总工程师迟永宁做“海上风电的建模与直流接入控制技术”技术演讲

 

中国电力科学研究院新能源研究所总工程师迟永宁出席“上海国际海上风电+风电运维活动”时，就“海上风电的建模与直流接入控制技术”发表技术演讲

        中国风电材料设备网：“海上风电建模和直流并网运行控制技术”有几个方面：第一个方面是大容量风电机组的建模技术，因为目前国家的新能源接入越来越多了。越来越多以后对电力系统来说每天的运行方式可能不太一样，都要做一些计算，研究电力系统出现一些问题的时候，都需要一些发电的模型，比如说常规的火电机组、水电机组。现在运行的越来越风电机组的建模，甚至是光伏发电本身的一些建模变得越来越重要了。因为对于了解整个电力系统的运行特性，对于认识整个电网和新能源发电之间到底有什么相互作用都是非常有用的。

　　前两年行业内关注DDR的穿越作用，DDR穿越的问题因为做的测试都是针对风电机组的。但是作为电力系统来说，更关注的是整个电力系统里面会怎么样。所以像风电场一些DDR的测试他也要通过建模技术来测试，比如说去建立一些风机的模型，然后组成一个风机的模型放到电力系统里面做分析才能知道整个风电场和光伏电站的经过是怎么样的。

　　第二，海上风电技术，海上风电技术咱们国家推进的比较慢。未来三五年以内更多是交流的方式，其中当然有一些问题。全世界来讲欧洲的风电开发直流的技术是越来越普遍的技术，因为直流是有一些优势的。所以今年会研究海上风电的直流组网的技术，还有海上风电多了以后，会形成一个区域性直流电网，直流电网可能有多个发电的电源介入这个电网，这就是一个多断的直流概念。

　　目前来看，国际电工委员会对各种风电机组做了一些分类，目前大概有4类分类方式，把风电分为带有感应发动机的定速风电机组，这种风电机组像之前的金风的750都是这种技术。但是近几年随着电力电子变频调速的技术越来越多，这种技术用的越来越少了。更多的是第三种和第四种，而第二种是一个过渡技术，就是把传统感应发动机转子通过一个开口借到一个电阻上，这样通过控制电阻的阻抗多少可以改变一些风电机组的特性。但是第二种机组应用也比较少，目前最多是第三种、第四种，最常见的一种是双馈的风电机组，一种是直驱的风电机组。之前的华锐、东气风机基本上都是双馈式的。对这4种风电机组的建模现在国际上了很多工作。

　　对于模型，因为需要用模型做一些分析和研究。根据目的的不一样的，对模型也有不同的分类，比较简单的来说目前对电力系统就是两大类，一大类是机电的模型，更多的是用于电力系统的稳定问题，安全问题。再有一种是详细的模型，是风电机组的电磁模型，更多的是厂家在使用，是一种设备级的。像设备本身的电池特性，像设备本身通过电力电子控制的特性，都是用电磁展台的模型。但是对于电力系统来说，更多的关注是一个机电展台分析的模型。

拿比较常用的双馈风电机组简单介绍一下，就是建模是什么。因为作为一个风电机组来说，包括了空气动力学的模型，机械部分的模型，也包括了发电机的模型。但是对于目前的风力发动和光伏发电更重要的是电力电子的模型。这块模型对于发电技术本身，对于电器的特性，运行的特性有更大的影响。因为基本上风电机组和光伏电器特性都是依靠电力电子部分来实现的。

发电机的传统部分包含了风力机、轴、发电机，实际上通过齿轮箱连接起来以后，把一个慢速的风力机的机械传动，最后到发动机这一侧就变成了高速的制块了。所以说在做建模的时候，目前来说考虑的更多的是把风力机和发动机分开，实际上是两个质量块的模型。这两个质量在电网发生稳定问题的时候，故障的时候，这两个质量块之间就有相对运动了。有相对运动轴就会出现一些扭转，一些振荡问题。所以这一块在建模里是需要考虑的，也会对整个风电机组的特性带来一定的影响。

　　当然更重要的是风机完全是依靠一个变流器的控制系统来实现对整个风机的控制，因为光伏逆变器是一个主要的控制系统，靠逆变器本身来控制。对于风机来说，主要是靠电机测的逆变器来控制我的风电机组，或者说我的风电机组的发电机发出来的电的电机特性。这个比较复杂，因为一方面需要靠一些矢量控制的原理把风电机组或者发电机两块的内容分开控制，一块就是能量方面，就是功率方面。

