12月21日-22日，由中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會主辦的第二屆風電設備質(zhì)量與可靠性論壇在北京裕龍國際酒店隆重召開。
遠景能源智能風機解決方案負責人張軒出席會議并發(fā)表了題“風機大規(guī)模并網(wǎng)穩(wěn)定性問題分析及解決方案”的主旨演講。
以下為發(fā)言內(nèi)容：
張軒：各位領導、各位專家、各位朋友大家上午好。今天的主題就是我們的風機，或者新能源行業(yè)，尤其是電力電子設備接入容量越來越多的情況下，會對電網(wǎng)造成什么沖擊，以及我們的認識還有他的解決方案是什么，所以我這兒主要是針對風電行業(yè)，關于我們最近在學術界比較人們的問題，我們是怎么分析的，怎么解決的。
分成三個部分來講我的專題報告，一個先給大家有一個感性的認識，加入風電，光伏之后危害是什么，第二跟大家討論一下機理是什么，第三個我們遠景能源方案都有哪些。首先我先講第一部分，大家可以看到，在最開始的時候，還沒有到風機，最開始的時候電力系統(tǒng)對次同步振蕩有一個定義的，我們都知道，頻率就是50赫茲電網(wǎng)的頻率，美國60赫茲，引發(fā)振蕩的時候有50核子、20赫茲。這是當時1970年的時候，美國火電廠發(fā)生了問題所以那個時候他們就開始研究，到了21世紀的時候，新能源大規(guī)模介入。本來在美國搞的差不多了，結果在21世紀新能源介入之后，又出現(xiàn)了一些問題。
咱們看一下他的幾次事故，1970年的時候和新能源沒什么關系，在美國有一個電場，產(chǎn)生了次同步振蕩問題。搞火電的大家應該知道，里面有很長的軸，軸除了發(fā)電機帶動的之外，還有高速軸、中速軸、低速軸。除了50赫茲之外會有其他的頻率，會產(chǎn)生扭振，軸會產(chǎn)生損害，這就是非常大的事故了，發(fā)電機就必須停機了。結果到2009年的時候，這個時候跟風廠有關了。從電路分析來看，振蕩導致大規(guī)模風機的脫網(wǎng)。接下來我國有兩個安全生產(chǎn)事故，一個2012年，一個2015年，我們平時也往現(xiàn)場跑，實際上小的振蕩沒有引起重視，如果說我們真的研究這行的話，會發(fā)現(xiàn)很多時候是振蕩引起的。
現(xiàn)在風電的光伏，有了振蕩之后，就會產(chǎn)生大規(guī)模的脫網(wǎng)，而且還會導致本身原有的發(fā)電設備產(chǎn)生故障，最終導致電網(wǎng)的安全事故。這就是一個案例，風電廠原來在這個地方，因為我之前因為咱們都是電力設備的專家，所以我有些東西講的比較具體，這兒我就比較淺的說一說，大家有什么問題可以問。本來這兒接了風電廠之后，有一個串聯(lián)器，電感剛好跟電容形成一個電路，正電阻的話抑制就會衰落，如果這個地方，在純電阻方向如果是負的話，就會有一個振蕩。當時產(chǎn)生了這樣一個機理，振蕩起來了，所有的風機全部脫網(wǎng)。
這是2015年新疆哈密地區(qū)，是非常重大的一個事故，當時也有很多國家的各個方面，當時都在做這方面事故的調(diào)查和分析。從電力電子角度，或者從風機的角度，這個風廠會產(chǎn)生什么呢，他的負阻抗特性由變頻器產(chǎn)生的，產(chǎn)生的頻率不光是有次同步振蕩的頻率，而且同時他和當時幾百千米之外的火力發(fā)電廠，他們的共振頻率是相同的，而且頻率這個東西和電壓幅度不一樣，電壓幅度比如我這兒有一個一百千伏的，過了多遠之后會衰減。這個就傳播了電壓，和他們的中速軸產(chǎn)生了共振，產(chǎn)生了共振之后，直接導致了當時電廠全部都停機了，還好他旁邊是有一個高壓輸電，帶有了保護系統(tǒng)。剛好帶了之后，僅是進行了停機，全部停機，但是對當時的火力發(fā)電機組沒有什么損害，他這兒有三個頻率，其中一個頻率是30赫茲，和中速軸是一樣的。
接下來，剛才給了大家一些例子，在這兒可以看出來，電網(wǎng)現(xiàn)在有一個新的運行環(huán)境，這個環(huán)境和以前不一樣了。上世紀70年代的時候，根本沒有什么新能源發(fā)電，那時候大家定義很簡單，就是50赫茲以下，他是轉軸，火力發(fā)電在某些情況下會產(chǎn)生負阻抗，負阻抗和電網(wǎng)進行分析的時候，就會發(fā)現(xiàn)總體來說會有一個不穩(wěn)定。但是如果說我把這個去掉，用很多抑制裝置或者算法，現(xiàn)在都已經(jīng)解決得很好了。
