DNV-GL：论风场电网的适应性
2014-10-28 13:58:14 来源：中国船舶与海洋工程网信息中心

　2014北京国际风能大会暨展览会于10月22日在北京新国际展览中心开幕，本届大会以“和谐共赢，构筑稳健的风电市场”为主题，讨论如何在风电产业链上下游之间构建和谐共赢的关系，如何促进风能与传统能源和谐发展，以及如何通过技术进步和政策设计构筑稳健的风电市场。10月22日下午，来自DNV-GL的孙寅博士针对风场电网适应性的问题展开演讲，下面是文字实录：

　　王霁雪：接下来的演讲嘉宾是来自DNV-GL的孙博士。

　　孙寅：大家下午好，我叫孙寅，来自DNV-GL，现在我是在读博士。简单的介绍一下今天要演讲的题目，首先介绍DNV-GL，然后会对风场电网适应性做一个整体的介绍，给出一个具体的案例，最后给一个总结。大概介绍一下DNV-GL，最近我们公司整个并购，包括整个合并非常多，我们现在自己是最大的认证验证以及咨询公司，主要有以下这些品牌，包括DNV，GL，KEMA，NOBLEDENTON，GARRADHASSAN，ADVANTICA等，我本身是来自第三个品牌，即最早来自于荷兰的电网实验公司，主要是做电网的分析，而我本身也是电网出身。现在公司规模达到16000人，分布在100个国家，在各个国家都有办公机构，约有150年的历史。今年是我们公司150年的庆典，公司会通过系统提升公司内部的创新，包括和业界的合作。我们有九个战略研发的题目，我本身是属于中间那个，POWER SYSTEMS ELECTRIFICATION，我们在海洋运输，包括信息化，包括最近美国的台风我们也有研究，包括低碳，以及医疗等。整个集团架构划分成四大事业，海工、石油、能源、商业咨询，我是属于能源部分。最后我自己转到研究这块。

　　进入今天的主题，主要是风场的电网适应性的介绍，对中国和德国的电网适应性问题的回顾。首先介绍一下德国整个电网适应性，德国提出的是一个叫做System dienstleistung的风场辅助服务，相当于电网公司设定整个资金的一个库，任何风场如何负责了德国电网适应性的要求，这里介绍了五种要求，包括在风场故障下的稳定、频率的稳定、谐波控制，还有风场的运营等，当这些满足了每发一度电可以从德国政府拿到一部分的补贴。它有TR3，TR4，TR8规划，TR3是技术设计，TR4是验证部分，TRE是整体电气性能的认证。当你的风场都满足这些认证，就可以得到德国政府给的补贴。TR3，TR4，TR8主要基于德国的一些电网的导则，配网是BDEW 2008，它通过可再生能源法进行规范，SDL Wind实际上不是一个法案，是一个管理措施，通过这个系统，它可以帮助风场更好的适应电网，也是优化电网的一个过程。从Mita来的这位先生提到，单机优化很重要，风场优化显得更加重要一些，所谓的TR8是所谓技术指导规范，通过测试单机的电气性能，通过单机的电气性能以及建模实现认证的过程，这个认证的部分出具一个报告，这个报告同时会出具厂商发电的单机模型，可以通过对系统进行整个建模，再对系统包括有功无功以及BDR穿越这些性能进行验证，通过这样一些验证对电网也是一个很好的一个认证的过程，电网就知道这个风场是符合它的要求。包括TR8里头提到的很多电网导则，都是电网可以向风机业主提供的。

　　电网对无功以及有功都有要求，可以通过电网要求的不同，可以给风场要求不同的曲线需要满足，这些曲线实际上是很多风机在一起需要满足的曲线。从中国电网的标准来看，它的整个要求会相对简单一些，它对单机的要求是正负0.95，这个要求其实和德国的配网要求是温和的，原因之一是因为配网整个并网的要求不会过多，因为配网并它的数量不会发达，一个是对配网的整个冲击小一些。不同在于德国的配网要求0.95不但在满发的时候能够满足功率要求，在10%的时候其实很好满足，因为从计算也可以看出来，当风机只有10%，特别是直躯风机，有很多的余量可以提供无功，实际上没有太大的挑战。

