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CWPE2019:運達風電許國東:基于實測數據的風電機組慣性能量支撐過程計算分析_東方風力發電網
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CWPE2019:運達風電許國東:基于實測數據的風電機組慣性能量支撐過程計算分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-28   來源:東方風力發電網  瀏覽次數:342
核心提示:2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。浙江運達風電股份有限公司副總工程師許國東在會上為大家帶來了題為《基于實測數據的風電機組慣性能量支撐過程計算分析》的精彩演講。
   2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。浙江運達風電股份有限公司副總工程師許國東在會上為大家帶來了題為《基于實測數據的風電機組慣性能量支撐過程計算分析》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  我是運達的許國東。大家看到這一題目可能是不太明白我想講什么,由于前一次我講這個題目是在偏學術性的場合,所以說我今天可以翻譯一下這個題目到底是什么意思,翻譯過來是這樣一個意思不預留功率的情況下,風電如何實現電網頻率支撐?對于頻率的支撐性,我們產業就有很大的問題,我們要不要預留功率?如果和火電其他的預留百分之幾的功率,那意味著我長期受到功率的損失,實際上我的棄風量由于這個原因又上升了,經濟指標又下降了,是不是必要的?如果電網真的是出于安全、穩定的需要一定要這樣干,那大家肯定要有點妥協,但是這是否必要?如果不是必要的話?我們為什么要忍受這么大的經濟損失?所以我想的是這個問題。
 
  通過這樣幾個方面做介紹:第一個風電對于頻率的波動作用。頻率為什么波動?是因為局部系統內有功公率輸入量和輸出量有偏差,那么右上這個圖大家可以看到,左邊的圖是一個結構,兩邊有一個電源,中間有一個負荷,負荷上升,G點頻率都會產生波動,這個波動量和你負荷端和電機距離是有關系的。圖上1點和2點的頻率本身是不一樣的,所以系統中的頻率不是一陳不變,哪怕是穩態也是不變的,而且波動的浮動和電機距離是有關系的。這樣的波動量肯定不是我們所需要的,我們需要一定的條件能力來穩定住這個頻率,那么如果我們做,可能這個頻率失穩。最近英國出現了低頻的減載大頻的情況,特別是小電網弱的情況下,頻率的波動率更大,就越需要我們有這樣的調節能力。當風電和其他的電子電源接入系統以后,我們的慣性能力越來越差了,電網的慣性能力是由你的機電系統產生的,為什么會有慣性呢?學過電機學的都知道,電機的同步轉速和頻率是剛性約束的,你轉多快頻率多大,反過來頻率想波動的時候,你也會受到電機的恒定轉速的約束,因為轉速不可能突變,但是風電這樣的電力電子的電源沒有這樣的特性,常規來說它都是電流性的特性,風電根據頻率來做的,風電的頻率是跟著電壓來的,你頻率變了它就變,所以它才有穩定性的問題。
 
  這個大家可以看到這是常規能源的,這是一個火電和水電目前線性標準的要求,它是怎么做的呢?它要求我們的水電和火電在頻率波動的情況下,要迅速地能夠發出提升它的功率,來實現一次調頻作用。但是這個一次調頻的作用大家要注意,本身是有一定的能量作用,它也不能憑空多出來,大家明白嗎?如果這臺火電機組是30萬千瓦,讓我發出35萬來是不可能的,而且也不長期,但是它的響應是多少?火電3秒,燃氣5秒達到國標值,它為什么需要這樣的時間?這都是有道理的。就是因為火電的鍋爐壓力不允許突變,如果它跑得更快的話,它設備本身的安全性就有問題。水電機組合水頭也不能突變,所以是這樣的物理因素制約使得它不能這么快,不是它不希望更快,大家明白了嗎?是它做不到,做得最好也只能到15秒。但是大家看到這個要求是針對風電的要求,國外的要求是10MW以上的風電項目必須具備暫態頻率支撐能力,要求是10秒,右邊的是  愛爾蘭的要求,要求支撐15秒鐘。國外局部地區已經出現了這個東西,比如說我們看右上的圖,這個是兩個國際的廠商,一個是Enercon,一個是GE,他們出的也是暫態,一段時間的頻率支持。當然Enercon做的是恒定功率的支持,GE可以做到近似的慣量支持,右下的是西門子所做的,不同風速大小的情況下,我在一段時間內,比如說10秒我可以實現不同功率增量的支持。這都是國外的做法。
 
