CWPE2019：運(yùn)達(dá)風(fēng)電許國(guó)東：基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組慣性能量支撐過(guò)程計(jì)算分析

 

　　以下為演講實(shí)錄：

 

　　我是運(yùn)達(dá)的許國(guó)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(gè)題目是在偏學(xué)術(shù)性的場(chǎng)合，所以說(shuō)我今天可以翻譯一下這個(gè)題目到底是什么意思，翻譯過(guò)來(lái)是這樣一個(gè)意思不預(yù)留功率的情況下，風(fēng)電如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率支撐？對(duì)于頻率的支撐性，我們產(chǎn)業(yè)就有很大的問(wèn)題，我們要不要預(yù)留功率？如果和火電其他的預(yù)留百分之幾的功率，那意味著我長(zhǎng)期受到功率的損失，實(shí)際上我的棄風(fēng)量由于這個(gè)原因又上升了，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)又下降了，是不是必要的？如果電網(wǎng)真的是出于安全、穩(wěn)定的需要一定要這樣干，那大家肯定要有點(diǎn)妥協(xié)，但是這是否必要？如果不是必要的話？我們?yōu)槭裁匆淌苓@么大的經(jīng)濟(jì)損失？所以我想的是這個(gè)問(wèn)題。

 

　　通過(guò)這樣幾個(gè)方面做介紹：第一個(gè)風(fēng)電對(duì)于頻率的波動(dòng)作用。頻率為什么波動(dòng)？是因?yàn)榫植肯到y(tǒng)內(nèi)有功公率輸入量和輸出量有偏差，那么右上這個(gè)圖大家可以看到，左邊的圖是一個(gè)結(jié)構(gòu)，兩邊有一個(gè)電源，中間有一個(gè)負(fù)荷，負(fù)荷上升，G點(diǎn)頻率都會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)量和你負(fù)荷端和電機(jī)距離是有關(guān)系的。圖上1點(diǎn)和2點(diǎn)的頻率本身是不一樣的，所以系統(tǒng)中的頻率不是一陳不變，哪怕是穩(wěn)態(tài)也是不變的，而且波動(dòng)的浮動(dòng)和電機(jī)距離是有關(guān)系的。這樣的波動(dòng)量肯定不是我們所需要的，我們需要一定的條件能力來(lái)穩(wěn)定住這個(gè)頻率，那么如果我們做，可能這個(gè)頻率失穩(wěn)。最近英國(guó)出現(xiàn)了低頻的減載大頻的情況，特別是小電網(wǎng)弱的情況下，頻率的波動(dòng)率更大，就越需要我們有這樣的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)風(fēng)電和其他的電子電源接入系統(tǒng)以后，我們的慣性能力越來(lái)越差了，電網(wǎng)的慣性能力是由你的機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生的，為什么會(huì)有慣性呢？學(xué)過(guò)電機(jī)學(xué)的都知道，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和頻率是剛性約束的，你轉(zhuǎn)多快頻率多大，反過(guò)來(lái)頻率想波動(dòng)的時(shí)候，你也會(huì)受到電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速的約束，因?yàn)檗D(zhuǎn)速不可能突變，但是風(fēng)電這樣的電力電子的電源沒(méi)有這樣的特性，常規(guī)來(lái)說(shuō)它都是電流性的特性，風(fēng)電根據(jù)頻率來(lái)做的，風(fēng)電的頻率是跟著電壓來(lái)的，你頻率變了它就變，所以它才有穩(wěn)定性的問(wèn)題。

 

　　這個(gè)大家可以看到這是常規(guī)能源的，這是一個(gè)火電和水電目前線性標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)的情況下，要迅速地能夠發(fā)出提升它的功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻作用。但是這個(gè)一次調(diào)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(lái)，大家明白嗎？如果這臺(tái)火電機(jī)組是30萬(wàn)千瓦，讓我發(fā)出35萬(wàn)來(lái)是不可能的，而且也不長(zhǎng)期，但是它的響應(yīng)是多少？火電3秒，燃?xì)?秒達(dá)到國(guó)標(biāo)值，它為什么需要這樣的時(shí)間？這都是有道理的。就是因?yàn)榛痣姷腻仩t壓力不允許突變，如果它跑得更快的話，它設(shè)備本身的安全性就有問(wèn)題。水電機(jī)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(gè)要求是針對(duì)風(fēng)電的要求，國(guó)外的要求是10MW以上的風(fēng)電項(xiàng)目必須具備暫態(tài)頻率支撐能力，要求是10秒，右邊的是  愛(ài)爾蘭的要求，要求支撐15秒鐘。國(guó)外局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了這個(gè)東西，比如說(shuō)我們看右上的圖，這個(gè)是兩個(gè)國(guó)際的廠商，一個(gè)是Enercon，一個(gè)是GE，他們出的也是暫態(tài)，一段時(shí)間的頻率支持。當(dāng)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(mén)子所做的，不同風(fēng)速大小的情況下，我在一段時(shí)間內(nèi)，比如說(shuō)10秒我可以實(shí)現(xiàn)不同功率增量的支持。這都是國(guó)外的做法。

