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以下为演讲实录：
这次报告主要是分为这三个方向：第一部分是简单介绍我们研究的背景；第二部分是对现在高比例风电电力系统的环境下风电机组的控制是往什么方向在发展和有什么样的需求；第三个就是在未来高比例风电的电力系统发展趋势下风电机组的控制技术的未来发展方向。
首先大力发展可再生能源是我们国家能源改革的重要战略，我们国家是全球风电规模发展最快也是风电装机容量连续七年位居第一，预计到2050年风电的总装机达到10亿千瓦；风电并网的比例不断攀升也出现了局部地区的渗透率过高的问题，因为我们国家受资源禀赋的影响，主要采取的是风电大规模集中式开发，由高电压远距离输送的运营模式，而特高压交直流电网的混联和风电大规模跨区域的输送已经成为我国电网的典型特征。现在尤其三北部分风电的大规模应用导致甘肃、蒙东的风电穿透率不断身高，局部地区比如像甘肃已经超过了100%的风电穿透率，也形成了高比例电力系统的形成。
随着大量的常规电源传统的被风电大量替代，电力系统的能源结构和运行特性也发生了深刻变化，尤其是我国“三北地区”高比例风电经高压直流外送的新型电力系统形态基本形成，使整个系统呈现出弱惯性以及弱频率和电压支撑的特性，使得这个电力系统的安全稳定运行受到一定的挑战。而且随着现在大数据技术、智能电网技术以及电动汽车的快速发展，不管是发电用户，用电的用户更多通过电力电子设备的并网，而且负荷侧新增的这些智能控制包括这些大量的控制接入也使得整个电网的运行控制变得极为复杂。
高比例电力系统面临着频率特性的影响。大规模新能源并网造成电力系统的旋转备用降低，电力系统惯量不足，一次调频能力弱化，使得频率稳定的问题会凸显。其实在国外面临同样的问题，像今年英国伦敦大停电，停电时间将近2个小时，但是展现出来的问题，当时整个站负荷有35%，当时的大规模海上风电的拖网也凸显当地的风电机组的耐受低频的能力不足。往前追溯2016年的南澳的大停电也是风电占负荷的比例高达48%，负荷将近一半的长度，当时也是整个系统的惯量不足，故障发生了之后整个电力系统的频率在0.4秒内从49.5赫兹跌到了47赫兹，这就是整个频率变化的量非常大。
同样，系统除了频率故障以外，风电的高电压穿越故障、高频振荡、次同步振荡等事故在近几年经常发生，所以使得高比例风电电力系统的安全稳定运行面临很大的挑战，也引起了社会各界和研究人员的关注。
随着风电容量从原来的几十千瓦发展到10MW甚至12MW的增大，包括风机的尺寸从风轮直径原来的十几米到现在将近200米的风轮直径的增加，未来风电的发展方向如何？风电在保障自身安全的情况下内为电网的稳定作出怎样的贡献？我们如何发掘风机现有的能力？因为容量增大了，从原来风电机组做到被动的适应电网的一些需求，电网如果发生了一些故障之后我能够做到不捣乱，有一定程度上不给电网增加额外的负担，现在已经作为第三大主力电源，未来电网发生故障，我在保证自己安全的情况下，是否能够帮助电网稳定和恢复，我认为是大家未来比较关注和更多研究的方向。
接下来我谈论一下对于风电先进控制技术这一块如何帮助电网提升稳定性，介绍我们做的一些工作和思考。
随着风电发电技术的飞速发展，风电机组自身能力不断被挖掘，机组性能不断提升，风电机组对于涉网性能主要展现在有功频率的响应还有无功电压的响应还有电网适应性和电能质量的研究。有功频率这一块主要是频率支撑能力，涉及到对于频率支撑的惯量响应控制和一次调频的控制；无共电压这一块主要是风电机组的无功能力的提升，做到的就是低电压穿越包括电网对风机的高电压穿越的需求和窄带支撑的特性。我们的工作就是对频率支撑和高、低电压穿越的需求上。
我们研究发现不同的系统转动惯量和风电占比对电力系统的频率动态响应特性产生影响。随着系统的惯量增大，当发生频率跌落的时候，频率的最低点会逐步升高，频率稳定时间会逐步地缩短，这就是为什么在同步机和交流系统中大家愿意提升系统的惯量；而随着风电的占比增大，频率跌落的低点会越来越低，稳定的时间需求会越来越大，所以在整个风电占比越高的时候，系统的频率特性会越来越差。