  但是大家看看真實的頻率,電力系統的頻率擾動是左邊這個圖的樣子,從頻率的恒定點50赫茲跌到最低點,大概是5—15秒的時間,如果系統越小越薄弱,你接下來的時間又快,如果系統比較強,時間就慢。那么在這樣的情況下,如果我風電想要支撐電網頻率是有兩種做法,第一種是右上那個圖,比如說慣量,為什么會有這樣的圖,為什么會出來?是因為常規的能源機組,我們的火電機組,水電天然是頭部慣量,只是這么粗的,它只能這么粗,并不是他覺得這么好,是它只能粗成這樣,物理天然的屬性是這樣的。右邊這個圖我們是和西門子和Enercon的做法,實現一定增量固定時間的支持。我們用這樣的一些方法來實現對頻率最低點的支撐作用,我們希望頻率最低點的低位能夠被抬升,我們不希望因為頻率低到一定的水平上,低頻是要減載的,電網要把很多的負荷遷出去,事實上就是停電。從右邊的圖相比較來講,實際上慣量所實現的時間是做不到5秒以上的,比如說我們固定一個H時間,火電時間是3秒或者是 5秒,固定慣性時間常數做到這個時間,但是支撐常數達不到,或者是難以實現對真正頻率最低點的支撐作用。我們只有采用右下的圖,拉到我所需的長度才能支撐最低點,而這個時間在風電的控制作用中它完全是可調節的,你需要多長再定量我是可以實現的。這是我們在現場所做的一些實驗,一種是這個場景不預留功率的,左上的這個黑色是P有功率,做完這個功率支撐以后我肯定會出現一個凹坑,大家知道能量是守恒的,我無非是把一段有功的能量挪到前面的時間,但是不能新增能量,甚至是我是后面這個坑比前面大,原來我是跑在最佳功率曲線上的,挪用了這個功率是偏離了這個最低點,它的缺口一定是變大的,大家都可以理解,一個是預留功率的,一個是不能預留功率的。大家看到這條線左上是一條直線是平的,這時候它沒有這個凹坑,但是這個凹坑是有代價的,你沒有需要進行支撐的時候,我始終預留這個功率,一臺2MW的機組預留10%的功率,它的滿功率只能跑到1.8%,這是大家想看到的嗎?一天可能只支撐1—2回,但是一天24小時都預留嗎?但是不預留會有什么樣的問題?當我們不預留的時候,產生凹坑的時候,有功功率進一步下降,這時候頻率的下降就是因為有功的發出不如有功的消耗,這時候頻率產生第二次低點,這是系統肯定不愿意接受和面對的。對于不預留的功率形式,反對聲音最大的就是這個凹坑。你在恢復的時候產生的功率缺額會產生下降,電力系統就是不愿意看到這個,但是現在有一個問題,這個坑到底會多大?實際上我看了國內很多的專家討論,或者是碩士、博士論文在討論這樣的問題,都是在討論如何實現支撐,或者說我們是講控制,如果我預留功率,在轉速上怎樣優化控制,從來我就沒見過這個坑到底多大。我有一個想法,如果我們能夠知道這個坑它會有多大,它是不是就可以其到現實的支撐作用。比如說我這個火電是15秒以后能夠起來,我風電支撐到15秒后退出,兩者的量化關系能夠量化起來,那這樣的話就是有可支的情況了。
 
  以往很多專家在講的時候,都講坑,但是坑和增量到底是什么樣的量化關系從未說清楚過,有說兩倍的,有說三倍的,還有說五倍的,就是因為這種模糊性造成了它的不可用性。我們想解決的就是這個問題,想解決這個問題是有幾個前提。這幾個前提就是風機到底是怎樣的,它這個時候卸裝能量會怎樣,這個是一個功率曲線的采集的情況,當然就告訴大家風的特性,風電機組的氣動性能是受到很多外在因素的影響,風電發電機組的發力曲線是很大的數據統計歸納出來的數據,一條線,并不是時時刻刻都在這條線上,當然可以受到很多因素的影響。比如說受到剪切和湍流的影響。比如說現場測量一臺機組,我們非常需要標準的地形,湍流多少,溫度不能相差太大,溫度要校正。但是對于真實在運行的風電廠不可能每臺機組都是這個類型,真實的機組怎么辦?比如說我們很有可能受到冰凍、限功率和噪音控制的影響,進而影響我的功率表現。這時候就是說它這個情況是比較復雜的,但是是不是情況復雜我們就不能辦,那么我們想到的是這樣一個方法。右邊第一個圖大家知道這是風力發電機組特性的圖,用公式來表達它的Cp能動曲線是怎樣的,這個公式實際上表達的是診斷,但是事實上我們需要用到的不是診斷,我不需要用那么大一段,我只需要用到,比如說功率支撐的時候我只需要用到紅圈的那一段,所以我們想了一個辦法在紅圈的那一段里面我們是可以根據運行的數據,比如說這個機組在這個扇區你運行的數據我是可以倒推出這個功率曲線的表達的,而且它也沒那么復雜。像這樣的情況下,我就可以知道每一臺機組雖然我一個風廠的機型是一樣的,但是每個機組在每個扇區的功率表達是不一樣的。得到這樣的擬合公式,就能得到另外一個慣性能量的確定性關系,大家知道這是功率增量支撐時它的運行軌跡上的關系,比如說在1這個點上,我們這個風電機組增加了一個能量,叫Delta(德爾塔)PUP,這個到一定的能量我的轉速下降,下降到3點以后退出這個運行,退出的前提是什么?為什么恢復到之前的狀態,它的轉速必須上行,上行的前提條件是我輸入的能量一定大于我輸出的能量,我從葉輪吸收的能量是大于我輸入的電功率,這樣的轉速點能夠恢復到原有的狀態,這是肯定的。從4恢復到1,這個過程中有怎樣的關系呢?可以看到原來的風電機組的控制都是風速變加有一個極速的特性,然后我們增加了Delta,然后它嵌入的是有功功率增量,只不過增量在過程中你是怎樣調節的。然后我們可以看到整個能量的關系是怎樣的呢?從能量平衡的角度來說我們有什么?第一個在這個過程中我們吸收了氣動能量,吸收風能量,轉速發生了變化從高的轉速降落到低的轉速,中間是有動能的變化。第三個方面是什么?我們有一定的損耗功率,我們在極限損耗、電損耗有一定的損耗,第四個能量是我們的支撐功率,我們支撐出去的電功率也是相對的,能量關系上應該是平衡的,因為能量沒有產生變化,輸入、輸出就這些,它一定是為零的,會平衡掉的。輸入動能的變化、輸入能量變化,吸收能量和損耗能量最后是一個整合的關系。這樣的條件下我們做了一定的假設,假定風速在15秒內不變,那么我們可以得到這樣的式子,在對于Cp在確立點上,偏二級偏導數就得到這樣的結果,Delta的氣動能量最后表達是這樣的公式,就是可以算出來的。從前面的那一頁來講大家知道什么都不能算,只有Delta的氣動能量是有一定的不確定性,其他的慣性能量和轉速都知道,測轉速就知道慣性能量變化多大,作為損耗功率做過實驗和測定一下就知道,你的功率增量是你設定的。只要得到了Delta的氣動能量,就能推出Tspt和Pspt的量化關系,這就是我們做工作的這樣一個基本前提。所以通過這樣的式子是能做出來的。
 
