風電并網(wǎng)問題探討

1、North China Electric Power University 大規(guī)模風電并網(wǎng)的主大規(guī)模風電并網(wǎng)的主要問題及新技術要問題及新技術2河北風電裝備技術路線圖會議我國風電并網(wǎng)發(fā)展特點我國風電并網(wǎng)發(fā)展特點123大規(guī)模風電并網(wǎng)面臨問題大規(guī)模風電并網(wǎng)面臨問題大規(guī)模風電并網(wǎng)的新技術大規(guī)模風電并網(wǎng)的新技術3河北風電裝備技術路線圖會議 大規(guī)模 經(jīng)濟增長和能源需求使中國成為世界上最具發(fā)展前景的風電市場 能源局擬將2020年風電裝機容量規(guī)劃提升到1.5億千瓦 規(guī)?；l(fā)展也使風電成本不斷下降，逐漸接近常規(guī)能源。 高集中 甘肅、內(nèi)蒙等六省區(qū)七個千萬千瓦級風電基地的規(guī)劃 河北省千萬千瓦級風電基地規(guī)劃總裝機容量

2、為1078萬千瓦，其中張家口地區(qū)規(guī)劃裝機容量為713萬千瓦，承德地區(qū)規(guī)劃裝機容量為320萬千瓦，沿海地區(qū)規(guī)劃裝機容量為45萬千瓦。 遠距離 風能富集地區(qū)均屬偏遠地區(qū)，負荷小、火電水電少、電網(wǎng)薄弱 須遠距離輸送至電網(wǎng)負荷中心，最大輸送距離超過1000公里。4河北風電裝備技術路線圖會議 我國正在建設世界上最強大的電網(wǎng)系統(tǒng) 發(fā)電裝機容量截至2009年底，全國發(fā)電設備容量87407萬千瓦， 其中華北、東北、華中、華東都接近或超過1億千瓦 世界上電壓等級最高的交直流輸電工程 特高壓發(fā)展：到2015年建成華北、華東、華中（“三華”）特高壓同步網(wǎng)，形成“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”。 高壓直流輸電：用于水電的西電東送出

3、和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián) 風電集中的地區(qū)是電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，其發(fā)展速度遠滯后于風電發(fā)展。 風電送出項目已列入電網(wǎng)公司“十二五”規(guī)劃。 歐洲規(guī)劃超級電網(wǎng)整合新能源5河北風電裝備技術路線圖會議6河北風電裝備技術路線圖會議 內(nèi)蒙古電網(wǎng)通過兩個通道共四回500千伏線路向華北電網(wǎng)送電。 規(guī)劃在十一五末和十二五期間建設臨河北等9座500千伏風電匯集站、多條輸送風電的500千伏線路及多個匯集風電的220千伏輸變電工程，總投資超過百億元。 內(nèi)蒙古自治區(qū)規(guī)劃多個百萬千瓦級風電基地，風電接入電網(wǎng)距離少則幾十公里，多則一、二百公里以上，風電接入單位投資達到火電接入的30倍以上，電網(wǎng)投資能力不能 滿足風電發(fā)展的需要。為風電接入，

4、電網(wǎng)不但需加大500千伏主網(wǎng)架的投資，而且需進一步加強電網(wǎng)結構和電網(wǎng)改造，從而加大電網(wǎng)投資壓力。 國家電網(wǎng)已于2008年3月開工建設蘭州-酒泉-瓜州的750kv超高壓輸變電工程項目，風電基地電能送往東部地區(qū)的電力負荷中心 7河北風電裝備技術路線圖會議 問題產(chǎn)生原因： 風電：清潔的劣質(zhì)電源，不可靠、不可預測、不可調(diào)度 電網(wǎng)：電源結構不合理和電網(wǎng)建設的相對滯后 “建設大基地，融入大電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃與歐洲“分散上網(wǎng)，就地消納”不同，大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的理論和技術難題，對電網(wǎng)公司是嚴峻挑戰(zhàn)，同時對風電設備的發(fā)展也提出新的要求。8河北風電裝備技術路線圖會議 間歇性風電對電網(wǎng)的影響：惡化系統(tǒng)電壓水平