　　说一个简单的案例，蓝色的曲线实际是电网要求的，红色的曲线在某些风场如果进行计算，以及作为仿真，它其实经常是不满足要求的，这些不满足要求主要都是在于可以看到，这个曲线横向X轴是无功，纵轴是有功。那么，在有功发出满发的时候，无功经常是发不出来的，原因是变频器有一定的能量，而且变频器的固载能量非常有限。这样给风机就要考虑到需要降低它的有功输出以及增加无功的设备在风场，还有需要改变电压。实际改变电压是很有意思的一个行为，在你如果能改变你的出口电压只有5%，或者10%，经常可以使它满足要求，这样可以节省很多成本，因为国家电压并不需要有关的设备。

　　在动态补偿，可以看到左边红线代表中国的动态补偿，包括它的低压穿越的曲线，右下角是整个德国的低压穿越的曲线，从中国部分可以看出，它对低压的要求还是低一些，它的整个反映实际是75毫秒，对大部分的电力电子来说，技术上的难点相对低一些，特别是对风机本身来说，技术难点也比较低。可以看到德国的整个要求，它的曲线分两表线，线一以及线二，线二可以看出，电压要求甚至电压跌到零，整个要求所有风机都要满足第一条线，相对要求比较低。如果第二条线，能满足它最好，如果介于一线和二线之间，它实际上给了一个谈判的空间，电网和风电开发商，如果实在没有办法满足第二条线，介于第一条线和第二条线中间，是有谈判的余地。介于中国这种要求，基本上没有谈判的余地，因为基本上你就要符合这个，实际上已经降低了这个要求。最关键是德国的无功补偿要求在25毫秒之内提出来，一般最低也就大概10毫秒，这是一个很高的要求，甚至需要提前有一些预判在里面，如果风机满足不了这些要求，完全要以来电场中的无功补偿。

　　这里提供了一个简单的仿真，仿真用的风机是直躯风机，虚线代表的是风机厂商自己提供的模型，实线代表的是自带的模型，这种通用的模型和厂商模型大概有多大的区别，无功补偿基本上是一样的，有功差距比较大，整个电压跌落是利用中国电压跌落的标准，根据这个电压跌落，可以看到它的有功的捕捉是非常差的。原因之一其实是因为在有功的时候它对控制器，也就是对变频器还是有一定的要求，变频器的要求都是属于厂商自己的，所以它变频器的算法趋近于等同。这里面实线是厂商的双馈机型模型，厂商和通用模型可以看出来，在有功整个的捕捉还是会相对差一些，在无功捕捉的还是相对比较好。如果从风机优化的角度来说，对变频器的要求不是很多，但是从电网波动，对变频器的要求很高。后面有一个事例分析，它的有功的上升，直接决定电网是否崩溃，这一块要引起重视。

　　最后，我大概简单的讲一个案例，我们做的整个的设计，现在这个项目还在进行。这个项目是LTWP，是在飞机的肯尼亚建一个大型的风电场，之所以选择这个位置是因为这个位置的风能资源非常好，全年满发的时间大概能达到4000小时以上。整个肯尼亚电网，这个是2011年电网大概的一个简图，2011年的时候，它电网整个是非常弱的，对并网是非常有挑战的，整个电网的整个容纳能力，整个电网的负载大概1000兆瓦，整个风场大概300兆瓦。绿色显示需要并网的一条双回路的架空线，给并网带来极大的挑战。这个图风机是靠左边，33千伏的升级电网，有一个DRPC，右侧是电网，中间是一个400公里的架空线，它的性质直接决定电网的难度。这里面主要需要考虑的是电网故障情况下风场的自适应以及风场通过无功补偿保证电网的安全，在一秒的时候引入三相短路，在左侧的电站，100秒以后切除，把这个架空线切成一条，可以看出架空线的特性有一个强烈的有功和无功的特性，满载是大量需要吸收无功，空载的时候大量产生无功，无功空载到满载的过程，给电网造成极大的无功的冲击，很有可能造成电网整个的崩溃。