但是到了新能源發(fā)電越來越多的時候，我們可以看到，大家還把那個東西叫次同步，實際上內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生變化了，我們就叫做50赫茲到100赫茲周圍的頻率范圍振蕩，如果細的分析，下面可以再討論。那個時候就和50赫茲沒有任何關系了，就是由變頻器里面的阻抗和電網(wǎng)的阻抗不匹配，所產(chǎn)生的振蕩問題。和他發(fā)電機本身是不是50赫茲完全沒有關系，可以從5赫茲到100赫茲隨意有飄移。
然后我們講一下次同步振蕩問題的機理，剛才已經(jīng)對他的概念，還有他一些實例有一些認識。接下來我們看機理，我們這兒可以看到，這兒實際上是我們引用清華還有國外教授，包括我當時在美國的時候，一直在做這方面的研究，我們對這個方面的分析，大體的分析已經(jīng)是比較清晰的，振蕩模式有三類，一個電力電子裝置之間，會有一個負阻抗的不匹配，當然也不一定真的說是負阻抗，提到負阻抗只能說是一種分析方法所產(chǎn)生的，你在這個分析方法下，你說這個詞大家就理解。但是從大的概念上來講的話，他就是電力電子裝置互相干擾所產(chǎn)生的。還有發(fā)電機和電網(wǎng)之間，有LC諧振。第三就是發(fā)電機的軸心扭振。
我給大家簡要的講一下，現(xiàn)在中國主流的就是雙倍風機和持續(xù)風機，我們分析的結論，他們的振蕩機理分別是什么，這是一個持續(xù)風廠，持續(xù)風機如果給他建模的時候，可以看到他在建模的過程中，在某些情況下可以實現(xiàn)負阻抗加電容的模式，在這樣的情況下，因為傳輸線本來是有感性的。負阻抗和電網(wǎng)，傳輸線肯定有負阻抗的，這兩個加起來之后然后來LC的濾波電路，這樣的電路，如果說風機本身負阻抗和傳輸線上的電阻之和如果還是負的話，這樣就會產(chǎn)生振蕩。這個時候就是兩個原因，一個和風廠規(guī)模有關，規(guī)模越大的話，負電阻效應越大，也和他的控制有關。這是一個振蕩模式，這個振蕩模式下，如果大家做分析的話，是在某一個焦點出就有一個振蕩頻率。
如果我分析電網(wǎng)和風機，風廠之間振蕩匹配的話，你會發(fā)現(xiàn)他有好幾個點的交疊，他就會產(chǎn)生多個振蕩頻率。因為他這種振蕩頻率，如果大家看就會知道，假如說出現(xiàn)20赫茲振蕩的話，又把振蕩頻率進行了翻倍，因為他振蕩頻率比較多的，某一個振蕩頻率下，和火力發(fā)電機產(chǎn)生共振的話，就會有問題。但是他的振蕩是比較單一的，他就是電容器主導的，風機葉輪也好，發(fā)電機也好，都是通過變頻器進行的。
然后雙會風機，一方面他和直驅的產(chǎn)生機理是一樣的。雖然他那種情況下機理是一樣的，但是他產(chǎn)生的可能性比較小，因為同樣的風廠，一個滿功率，一個只占了20%的功率。這是剛才我說的和直驅一樣，但是可能性比較小。還有一種比較特殊的，雙會從定子，電網(wǎng)接到定子之后，定子是感應發(fā)電機，中間的轉子接了機側變頻器，這個東西是直驅沒有的。這樣的話就形成了一個新的東西，這個新的東西就是傳統(tǒng)的感應電機，再加上轉子。這個裝置我們分析下來，他會在功率比較低的情況下，會出現(xiàn)這樣一個振蕩，這個實際上是整條電路，整條電路在某些情況下，也會形成一個負的，形成負的東西之后，整體的電阻會變成負值，變成了負值之后，這樣的情況下，后面又有電感，又有電容，這樣的情況下，他振蕩的模式，馬上也會產(chǎn)生。但是這樣的情況下，剛才我說的直驅，整條電路里面自帶一個電容，但是雙會里面，他里面的整條電路，虛線左邊這部分是沒有自帶電容的，所以他這兒的意思是什么呢？如果有振蕩的話，必須是在電路里面有串聯(lián)補償器，在線路里面自己加一個電容。如果沒有串聯(lián)補償器的話，肯定是振蕩不起來的。
他振蕩的頻率是比較固定的，外邊的電感和電容，傳輸線路已經(jīng)定好了之后，這兩個值是定好了，最后我們得出的結論基本上在5到10赫茲左右，在這樣的情況下，你在人眼睛看到的振蕩他是50+-8赫茲，會產(chǎn)生兩個振蕩頻率。這是剛才說的，直驅和雙會，我們國家非常常見的兩種形式他的振蕩機理。
