断接入电力系统，这种随机波动性越来越强，对整个电力系统的运行带来了很多的困难，于是对发电侧提出了更高的要求。对于发电侧来讲也遇到了很多的技术困难，需要在满足需求的条件下，在更复杂的电网工况和环境工况中，保证一个发电设备和发电过程的安全和稳定。

　　新能源电力接入对于我们电力系统有哪些方面的影响？首先从电网侧来看，由于新能源普遍存在着消纳的问题，所以电网的输电能力受到了考验，引起了电网结构的变化，建了很多输电干线，也引起了交通方式的改变。制造企业的产品需要承受更多的扰动，产品需要更高的适应性、可靠性，同时要满足各种有功功率的特殊的要求。

　　围绕安全问题有什么技术需求？对于电网侧希望了解风能特性分析，多能源协调调度，同时改进继电保护，其实对风电场提出惯性需求，还有希望了解风电场性能边界，能发多少电，余量等等。发电企业他们是了解到底风电机组的性能边界，便于管理，也希望改进电厂继电保护。制造企业就需要提高产品可靠性，还需要先进故障检测方法，需要有先进控制方法。

　　既然所涉及的技术这么多，下面我们是从发电角度，不是从输电和用电的角度，来介绍一下我们正在开始的一些工作。一个是运行状态评估技术，这个技术是主要让我们掌握设备运行状态，服务于发电和运行的智能化。二是发电设备保护策略，这个是服务继保的。

　　先来看一下第一部分的工作，风电机组运行数据，这部分主要是基于监测数据和经验数据，用于机组预测性维护和可靠性设计改进，用于估计风电场功率损失率。

　　主要内容其他同事做重点评估都差不多，首先要有数据容错和筛选方法，其次要研究故障识别方法。在这里我们加入了风测的信息。

　　下来介绍一下风能动态特性等值，之所以研究风能等级是因为它是影响风机工况的重要因素，从风速非平稳随机特性出发，认识风电单机功率波动的规律和影响。单机风功率主要分析风电机组的极限工况、疲劳程度、发电机控制响应评价等，风场风功率主要为风电场参与调频和多种能源协调发电提供依据。就是什么样的波动应该由活动机组来评议。

　　风电机组状态估计这方面，它的数据基础就是CCADA数据和智能监测设备。SCADA是对慢变状态量，如温度的测量，故障机预警状态的监测，智能监测设备是对发电机大部件，传动链系统、发电机及变流器进行监测。基于多尺度分析的数据特征提取技术，基于多元信息的传感器容错误，数据筛选与预处理技术、数据规范性，发电机碳刷、气隙、匝间绝缘异常、振动异常、变流器功率器件缺陷等，形成故障统计信息库、故障模式库。为了实现故障诊断我们选择和机组故障密切相关的大概60余节点绘成故障状态转移关系图，然后加快故障的处理进度。在这个基础上我们现在用的可靠性概率模型预推理算法，深入掌握机组运行状态，有利于预防性维护。这个是实际应用的一个例子，我们在实际测试过程中能够有效的估计出来。

　　风电场集电系统可靠性评估，这个是把研究对象从风电机组扩展到风电场集电系统的信息，因为我们没有数据，所以这个是一个模型，最后是给出一些可靠性的指标。

　　下面来说一下并网发电设备保护策略，主要是研究风电接入对继保问题的影响，因为现在继保问题其实是可能大家忽略的一个问题，或者是还没有深入研究的问题。因为现在新能源，风力发电机的机理并网方式和传统的发电机是不一样的，原有的保护已经不能完全再适应新能源的接入了。另外新能源的系统模型参数、运行方式，都是没有经过深入研究的，我们在保护与控制只能以保守性换可靠性。另外保护策略更加复杂，所以我们需要研究一个方法，就是新能源电磁暂态性，建立故障分析模型，改进方法。

　　现在风电场一般来讲机组、箱变这些问题，集电系统保护与风电机组保护各自独立，几乎没有很好的匹配，所以有些故障发生的时候，在箱变还有变流器保护故障的问题都说不出来，还有箱变保护未考虑风电机组短路电流的影响。送出线保护将风电场看作负荷或常规发电机，未考虑故障特殊性。另外风电机组本身保护需与电网的低电压穿越运行要求相配合，风机保护从保护自身出发。风电场一般性保护是这样，送出线保护、主变保护、汇集线保护、箱变保护、风机保护。

　　因为新能源发电机暂态特性和同步机区别较大，风机一般表现为弱馈电源特性，其易受负荷电流影响，另外新能源电源并网用电力电子器件具有强非线性，传统故障分析叠加原理不可再使用。

　　我们先看一般我们讲的风机和箱变的保护，风机的涉网保护是为实现对电网的支撑作用，风力发电机涉网保护在电压和频率适应性要求内应不动作，在适应性要求以外依据风机器件耐受能力快速实现自我保护。

　　集电线路整定一般是箱变侧的最大短路电流，风力发电机受的影响比较多，控制策略，机型都会影响。为了简化计算，一般是将风机视为同步及，由同步及的方法来提供，这种方式的优点可以得出最严重情况下的短路电流，缺点就是受控制因素和策略等很多影响，实际的电流和我们求得的不相符，差别比较大，所以需要我们实际的实验数据进行原形分析。

　　从上面不管是风机、箱变，还是说集电线路的保护，都是一个基础性的工作，但是短路电流中包含丰富的谐波成分，导致保护算法不可靠。还有现在要求故障在故障期间，很多工况下都要继续提供无功的支持，所以导致工况情况更加复杂。

　　我们也做了一些研究工作，同时我们跟学校合作通过一些课题的形式，也对风机的短路过程一起进行研究。现在做的内容主要是分析风电并网对继电保护动作行为特性带来的影响，还有分析短路故障中风电机组电磁转矩的冲击和影响，最终完成了短路电流计算机分析。

　　回顾一下我们的内容，一个是运行状态评估，一个是发电保护策略，这两部分只是风电并网安全领域的一小部分，内容很多，我们后续还有很多要做，这里我们也期望和同行的各位专家多交流，我们共同进步。谢谢。