　　这里提供的是一个简单的仿真，实际这个是我们当时，现在还是在用这个维斯塔特的V52，是很老的一种机型，对于非洲人来说，考虑用这个机型，他不会觉得这个很小，因为那个地方地不是问题，插多少风机，其实不是太大问题，如果中国这种发展，地很有问题，需要一个大的风机。当短路切除一条线以后，另外一条线会从半载到满载，需要大量的无功去支撑，这里面工会提供大量的无功，中间的图红线代表网测的变电站的电压，当时最低会跌落到0.9，甚至会跌落到0.85，对电网整个来说是无功的冲击。这个无功的冲击，实际是由风机的有功的恢复曲线造成的，风机的第一反映是切除，如果是直躯风机有一个通过电容放电，把这一部分多余的能量，吸收能量就放走了，如果是双馈，它直接就是短路电路。当故障切除以后，当你的控制恢复以后，很多控制是PAD控制，一个PAD控制最大的就是它有超调(音译)，如果有贵大量超调，有功大量没办法满足，对电网来说，造成的就是极大的冲击，这时候对你的控制也是有一定要求。当你风场需要并网的时候需要考虑这些。这是我们做的很精细化的一个设计，设计余量留了很多，原因之一是因为这是一个敏感的电网，你的设计余量一定要足够大。

　　因为这个算法在进行，我们现在考虑的一个问题就是利用Hardware，需要是硬件的闭环的仿真，这样可以降低你设计的风险以及提高整个系统的稳定性。这样可以保证风场的正常运行。当风资源大量的引入，当风能快速发展的时候，全世界的TSO、DSO都在很快速的应变这个问题，它也会提出很多新的一些技术的标准，第三方的认证将有效的降低整个项目的风险以及提高对项目设计的认可性。这些风险，包括在德国的德标里面的技术标准，TR3，TR4，TR8，这些中国现在在做的主要是TR3的部分，TR4和TR8一个是建模，一个是风场认证，这两个部分还没有做的太多。低压穿越，因为我们事故已经发生了，实际上低压穿越问题研究的很充足，包括变频器里也没有什么太多的问题。包括电网对风场的要求，这部分中国也做了很多的工作。可以看出，关于电网的适应性，中国电网相比德国来说相对宽松一些，在动态补偿方面，通用的风机模型需要继续发展，从我们本身DNV-GL做认证这么长时间，德国认证了大概上百个风场，可以看出各种厂家它的模型有好有坏，然后有一些通用模型，这些通用模型如果你是懂，你可以把它调整到跟厂商模型一样，厂商模型提供的越好，其实对风场开发也是越有利，因为这样会加速你风场的并网的能力。尤其到海外可以看出，如果任何风机要出口到海外，你不熟悉当地的电网标准，每个国家都有自己的电网标准，这将给中国的企业造成极大的挑战。

　　第二个是硬件在环控制，这是我们一直在研究也一直在做的，我们做的测试，因为我们本身是电网测试，主要做电网的一些硬件在环的测试，可以降低风险，提高设计的可靠性，以及考虑到电力系统大量的动态的行为。这样可以有效的提高整个系统的可靠性。谢谢大家!

　　王霁雪：谢谢孙博士，这是2009年以来中国一直面临的非常严重的问题，大家都在考虑的一些解决方案。哪位还有问题?

　　孙寅：电压是最主要的问题，尤其在电压比较低的地方，而且在中国这些电气的一些高等学校他们也做了很多研究，他们的研究最大的一个限制就是电压的稳定性，不是频率的稳定性，而是电压的稳定性，我可能这个地方显示的不是很准确。

　　Nigel Crowe：还想澄清一点，你之前刚刚说了这是直躯。

　　孙寅：它是直躯的发电机，其实是一种比较老式的，现在好像已经停产了，还是工厂已经倒闭了，这个之前是出口非洲，援助非洲用到的，现在在中国可能见不到了。