在這兒提一下我們次同步振蕩的解決方案，剛才說了機理，我盡量的用簡單的方式給大家解釋，不知道大家有沒有聽明白，下面可以交流。次同步振蕩實際上分成三個部分，一個最主要的還是要看電網(wǎng)配制，如果電網(wǎng)的配制很到位的話，或者說他電網(wǎng)做起來比較堅強，所謂的堅強就是我知道風電廠到底能設計多大，什么樣子，模型是什么。在這樣的情況下，那就是非常好的配置了。但是現(xiàn)在來說，我們國家行業(yè)里面，因為我知道有很多人在做這個研究，但是真正形成一種標準，或者說有一些設計人員，他真的在設計的時候考慮這些，現(xiàn)在來看的話，起碼我見到的幾乎沒有。
剛才我一直談到電阻的問題，如果完全變成正阻尼的話，肯定還在某一些頻段上有負阻尼，第二對能量的損失，或者動態(tài)響應的結果是比較差的，對風機來說。因為風機要的就是動態(tài)響應非常高，電壓很快。但是我剛才說的，在全頻帶加阻尼。如果在某些，我認清了振蕩頻率可能在哪里，或者讓風機自己感受，他可能發(fā)生振蕩的頻率在哪里，這樣的情況下，風機就會在那個頻帶里面加阻尼控制，加正的阻尼進去，正的電阻進去，這樣整個電路，就可以非常明顯，有效的抑制他的振蕩。
接下來預波裝置，一共三個方面。針對這幾個方面，第一個必須在項目前期要抓住他的關鍵電網(wǎng)配制特征，要有風險識別能力，要知道電網(wǎng)或者風場怎么建立這個模型，電網(wǎng)怎么建立這個模型，和以前的不同在哪里，因為以前三大計算的話，以現(xiàn)在三大計算的潮流計算，動態(tài)計算，里面很多的模型，尤其是引起振蕩的模型是沒有考慮進去的。在這樣的情況下，能不能把前期，沒有考慮到的配制考慮進去。第二對電網(wǎng)進行非常好的分析，把模型的結構搭出來之后，具體的參數(shù)必須要知道，而且有很好的建模方式來解決這個問題。
接下來建模好了，可能在某些情況下產(chǎn)生振蕩，這樣的情況下，根據(jù)風機，你如果對風機很了解的話，接下來對風機的控制進行改進。給大家舉一個簡單的例子，這是我們公司花了很大的力氣，做了一套非常精細的，專門用于電網(wǎng)振蕩研究的一套仿真模擬系統(tǒng)，這個模擬系統(tǒng)可以非常精確的模擬出電網(wǎng)，什么樣的風廠下，什么樣的電網(wǎng)下會產(chǎn)生振蕩，而且是多少頻率的振蕩。結果是一致的，能夠一致關鍵在于仿真方法，建模方法。建模方法如果不考慮有些東西的話，或者不在某一個特定的坐標系下考慮東西，有的信息就漏掉了，在這種情況下看不到什么。
首先把模型建立起來，模型建立起來之后，接下來就是對整個電力系統(tǒng)重點的建模，重點的建模，在哪幾個方面呢？實際上最主要的一個就是他的感應電機，還有風機的模型，接下來就是變頻器控制模型，這個很可能會漏掉很多關鍵信息，最后得到的是不正確的結果。這個我們做了很多工作，這是仿真圖，從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，從圈外到圈里面。
既然剛才已經(jīng)分析完了，就有一個振蕩抑制，一個是加一個阻抗，加一個阻抗相當于是并聯(lián)的模式，把虛擬阻尼加進去。接下來我們在這兒，剛才我說串聯(lián)的模式，會加組策濾波器，可以把中間振蕩頻率上的能量濾掉，如果你認清了機理或者有方法的時候，這個東西就不是很難了，可以再到理論或者模型里面驗證這個東西有沒有效，只要有了方法其實就不難，這是一個。還有對于風機或者風廠，怎么讓他們在前期識別可能馬上產(chǎn)生振蕩，這個東西是非常關鍵的，有了這個東西，再結合強大的分析，對風機的認知能力，現(xiàn)在可以在風機內(nèi)部設計好，在風機內(nèi)部就產(chǎn)生這樣一個濾波器了。這是我們的實驗基地，我們加了很長的，或者是有電容，來驗證我們的算法。
接下來就是東北有風廠，實例，有好幾個風廠，這樣的情況下，就產(chǎn)生了振蕩，在這個情況下，最后找到了我們，開始進行問題的解決，實際上當時幾個月的時間，振蕩了一百多次，業(yè)主覺得已經(jīng)受不了了，但是其他的廠商，因為那個風廠里面好幾家，找到別人的時候，大家好像覺得也都不太有有力的解決方案，我們當時進來了之后，在一個月的時間。因為我們當時基本上把算法剛搞完就出問題了，直接把這個算法從實驗室拿到了現(xiàn)場，然后可以看到，這兒有一個8赫茲的振蕩，在方案改進之后，就有一個明顯的抑制。
我今天就講到這里，謝謝大家。