  我們最大的結論是在確定起始狀態、支撐功率幅值、機組氣動特性和轉速邊界條件的情況下可以求得功率支撐時間Tspt。如果我們要增加10%的功率增量,在其他條件給我的時候,我都知道這種在做功率支撐的時刻,我就可以告訴你我能支撐幾秒鐘,或者是你讓我支撐十秒,我也可以告訴你我能支撐5%還是7%還是10%,當然另外一個方面,從第二個推論來講是這樣的,就是說有的時候現在魁北克的要求功率缺口的深度不能超過20個Pn,對于功率缺口的深度是有要求的,那怎么辦?實際上也是可以的,當你要求功率缺口深度的時候,意味著我這個轉速,功率缺口深度和轉速相關的,告訴我功率缺口深度意味著我最終的轉速是多少,然后我們也可以得到支撐能量的關系,比如說功率缺口深度不能超過20%,我也可以告訴你在多少時刻我多少功率缺口深度上堅持多少時間,建立這樣的量化關系實現作用,為電網的頻率支撐起到真實、有效而且是經濟性的作用。
 
  這是我們所做的測試驗證,做了一個頻率的缺口,最后它是這樣的結果,Tspt,我們這里是Piack(功率缺口),這時候轉速是比較線性的,風速基本不變的情況下。我們實測的功率缺口,比如說這個Piack,功率缺口大于臨界值,轉速才恢復上行。從我們的計算來講,實測的Piack比我們的臨界值大了40多千瓦,這時候得以恢復上行。另外我們做了后面的計算,我們考不考慮CP的變化,前面我們講Cp是變化量,我們辨識了這個Cp,如果辨識了Cp和不辨識Cp我們得到了怎樣的結果,我們就得到了這樣的結果,我們考慮增量的時候,考慮Cp變化和不考慮Cp變化,在支撐實現功率增量可能最大差兩秒,當然這和轉速相關,它是有線性變化的,誤差逐漸會變大的,這就是我們所做的這樣一個結果。整個來講我們是希望這樣的,我們希望火電和風電在實現頻率支撐的時候,它是一個接力棒的作用,但是以往來講沒有說清楚什么時候把棒子交出去。以及它接過去的是一個什么樣的棒子,所以我們希望通過我們這樣一個工作能夠說清楚這樣一個問題,我們希望傳統電源和風電目前能夠是有協同、有效而且是經濟地實現這一頻率作用的。我們風電都是預留損失過于大了,但是我們做這個假設的前提是什么?15秒鐘的時間內,風速是不變的,大家可以說也許我這個假設過于理想,不可能不變,但是一臺風機當然它不可能不變的,如果是一個風廠呢?如果往外推到一個風廠或者是機群、風廠群,一個區域內15秒風速不變,也就是功率表現基本上有一個確定性,這完全是可以實現的,或者說并不是那么離譜。
 
  從工程應用上來說,我們想說的是你要可知你的功率對象,你能可知才能可控,能可控了才能可用,這就是可知的問題,這個我們想通過我們的方法講清楚,謝謝大家!
 
  (內容來自現場速記,未經本人審核)
 
 

 
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