传统的风电机组最先考虑的是通过引入一个附加功率控制来响应这个系统的频率变化率和系统的频率偏差，然后我们会发现系统的频率低点会由附加功率控制中的频率的系数和频率的偏差系数共同决定，呈正相关向。频率的稳态值仅与频率偏差项的系数成正相关性。也就是一次调频不光是能改善故障发生后的频率最低点的状况，同样对频率的稳态有帮助。而惯量响应仅仅是用来增高频率跌落最低点的状态。
对于2MW的风电机组本身风电机组是蕴含转动惯量的，只不过是通过电力电子的设备与电网连接之后，它天然结藕了电网频率的关系，所以导致不响应电网的频率变化。现在主流的想法就是我通过改变风电机组的有功频率控制，使风电机组模拟同步机响应电网的频率变化。可以看到本身的机组自身转子中蕴含了这个能量其实最低支撑有功出率的10秒的时间，如果在大风情况下，就是风能好的情况下，支撑的时间更长。我们做过小风惯量的试验，可以看到利用模拟惯量响应过程的方式是可以做到响应频率变化率的变化。我们知道在频率上扰的时候需要风机减出力，大家得好理解而且是容易做到的；但是在频率下扰的时候，就出现一个问题，就是我的容量是否足够支撑多发的这部分功率，所以后续我们的考虑也是存在在频率跌落的故障发生的时候，我们如何使这个风电机组多发一定的功率来达到功率支撑的目的。
这是我们当时做了几组对风电机组的附加功率控制，以实现惯量响应的情况。可以看到通过简单的附加功率控制环节是可以做到10%有功的功率支撑的，在大风阶段的时候，在于限功率和不限功率的情况下，利用变角会预流出功率，解决容量不足的问题，同样在大小风不限功率的情况下，短时间内只是抑制频率快速变化的话，在现有风机自身的转子储能是足够处理这项工作的。
在一次调频阶段，也就是在我的电网频率偏差额定频率的情况下，这个时候能量问题会更凸显。我们大致分成了几种方式：首先用控制惯量的方式，把原来蕴含在转子动能的方式进行功率支撑；另外一个是类比于同步机做一个转速备用的方式来响应频率支撑。
惯量控制的好处在于它的响应速度非常快，相比于同步机而言一般火电机组的响应速度在10秒左右，但是风电的惯量响应速度非常快，但是存在问题风能转子中的容量支撑频率变化率是可以的，但是如果要长时间支撑电网的频率恢复它的容量会有问题，如果转速在小风阶段本身的惯量是不足的，那么如果过长时间释放惯量的话，在支撑结束之后会产生功率凹陷，因为能量是平衡的，这个时候恢复到原来的跟踪控制的话，原来过多释放，释放到并网的最低转速，那么我在故障完成了之后会重新吸收能量，所以这个地方惯量控制如果在能量过多释放的情况下会有动力凹陷。
转速备用是在我正常控制，就是高速减载的运行模式，但是这只是存在一个力量，是类比于同步机的，它仅存在于中低速风速的情况下，中低速风速又存在容量不足的问题。桨距角备用因为要调节风能的捕获，涉及到机械部件的运动，所以响应速度慢。外加储能是一个很好的解决能量来源的问题，但是最大的问题在于经济性方面，如果我的风机外加了储能，我能随时满足你的有功支撑和频率调节的要求，但是对我风机的成本增加是非常大的，这就需要从经济性的角度平衡这个问题。实际上在惯量控制调频和浆距角备用我们做过测试，惯量控制响应速度非常快，但是桨距角支撑时间比较长，但是要响应几秒钟才能满足10%的功率支撑的以后。
这个是针对一次调频做的限功率情况下和不限功率情况下的大小风的一次调频的测试。可以看到通过上述的几种方法，现在的风电机组在不增加硬件设施的情况下，从控制角度是可以实现一次调频的功能。可以看到在小风不限功率的情况下，我们设定的是提供10秒钟的功率支撑，在支撑结束之后，可以看到会一个小的凹坑，这展现出能量不足的情况。
在大多数风电场实现风电场的能量管理平台或者是风电场的功率协调控制系统可以实现场站级的频率控制，右边是实际模拟对于风电场的功率协调控制系统输入真实的电网频率的录播，可以体现出现有的协调控制是可以实现调频的要求。这个地方我们设定的是0.04赫兹，可以看到电网频率整个风电场会针对频率的变化给予一定的有功支撑。
对于高比例风电电力系统的情况下对低电压穿越性能的影响。我们构建了220千伏的外环网为主网架的高比例可再生能源受端的电网系统，对整个系统做N-1的故障扫描。我们设置了5种情况，风电占负荷的比例从25%左右提升到63%左右的情况，可以看到原有的低电压穿越的曲线，我们会对整个电力系统的故障扫描做一个稳定性分析。会发现第一种方式也就是风电占比24%左右，风电+直流占负荷一半的情况下，按不同的低穿的情况做系统的稳定性是没有问题的。设置的第二种方式就是风电占负荷比例提升在40%左右，而风电+直流占负荷在65%左右的时候，按照原有的低电压穿越的技术整个系统是没办法达到稳定的，如果一定程度上增长电压恢复的时间，稍微减小一下电压恢复的等级，在这种情况下也可以稳定的。