　　另一块是发动机的电压是和无功相关的。无功又和这个风电机组本身的风量是有关系的。这两块通过矢量控制的原理把的完全分解了。通过控制一个量完全可以控制风机发出的功率是多大，比如说发出1兆的电力。另外一个控制另一个量完全控制发出的无功功率是多大。这个东西可以控制发电机的机端的电压。

　　第二个方面是海上风电场直流组网的技术，因为现在国家开发的是离岸距离已经近的20公里、30公里，通过交流来接入。这样一个风电场20万或者30万的规模还不是很大，但是当风电场的规模更大一般，当风电场离岸距离更远以后，一些问题就出现了。这时候就依靠交流介入的技术可能就有问题。所以可以看到在欧洲的海上风电开发过程里面，包括德国北部的北海、包括英国附近甚至大西洋旁边的海上风电的开发，因为风电场离岸距离越来越远，比如说离陆地是90公里100公里，更多的是采用直流的风机，直流的技术是包括在风电场内用一些直流来组网，组成一个风电场，同时风电场升高到一定电压以后，风机的功率怎么样送到岸上去，又涉及到一些送出直流技术。

　　目前在风电场内有这样几种汇集方式，比如常见的风电机组他出口电压是690V，是交流的。通过一个相变把电送到10千伏，或者3万5，然后串并联到一起，汇集了以后在整个风电场把他升压。一般来说，这种交流的汇集在场内一般是交流电通过这种串并联的汇集以后，通过升高变压器把他升高一个电压升级，通过交流，通过一个交流的输入电路送到电网。这个是国家目前来说采用的技术。因为目前这一段的传输距离比较近，只有20到30公里的，所以不会引起特别大的问题。但是变电站的体积比较大，而且成本也比较高。一旦输电线路的长度增加，就会有一些电压的问题，所以需要无功补偿。

　　随着输电的距离越来越远。现在更多的选择是把输电线路本身变成一个直流。随着输电距离增加，交流输电带来的一些问题是很难克服的。这样就有必要通过直流来进行传输。但是这种技术仍然存在一些问题，比如说必须有公平的变压器，频率是50赫兹。这样的话体积就做的比较大，需要放到海上平台。这一块对海上建设的要求是比较高的。

下面介绍一下直流组网本身方式分类，比如说直流风电机组可以是现在的风电机组，风电机组把交织变流器另一边去掉，中间就剩直流了。直流以后通过一些并联，把这个风电机组到所有的电力汇集起来，通过一个DCDC向岸上输送。但是这样有一个问题，因为每个风电机组本身的DCDC的电压不是很高，汇集起来以后他这个风电场的电压等级会低一些，所以说他需要一个DCDC升压的变换器他的电压升高才能送回去。而DCDC本身的技术变频是比2倍要大，可能是3倍，这方面的技术还不太成熟。

　　海上风电根据不同国家的规划，欧洲在北海，北海既有德国，也有像丹麦、瑞典很多国家的参与。在北海建一些海上风电，利用直流比较先进的技术，柔性直流的输电技术建立起一个海上的直流网络。另外像欧洲这种超级电网的概念，要把北非的一些光资源和光热发电接入到电网里面。还有地中海的一些光热发电，光伏发电。

这个超级电网的规划是欧洲的风能协会提出的，在面临未来大规模新能源发展的情境下就提出了直流联网的技术，把大规模的新能源通过直流的电网输送到欧洲的负荷中心区。中国也有同样的问题，因为一方面海上风电在山东、江苏、甚至福建广东以后也有一些，另一方面内陆风电也有一些，内陆风电大家在提可以通过传统的直流，通过几千公里的距离把西部可再生能源送到东部来。

　　但是也有一种可能，因为西部的风电比较分散比较多，所以他在某些局部区域可以刚才说的类似于海上风电直流汇集输送的技术，可能会形成某些区域的直流电网，把这个电力再通过比如说远距离的交流输电，或者是远距离的直流输电输送到负荷中心去。

　　美国也有这样的规划。但是随着以后美国新能源越来越多，交流电网里面就会出现红色的直流，直流是可能是两个不同的交流电网背靠背的直流联系，当然也有可能在某个区域形成一个区域的直流电网，同时通过这个区域把电送到交流电网里去。对于直流技术的研究，世界上关注人越来越多。相信应该在不久的将来，直流电网肯定在实际的工程里面有一些应用。