 

　　但是大家看看真實(shí)的頻率，電力系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)是左邊這個(gè)圖的樣子，從頻率的恒定點(diǎn)50赫茲跌到最低點(diǎn)，大概是5—15秒的時(shí)間，如果系統(tǒng)越小越薄弱，你接下來(lái)的時(shí)間又快，如果系統(tǒng)比較強(qiáng)，時(shí)間就慢。那么在這樣的情況下，如果我風(fēng)電想要支撐電網(wǎng)頻率是有兩種做法，第一種是右上那個(gè)圖，比如說(shuō)慣量，為什么會(huì)有這樣的圖，為什么會(huì)出來(lái)？是因?yàn)槌Ｒ?guī)的能源機(jī)組，我們的火電機(jī)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(jué)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(gè)圖我們是和西門(mén)子和Enercon的做法，實(shí)現(xiàn)一定增量固定時(shí)間的支持。我們用這樣的一些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率最低點(diǎn)的支撐作用，我們希望頻率最低點(diǎn)的低位能夠被抬升，我們不希望因?yàn)轭l率低到一定的水平上，低頻是要減載的，電網(wǎng)要把很多的負(fù)荷遷出去，事實(shí)上就是停電。從右邊的圖相比較來(lái)講，實(shí)際上慣量所實(shí)現(xiàn)的時(shí)間是做不到5秒以上的，比如說(shuō)我們固定一個(gè)H時(shí)間，火電時(shí)間是3秒或者是 5秒，固定慣性時(shí)間常數(shù)做到這個(gè)時(shí)間，但是支撐常數(shù)達(dá)不到，或者是難以實(shí)現(xiàn)對(duì)真正頻率最低點(diǎn)的支撐作用。我們只有采用右下的圖，拉到我所需的長(zhǎng)度才能支撐最低點(diǎn)，而這個(gè)時(shí)間在風(fēng)電的控制作用中它完全是可調(diào)節(jié)的，你需要多長(zhǎng)再定量我是可以實(shí)現(xiàn)的。這是我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)所做的一些實(shí)驗(yàn)，一種是這個(gè)場(chǎng)景不預(yù)留功率的，左上的這個(gè)黑色是P有功率，做完這個(gè)功率支撐以后我肯定會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹坑，大家知道能量是守恒的，我無(wú)非是把一段有功的能量挪到前面的時(shí)間，但是不能新增能量，甚至是我是后面這個(gè)坑比前面大，原來(lái)我是跑在最佳功率曲線上的，挪用了這個(gè)功率是偏離了這個(gè)最低點(diǎn)，它的缺口一定是變大的，大家都可以理解，一個(gè)是預(yù)留功率的，一個(gè)是不能預(yù)留功率的。大家看到這條線左上是一條直線是平的，這時(shí)候它沒(méi)有這個(gè)凹坑，但是這個(gè)凹坑是有代價(jià)的，你沒(méi)有需要進(jìn)行支撐的時(shí)候，我始終預(yù)留這個(gè)功率，一臺(tái)2MW的機(jī)組預(yù)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(shí)都預(yù)留嗎？但是不預(yù)留會(huì)有什么樣的問(wèn)題？當(dāng)我們不預(yù)留的時(shí)候，產(chǎn)生凹坑的時(shí)候，有功功率進(jìn)一步下降，這時(shí)候頻率的下降就是因?yàn)橛泄Φ陌l(fā)出不如有功的消耗，這時(shí)候頻率產(chǎn)生第二次低點(diǎn)，這是系統(tǒng)肯定不愿意接受和面對(duì)的。對(duì)于不預(yù)留的功率形式，反對(duì)聲音最大的就是這個(gè)凹坑。你在恢復(fù)的時(shí)候產(chǎn)生的功率缺額會(huì)產(chǎn)生下降，電力系統(tǒng)就是不愿意看到這個(gè)，但是現(xiàn)在有一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)坑到底會(huì)多大？實(shí)際上我看了國(guó)內(nèi)很多的專(zhuān)家討論，或者是碩士、博士論文在討論這樣的問(wèn)題，都是在討論如何實(shí)現(xiàn)支撐，或者說(shuō)我們是講控制，如果我預(yù)留功率，在轉(zhuǎn)速上怎樣優(yōu)化控制，從來(lái)我就沒(méi)見(jiàn)過(guò)這個(gè)坑到底多大。我有一個(gè)想法，如果我們能夠知道這個(gè)坑它會(huì)有多大，它是不是就可以其到現(xiàn)實(shí)的支撐作用。比如說(shuō)我這個(gè)火電是15秒以后能夠起來(lái)，我風(fēng)電支撐到15秒后退出，兩者的量化關(guān)系能夠量化起來(lái)，那這樣的話就是有可支的情況了。