当风电占负荷超过45%，目前对于整个风电机组的低电压穿越，对于系统稳定会有很大的影响，这种情况下系统是没办法保持稳定的，这也印证了南澳的那一次大停电，风电占整个负荷超过45%的情况下，其实风电的低穿是有问题的，当时他们有14个风电场，有9个风电场是多次低穿未过而产生这个情况，也就是在高比例风电系统的情况下，原有的技术对电力系统我们需要重新审视原有的要求。是一个动态的概念，就是在高比例风电的情况下，对低穿实际上也是重新提了一个需求。故障后就是不同的风电占比的情况下，同样在电压恢复阶段也存在一些问题。第二种方式的情况下我们发现无功支撑也是需要进一步提升的，现在对于无功需求的系数是按照1.5算的，但是我们发现当风电占比超过40%之后，这个系数其实需要提高才能保持电网稳定。也就是说不光从低电压穿越的需求和电压对于无功支撑的要求，风电占比不断增高是对于风机这方面的需求会越来越严苛，这是未来需要进一步研究的方向。
对于高电压穿越的需求。首先在低穿越的过程中，机组如果低穿没有通过会导致整个系统的无功过剩，导致整个系统的电压升高，也会使其他未脱网的机组面临高电压脱网的风险。当特压的直流失败也会引起高电压故障的情况。针对风电机组的高电压穿越是通过控制方式来实现的，风电机组本身耐压能力是可以支撑1.3额定电压的耐受，当三相平衡电压升高的故障发生和三相不平衡高电压故障发生了之后，风电机组是可以正常地进行有功处理，然后通过它的无功控制能正常进行有功处理的。这种情况下对于风电机组的高电压穿越就是电压耐受性也是未来需要注意的方向，目前的研究来看，风电机组在不增加硬件设施的情况下，其实是可以通过控制来实现高电压穿越的能力。
在风电机组挖掘对电网的支撑性能之后，更多也是要考虑风电机组自身的安全稳定的方式。我们对整个风电机组在惯量支撑期间，它的载荷变化做过简单的研究。我们会发现风电机组在不同的惯量上和不同惯量的持续时间和不同支撑幅度的惯量响应过程都会对风电机组的疲劳载荷产生一定的影响，其中会发现响应时间快速的惯量响应会对风电机组的轴系造成较大的损伤的风险：随着响应时间的不断提升，在惯量支撑的过程中，轴系的载荷会有明显的增大。这就告诉我们要在惯量支撑的要求上，也要注意一定的平衡，而且一定程度上风电机组未来的载荷优化甚至在前期的设计方面也都需要考虑未来这些功能实现带来的一些影响。
在一次调频方面，如果我们对于未来要试试桨距角预流功率进行一次调频的方面，我们会发现桨距角会增加叶根疲劳载荷的增大，随着一次调频有功支撑幅度的增大，载荷实际上也是不断增大的。而且一次调频过程中，对于浆距绝的会增加塔架左右，而且也使得载荷线性增加。
对于低电压的穿越过程中，不同的电压跌落深度对于轴系的纽振包括塔架左右方向的载荷都会有增加的影响，而对于叶根的载荷可能会影响较小，因为主要是电器方面的故障冲击。对于所有的载荷平能都有增加，尤其是轴系疲劳载荷是很明显的增加。
对于不同的有功功率恢复时间的长短，可以发现它对于传动链轴系的载荷也会有很大的影响，但是我们会发现当有功恢复的时间设定得更长一点，比如到500毫秒之后会发现载荷增加就没有那么剧烈了，也就是说我们在对于有功恢复阶段的时候，考虑到风机自身的载荷的限制，是不是在现有的有功恢复的阶段，不给他们提过多的要求。同时我们在未来的机组开发和结构载荷设计时是否也考虑应对未来如果需求是快速有功恢复的情况下，对载荷进行重新的设计和校验。
接下来主要对未来风电机组并网特性的展望。
高比例系统中，风电机组处于我国第三大的发电电力能源，风电机组需要从被动适应到主动支撑的角色转变，在我们看来不光是要重点突破主要在对于电网的频率支撑和高电压穿越和故障穿越的技术，包括主动阻尼和主动抑制的优化控制，从机组的层面是否能做到抑制振荡或者是减少振荡风险的发生。满足这些控制和功能之后，风电机组对自身载荷的优化控制和对自身安全稳定的保障。这就是我们认为未来的高比例风电电力系统条件下风电机组的优化控制主要是从这四个方面来发展和演化的。
（内容来自现场速记，未经本人审核）