对于这种海上风电来说，最有可能形成这样一个情景，比如海上有几个风电场，或者几个大的风电场群。这些风电场每个都会形成一个直流。直流跟陆上的交流系统通过一些联系联系在一起。但是现在各个地方都在做不同的研究，有的单位提出可能是一个环状的电网，但是环状电网可能有一个问题。比如说电脑的电气联系断了，所有电力都要通过这边输来送到交流电网，这样的话对于某些局部的线路就需要承担4个风电场的容量。这样经济上是不合算的，所以说这个环形联网虽然简单，但是输电线路成本应该会比较高。因为输电线路在某些条件下要承受更大的功率。

　　再一个是星型，星型就是把所有的汇集在一个点上，这样需要建一个海上平台。但是汇集到一个点上，相对来说一个风电场出现问题不会影响其他三个。但是还有一个问题，一个是可能需要海上需要建立一个集中的东西来汇集这些电力。再有一个，当风电的汇集跟电网之间的这些短的连接线上出现问题的时候，整个系统都会受影响。

当然还有人提是这种混合的拓扑结构，可能会解决一些问题。但是相对来说成本也比较高，运行起来也比较复杂。不管怎么说很多问题通过技术可以解决的，但是通过技术和运用可以考虑更多的可靠性，更多的冗余度的时候，经济上的投入就会增加。这这块不单单是一个技术上的考虑，是一个技术和经济综合考虑。

　　对于刚才说的多端直流控制做的研究也比较多，像刚才这种电网会形成一个海上多端直流电网。每个风电场群会在这个直流电网里负担起一定的控制责任。比如有的海上风电场要控制你这个接入点的直流电压，要保证电压。有的风电场负担发出多少功率，这个直流电网就是吸收多少功率。同时电网直流站也会有这样的要求，到底是来控制电压，还是控制一个功率的分配。

　　假设有两个海上风电场或是两个风电场基地，通过直流接入到陆上以后，这样他会在这个直流系统里面会形成4个直流的换流站，每个换流站他在直流里面控制目的、控制策略都是不一样的。比如说对于VSCE换流站可以根陆上的电网就控制功率，就把电网发出的功率取其中一部分通过这个端口送到电网里去，这一块就控制直流电压。在运行里面控制直流电压意味着什么呢？意味着要保证这个直流电压是稳定的，但是功率大了以后，直流会升高，这个时候会采取一定的手段，把吸收到的功率通过这个站完全送出去。

　　所以这个站的任务是什么呢？保证直流的电压是恒定的，但是直流的功率最后海上风电的功率是在不断变化的。这样目前控制方式可能有的陆上站负责控制电压，控制电压相当于不断的吸收风电场的功率，功率大了以后就多吸收，少了以后就少吸收。而这个是保证恒定的功率，这个比较简单。但是也会造成什么问题呢？这个站他运行方式的变成比较大，对这边的电网会一些影响。所以从理论上来说，虽然有一些优点，控制比较简单，任务分配也比较明确，但是在实际的系统接入里面有一些别的问题。

　　还有的别的控制方式，比如使直流电压偏差控制。比如说这个站以前是控制直流电压，保证功率的吞吐。但是当传输的容量超过一定的限制的时候，这个直流电压的可能会升高。升高到一定程度有了边查以后，把站控制的一些任务就会转到其他的站上去。比如说这个站就不控制电压了，到了上限了就只去控制功率了，把控制任务转到这个站去了。所以依靠直流偏差的控制可以在站和站之间改变一些控制策略。

　　电压的下垂控制，也叫斜率控制。其类似于交流系统里面的一个行为，比如说一个电网，电网里面有很多发电厂，发电厂发电的多少是影响这个电网的频率的。当电网频率升高的时候，这个发电厂本身调频的系统就会让这个发电厂的出力降一些，当频率低的时候，会让这发电厂的出力高一些，这个东西就叫下垂控制。

　　这个下垂控制的想法实际也可以在直流里面实现，直流里面看到的就不是系统的频率了，因为直流系统没有频率，就是一个直流电压了。当直流电压发生变化的时候，就通过直流电压的变化来控制这个电压功率传输，这个类似于交流系统的频率控制一样，通过这种手段来协调整个系统的控制。这样的话会有一个好处，这两个站控制基本上是同步的，比如说当风电的出力更多的时候，两个站直流上升是差不多。两个站在直流偏差的控制下，会让注入电网的功率增加。这样也是会通过这样机制来控制整个多端的控制。

　　这些技术尤其在中国是处于研究阶段，在欧洲可能有一些应用。但是随着海上风电越来越多，从近海风电发展到远海发电，直流技术应该在海上风电甚至陆上风电当中有更多的应用。