 

　　以往很多專(zhuān)家在講的時(shí)候，都講坑，但是坑和增量到底是什么樣的量化關(guān)系從未說(shuō)清楚過(guò)，有說(shuō)兩倍的，有說(shuō)三倍的，還有說(shuō)五倍的，就是因?yàn)檫@種模糊性造成了它的不可用性。我們想解決的就是這個(gè)問(wèn)題，想解決這個(gè)問(wèn)題是有幾個(gè)前提。這幾個(gè)前提就是風(fēng)機(jī)到底是怎樣的，它這個(gè)時(shí)候卸裝能量會(huì)怎樣，這個(gè)是一個(gè)功率曲線的采集的情況，當(dāng)然就告訴大家風(fēng)的特性，風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能是受到很多外在因素的影響，風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的發(fā)力曲線是很大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)歸納出來(lái)的數(shù)據(jù)，一條線，并不是時(shí)時(shí)刻刻都在這條線上，當(dāng)然可以受到很多因素的影響。比如說(shuō)受到剪切和湍流的影響。比如說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一臺(tái)機(jī)組，我們非常需要標(biāo)準(zhǔn)的地形，湍流多少，溫度不能相差太大，溫度要校正。但是對(duì)于真實(shí)在運(yùn)行的風(fēng)電廠不可能每臺(tái)機(jī)組都是這個(gè)類(lèi)型，真實(shí)的機(jī)組怎么辦？比如說(shuō)我們很有可能受到冰凍、限功率和噪音控制的影響，進(jìn)而影響我的功率表現(xiàn)。這時(shí)候就是說(shuō)它這個(gè)情況是比較復(fù)雜的，但是是不是情況復(fù)雜我們就不能辦，那么我們想到的是這樣一個(gè)方法。右邊第一個(gè)圖大家知道這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性的圖，用公式來(lái)表達(dá)它的Cp能動(dòng)曲線是怎樣的，這個(gè)公式實(shí)際上表達(dá)的是診斷，但是事實(shí)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(shuō)功率支撐的時(shí)候我只需要用到紅圈的那一段，所以我們想了一個(gè)辦法在紅圈的那一段里面我們是可以根據(jù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，比如說(shuō)這個(gè)機(jī)組在這個(gè)扇區(qū)你運(yùn)行的數(shù)據(jù)我是可以倒推出這個(gè)功率曲線的表達(dá)的，而且它也沒(méi)那么復(fù)雜。像這樣的情況下，我就可以知道每一臺(tái)機(jī)組雖然我一個(gè)風(fēng)廠的機(jī)型是一樣的，但是每個(gè)機(jī)組在每個(gè)扇區(qū)的功率表達(dá)是不一樣的。得到這樣的擬合公式，就能得到另外一個(gè)慣性能量的確定性關(guān)系，大家知道這是功率增量支撐時(shí)它的運(yùn)行軌跡上的關(guān)系，比如說(shuō)在1這個(gè)點(diǎn)上，我們這個(gè)風(fēng)電機(jī)組增加了一個(gè)能量，叫Delta（德?tīng)査㏄UP，這個(gè)到一定的能量我的轉(zhuǎn)速下降，下降到3點(diǎn)以后退出這個(gè)運(yùn)行，退出的前提是什么？為什么恢復(fù)到之前的狀態(tài)，它的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速點(diǎn)能夠恢復(fù)到原有的狀態(tài)，這是肯定的。從4恢復(fù)到1，這個(gè)過(guò)程中有怎樣的關(guān)系呢？可以看到原來(lái)的風(fēng)電機(jī)組的控制都是風(fēng)速變加有一個(gè)極速的特性，然后我們?cè)黾恿薉elta，然后它嵌入的是有功功率增量，只不過(guò)增量在過(guò)程中你是怎樣調(diào)節(jié)的。然后我們可以看到整個(gè)能量的關(guān)系是怎樣的呢？從能量平衡的角度來(lái)說(shuō)我們有什么？第一個(gè)在這個(gè)過(guò)程中我們吸收了氣動(dòng)能量，吸收風(fēng)能量，轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化從高的轉(zhuǎn)速降落到低的轉(zhuǎn)速，中間是有動(dòng)能的變化。第三個(gè)方面是什么？我們有一定的損耗功率，我們?cè)跇O限損耗、電損耗有一定的損耗，第四個(gè)能量是我們的支撐功率，我們支撐出去的電功率也是相對(duì)的，能量關(guān)系上應(yīng)該是平衡的，因?yàn)槟芰繘](méi)有產(chǎn)生變化，輸入、輸出就這些，它一定是為零的，會(huì)平衡掉的。輸入動(dòng)能的變化、輸入能量變化，吸收能量和損耗能量最后是一個(gè)整合的關(guān)系。這樣的條件下我們做了一定的假設(shè)，假定風(fēng)速在15秒內(nèi)不變，那么我們可以得到這樣的式子，在對(duì)于Cp在確立點(diǎn)上，偏二級(jí)偏導(dǎo)數(shù)就得到這樣的結(jié)果，Delta的氣動(dòng)能量最后表達(dá)是這樣的公式，就是可以算出來(lái)的。從前面的那一頁(yè)來(lái)講大家知道什么都不能算，只有Delta的氣動(dòng)能量是有一定的不確定性，其他的慣性能量和轉(zhuǎn)速都知道，測(cè)轉(zhuǎn)速就知道慣性能量變化多大，作為損耗功率做過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)定一下就知道，你的功率增量是你設(shè)定的。只要得到了Delta的氣動(dòng)能量，就能推出Tspt和Pspt的量化關(guān)系，這就是我們做工作的這樣一個(gè)基本前提。所以通過(guò)這樣的式子是能做出來(lái)的。

