风力发电机组的惯性能量与一次调频功能实现 许国东/副总工程师

　　以下是大会演讲内容（现场笔录）：
各位领导，各位专家，大家早上好。我是运达的许国东，下面由我给大家汇报一下运达在风电机组的惯性能量提取和一次调频功能实现方面的一些进展。
我说这样几个部分：一是电力系统的需求；二是风电机组惯量与调频功能分析；三是测试过程和结果；四是展望。
首先大家知道至2015年底，我国风、光、生物质发电量占全部发电量的5%，未来电能将借助特高压网络实现远距离、大容量输送，对电力系统稳定性的要求日益提高。尤其是我们国家风电包括光伏大量的资源都在西北这个地区，是远离负荷中心的，所以我们国家现在应该说也是包括要新建数量非常庞大的交流、直流网，来实现大量远距离的输送。像这种电力形态其实全球都是没有的，要做到这么大能量的远距离输送，对于电力的输送是有很高的考虑。
从电力系统本身来说，现在我们国家以三北地区作为代表的高比例新能源电力系统形态已经基本形成，西北几个省比如甘肃、冀北、新疆、蒙西新能源装机占比超过30%，甘肃占比达到40%。早五年大家觉得这个比例都不可接受的，现在这个事实已经摆在这里，大家做风电的也能感受到，其实今年以来风电的接入电网越来越困难，今年上半年整个西北地区基本上没有形成风电接入，为什么，因为我们确实是遇到了电力系统无法消化这样的问题，事实上也不是电网本身不行，而是实际在运行中已经出现了这样的案例，只不过作为外界来讲了解的信息并不是很多。所以我们风电是一个作为后起的，给整个大系统作为补充，或者说慢慢提升比例的这样一个角色，所以我们必须要适应电力系统本身的运行特性和要求，这样才能使我们未来能够扮演更好的角色。
电力系统稳定性是指整个系统在正常运行的时候受到了扰动，然后重新恢复到平衡状态的能力。因为电力系统本身有各种各样的稳定性问题，比如说下面这个图表显示功角稳定、频率稳定、电压稳定，这个是我国电力系统规定中提出的观点。
小范围来讲可能说电压和功角稳定会更突出，但是从更大的尺度来说频率稳定是一个更重要的问题，我们之所以之前要讲高穿和低穿，其实当时是一个电压稳定性，现在随着风电比例的进一步提高，频率稳定对于我们的迫切性就更明显的提了出来。因为电力系统的频率本身反映在系统中有供需平衡的基本状态，就是发电和用电要处于一个平衡态，如果这个平衡被打破，或者说产生了一定的波动，那么我们本身的系统频率就会产生波动。从我国前面的远距离输送能量的情况来说，就涉及到电力输送端的电源，输送端的负荷以及受电端的负荷和受电端的负荷。在电力系统产生波动的情况下，电力系统会要求整个电源侧有调频能力，分阶段来说是一次调频、二次调频，当然有的系统也会提出三次调频这样的说法。从右边这个图来讲可以看到风因为波动性非常大，但是负荷并不像我们所需要的那样子，必须电源随时来补充这个缺口。
这是我们给大家讲的是一项国外的电网到则，国外要求的调频能力的说法，不光指风电，其他也是这样的要求。德国提出装机量大于100MW的时候，加拿大也是的，德国这些标准都由国外一些风电整机厂商已经在做适应性的测试以及认证。比如说像加拿大，像西门子、维斯塔斯他们都做了类似的实验，但是他这个要求也比较明确，像HS做到3.5s，爱尔兰提的也是高频率的调频能力。
相应来说我们看看我们国家的调频是怎么要求的，当然这只是风电，我们对于风电来说没有频率响应要求，对于火电有一个标准，是GB/30370-2013这个标准的要求，0.033Hz，就是达到我们调频目标的90%，燃煤机组是30m，燃气机组是15s，调频负荷增量是6-10%，火电如果我们现在要求做调节的时候，功率如果调节要调节蒸汽，通过阀门调节进气量，这个肯定有一定的时间。水电比如等于0.05Hz，因为水电机组比较长，所以机组比较多样，机型类别也不同，所以说各个地方的电网公司自己提要求，调节负荷增量在5-10%。
传统的电力机组火电水电都是同步器，但是它的转速和频率是咬合在一起，像我们风电的话，风电整个装机量是1.29亿千瓦，其中大概是6%左右是传统的异步的，定速定桨的这样的机组。其他90%几我们现在都是变速恒频机组，但是风电的变速恒频机组是不咬合的，这样我们的频率响应没有什么作用。至于火电水力的惯量也是能体现的，但是你要实现有功平衡性，我们可以看到一次调频都是要时间达到15s左右，风电到底能做到怎么样？
给大家看一下这个调频的过程，左下这个图有一个是仿真曲线，有一个是录波曲线。这是以前出的一个事故，出了事故以后他们重新做的仿真曲线和录波曲线，发现并不完全一致。就是说电力系统本身的一些事故里面还有一些原因靠这些曲线不能分析出来。右边是水电机组一次调频过程，有个电力系统通过把水电机调节水流实现功率的波动，右下这个图是需要调节导叶开度，最后而且也是需要十几秒左右的，这是传统的火电水电机组所能达到的一些能力。
至于风电我们来看一下，风电惯性时间常数本身这个值是动能除以要发电的功率，风电的H就是叫惯性时间常数，右边的散点就是典型的风电机组大概的一些惯量。大家可以看到差不多在5-10的样子，其实跟火电机组或者水电机组差不多在同等量级上，我们是完全有能力提取这样的惯性量为我所用，能够实现更好的目标。