5、、導致線路傳輸功率越線、系統(tǒng)短路容量增加、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變 電網(wǎng)末端電能質(zhì)量對風場影響：電網(wǎng)擾動導致風電場的解列，不平衡電壓會造成機組振動、過熱。9河北風電裝備技術路線圖會議 電網(wǎng)：接納風電技術手段和經(jīng)濟政策的努力 加強風電地區(qū)電網(wǎng)建設及風電輸送線路建設 調(diào)整電源結構，風電、水電、火電及儲能的優(yōu)化運行與打捆輸送 建設抽水蓄能電站，研發(fā)新型儲能技術 配置能適應間歇性電源的負載 提高電網(wǎng)對風電的調(diào)度管理能力10河北風電裝備技術路線圖會議 風電產(chǎn)業(yè) 風電機組及風電場的建模 風電場的能量管理系統(tǒng) 變流器的控制系統(tǒng) 風電基地中風電場的聯(lián)網(wǎng)技術11河北風電裝備技術路線圖會議 風電機組及風電場的建模 機組

6、模型：作為機組性能和特點的展示方式之一，揭示聯(lián)網(wǎng)運行風電機組的動態(tài)特性，尋找設備本身的優(yōu)點和不足，提供改進建議； 風電場集總等值模型：研究電網(wǎng)允許風電接納能力、電網(wǎng)潮流計算與無功優(yōu)化計算、風電接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響等、風電場的無功電壓和有功頻率特性分析。12河北風電裝備技術路線圖會議 風電機組及風電場的建模 電力系統(tǒng)分析軟件：BPA、EMTP、PSS/E、PSASP、DIgSILENT等 DIgSILENT提供風力發(fā)電機仿真模型，但并不完善，也不能適用于不同廠家機型 由于風機類型的多樣性、參數(shù)復雜，風機廠商需自己開發(fā)仿真模型，并經(jīng)過實際運行數(shù)據(jù)驗證。13河北風電裝備技術路線圖會議雙饋電機及轉

7、子側換流器控制模型: 原動機模型軸系模型*槳距控制*旋轉坐標表換*電流測量*電壓測量StaVmea*保護模型ElmPro*風機模型*vw最大功率跟蹤ElmMpt*功率控制ElmGen*Qref電流控制*雙饋電機模型ElmAsm*功率測量StaPqmea雙饋電機及轉子側換流器控制模型: cosphim;sinphimomega_turiq;idptPwindbetapsis_r;psis_iIrotIfq;IfdubypassP;QIfq_ref;Ifd_refPrefPfq;PfdspeedPmq ; PmdDIgSILENT雙饋風力發(fā)電機組主電路的PowerFactory模型 雙饋機組控制系

8、統(tǒng)的PowerFactory模型框圖 14河北風電裝備技術路線圖會議功率控制模型: 測量延遲測量延遲無功功率控制有功功率控制mag limiterMax0101non-windup PIKp,TpMaxIfqMinIfq01(1/(1+sT)Ttr-non-windup PIKq,TqMaxIfdMinIfd01(1/(1+sT)Ttr功率控制模型: 1234010Ifd_refIfq_refb ypa s.QQrefPPrefDIgSILENT轉子側電流控制模型: 限幅環(huán)節(jié)測量延遲測量延遲Non-Windup PI 控制器Non-Windup PI 控制器Module LimiterMax0

9、101non-windup PIKq,TqMaxPmqMinPmq011/(1+sT)Tr1/(1+sT)Tr-non-windup PIKd,TdMaxPmdMinPmd01轉子側電流控制模型: 2134001PmdPmquduqyi1yibypasso16IfdIfd_refIfq_refIfqDIgSILENT網(wǎng)側換流器控制模型: 網(wǎng)側換流器ElmVsc*電流控制ElmCur*iq_refdq坐標變換ElmDq-*旋轉坐標變換ElmDq-*直流電壓控制ElmDc *udc_ref直流電壓測量StaVmea*電流測量StaImea*鎖相環(huán)ElmPll*,ElmPhi*網(wǎng)側換流器控制模型:

10、PmiPmrPmdPmqidiqsinph.cosph.udciiirid_refDIgSILENT有功無功功率控制模型 轉子電流控制模型 網(wǎng)側換流器控制模型 15河北風電裝備技術路線圖會議 風電場能量管理系統(tǒng)（EMS） 具有風電場的監(jiān)控、功率預測、風機有功無功協(xié)調(diào)控制功能，可以與電網(wǎng)調(diào)度的AGC、AVC系統(tǒng)接口，使接入風電場與接入地區(qū)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)配合運行。 包括SCADA系統(tǒng)、風電功率預測、風電場并網(wǎng)控制、風電場有功出力控制、風電場無功出力控制、風電場頻率調(diào)節(jié)控制、風電場電壓調(diào)節(jié)控制、故障診斷等模塊。16河北風電裝備技術路線圖會議 電網(wǎng)友好型風電場（Grid Friendly Integra

11、tion of Wind Turbines） 并網(wǎng)和離網(wǎng)控制 有功變化率控制：限制風場風速變化時的有功變化率 故障穿越能力：電網(wǎng)擾動時不切機 調(diào)節(jié)風電場電壓和功率 頻率響應控制：一次調(diào)頻 提供無功支持 當系統(tǒng)電源或負荷變化時提供慣性17河北風電裝備技術路線圖會議 GE公司的風電場管理系統(tǒng)模塊 WindSCADA WindVAR WindCONTROLTM WindFreeTM Reactive Power WindRIDE-THRUTM WindINERTIA18河北風電裝備技術路線圖會議 變流器控制技術對電網(wǎng)動態(tài)支持 拓撲結構和有功無功解耦控制已經(jīng)成熟 存在問題：隔離了發(fā)電機對電網(wǎng)的頻率響應

12、，相當于減小了電力系統(tǒng)慣性。 電力系統(tǒng)慣性：反映了系統(tǒng)阻止電源或負荷變化的能力。 所有同步發(fā)電機和部分負荷對系統(tǒng)慣性有貢獻19河北風電裝備技術路線圖會議 變流器控制對電網(wǎng)動態(tài)支持 低頻功率振蕩是大型同步電力系統(tǒng)常見問題 風電電源遠離負荷中心，長距離跨區(qū)輸送電力可能影響整個系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。 系統(tǒng)慣性減小后，功率突變引起頻率的變化量增加，影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。 虛擬慣性技術：在獨立的有功無功控制上增加頻率調(diào)節(jié)器和PSS輔助環(huán)節(jié)20河北風電裝備技術路線圖會議Outer control loop diagram of VSC for network supportSupplementary cont

13、rol loop for frequency regulation Supplementary control loop for PSS21河北風電裝備技術路線圖會議動態(tài)頻率支持 (a)無虛擬慣性環(huán)節(jié) (b)有虛擬慣性環(huán)節(jié)PSS (a)無虛擬慣性環(huán)節(jié) (b)有虛擬慣性環(huán)節(jié)22河北風電裝備技術路線圖會議 風電基地的風電場互聯(lián)多端直流系統(tǒng) 大型風電基地尤其是海上風力發(fā)電場的迅速發(fā)展，對傳統(tǒng)輸電技術提出了新的挑戰(zhàn)。 容量增大，對輸電系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性要求更高 直流輸電優(yōu)勢有： 快速的功率控制； 直流電網(wǎng)沒有無功環(huán)流和穩(wěn)定性問題。23河北風電裝備技術路線圖會議 風電基地的風電場互聯(lián)多端直流系統(tǒng)電壓型直流輸電的優(yōu)勢： 可連接無源網(wǎng)絡和弱交流系統(tǒng)，不會出現(xiàn)換相失敗； 可實現(xiàn)獨立的有功和無功控制，可控性更好； 功率反轉時電壓極性不變，易于構成多端直流系統(tǒng)。24河北風電裝備技術路線圖會議 風電基地的風電場互聯(lián)多端直流系統(tǒng) 研究多端直流系統(tǒng)的意義： 當VSC用于百萬千瓦大型風