这张图是我们典型的风电机组的变速运行机组的曲线，可以看到本身它有很大的变速范围，在整个变速范围内都是50Hz的目标，其实我们实现的是50Hz的目标，我们实现的是跟随电网频率的目标。在整个范围内可以看见在最佳的运行曲线上。我为什么要跑在最佳Cp上，最佳Cp是我们获得最好的能量。但是如果我们做一些调频的动作，要偏离这个曲线，也会产生一些以往不太关注的一些特性。
从风电机组本身的有功功率的控制来说，它是受到风、气动、机械、电机的这些元素，并不是我们想调就调的，本身有一些前提条件。比如当时你说你要调有功，说风到底有多大，就是说你的Cp到你的当时是什么值，机械的话如果突然间上升增大功率，对齿箱，对轴承有没有影响，对电气本身的影响不是很大，但是会不会过油，会不会振动，就会有这样的一些特性的约束。
在整个调频过程中，左上这个图是美国做的，在特同传动效果下不同的频率支撑有怎样的影响。右图是一个典型的在风电机组运行曲线上，我们通过调频轨迹到底是怎么做。但是这个我想说右图只是一个典型的参考，并不是说大家都这么做，也不是说非要这么做，而且在这样做的范围内大家可以看到红线，红线在这个轨迹走的时候，肯定我们这个监速就是下降的，这个会带来什么影响？会带来风电机组的Cp运行速度会下降。在调频这个时候如果要实现对电网频率的支撑，也就是说我们短时间内增加有用功的输出，我们输出的电能是大于我们接受的接线能，就会到一些不安全的区域。风电惯量响应的作为在于降低系统故障时调频的变化率，一次调频其实着重在后期。
左图是国外的结果，频率波动的时候实现快速的支撑起来，右边这个图是我们作为调频功能释放出有功功率的备用量，火电水电其实都是这个道理，火电是加了倍压。有图来讲释放功率的量有几种方法，风大的时候没有，风小的时候就有了，也就是说我们在事先留好备用量，当我们需要的时候就释放出来。
技术难点在以下几个方面：一是快速准确的响应， 二是功率平稳过渡，三是电气和机械系统安全，四是避免超速、欠速停机。   
说一下整个实现的过程和结果，我们最开始做了Matlab-Bladed系统仿真，很多人都会做。然后我们做了地面动力平台测试，实现了可靠性。然后我们是今年6月份在电科院一个基地做了这样的实验，可以看到这个频率当时我们做的还是双波抖动，右上这个图做的是惯量，就是说我们在频率波动的时候提取这个能量，恢复的时候我们要把这个能量重复放回来，所以它下面是有一个缺口的。右下这个图我们是惯量加一次调频，这样的做法我们在振荡的时候就不会有缺口。大家可以看到右下这个图波形就很方。现在的风电场其实都有在线调节的功能要求，但是这个和我们现在做的有什么区别？其实都能做，还是跟原来是一样的？我告诉大家是不一样的，因为我们现在的风电场用常规方法调节有功功率，达到这个目标可能需要几秒钟。比如说我们从100%功率的下降到80%，这个时间是要几秒钟的时间，但是我们现在这个做法缩减到原来的1/10，
在6月份我们还在西北电网做了一个实际的大系统频率扰动，频率是真实的波动了，也可以看到因为当时那天风比较小，我们只做了惯量的体现，没有做惯量加一次调频的曲线。这个是电科院给我们的检测报告。
总结上来讲就是现在风电机组是完全可以满足现有电网标准的调频需求，当然这个现有电网调频需求对应的是国内的对于火电水电我们现在频率的要求优势还是比较大的，如果要调频的话，针对于国外的水平，根据德国、爱尔兰这个水平要求我们现在也是能够满足的，我们已经达到了和西门子同等的水平。整个风电调频的优越性在于我们这个调频功能的响应非常迅速，并且功能灵活。大家知道传统的水电火电从前面那个导则来讲它的线只是10%，风电其实是可以有条件做得更大，因为传统的机组是同步进行的，是存在刚性约束的，你调节量如果过大的话是容易产生机械振动的，这个在设备本身可能受不了，但是风电因为整个控制过程是柔性的，它允许或者我们能够做到更大的超出率。从经济上来讲风电旋转容量备用充分，不会增加过多的成本。如果我们具备调频能力的话，未来在电网，我们是可以获得一些有限上网权这样一些考量的。
对于未来的工作我们也跟大家共享一下：一是我们现在从单机到机群的惯量调频功能实现，大量的机群如果同时要做到惯量调频有一个同步性问题。二是电网适应，复杂电网下的功能的准确快速响应，因为很多电网形态并不像我们理想的那样，就像我们前面展示的仿真和录波一样，它并不完全一致，我们未来在一些真正的或者多样性的复杂电网下，是不是也能达到我们所期望的快速响应。包括风电如果像现在这种调频速度，我们和常规机组怎么配合？和电力系统稳定器以及其它的电网中互有的装备怎么搭配。三是设备能力，就是复杂运行工况下的极限能力，比如说风，未来几秒钟风变化特别多，比如说整个调解目标、调节裕度和调节参数的时变性，这是我们未来所要追求的目标。
我们现在未来的新能源发展空间还是非常的大，《巴黎协议》马上要执行，风电作为可再生能源的一部分，如何能发挥我们风电的优势？在电网中占有一席之地，这个是大家需要一起来共同努力的，谢谢大家！