 

　　我們最大的結(jié)論是在確定起始狀態(tài)、支撐功率幅值、機(jī)組氣動(dòng)特性和轉(zhuǎn)速邊界條件的情況下可以求得功率支撐時(shí)間Tspt。如果我們要增加10%的功率增量，在其他條件給我的時(shí)候，我都知道這種在做功率支撐的時(shí)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(dāng)然另外一個(gè)方面，從第二個(gè)推論來(lái)講是這樣的，就是說(shuō)有的時(shí)候現(xiàn)在魁北克的要求功率缺口的深度不能超過(guò)20個(gè)Pn，對(duì)于功率缺口的深度是有要求的，那怎么辦？實(shí)際上也是可以的，當(dāng)你要求功率缺口深度的時(shí)候，意味著我這個(gè)轉(zhuǎn)速，功率缺口深度和轉(zhuǎn)速相關(guān)的，告訴我功率缺口深度意味著我最終的轉(zhuǎn)速是多少，然后我們也可以得到支撐能量的關(guān)系，比如說(shuō)功率缺口深度不能超過(guò)20%，我也可以告訴你在多少時(shí)刻我多少功率缺口深度上堅(jiān)持多少時(shí)間，建立這樣的量化關(guān)系實(shí)現(xiàn)作用，為電網(wǎng)的頻率支撐起到真實(shí)、有效而且是經(jīng)濟(jì)性的作用。

 

　　這是我們所做的測(cè)試驗(yàn)證，做了一個(gè)頻率的缺口，最后它是這樣的結(jié)果，Tspt，我們這里是Piack（功率缺口），這時(shí)候轉(zhuǎn)速是比較線性的，風(fēng)速基本不變的情況下。我們實(shí)測(cè)的功率缺口，比如說(shuō)這個(gè)Piack，功率缺口大于臨界值，轉(zhuǎn)速才恢復(fù)上行。從我們的計(jì)算來(lái)講，實(shí)測(cè)的Piack比我們的臨界值大了40多千瓦，這時(shí)候得以恢復(fù)上行。另外我們做了后面的計(jì)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(shí)了這個(gè)Cp，如果辨識(shí)了Cp和不辨識(shí)Cp我們得到了怎樣的結(jié)果，我們就得到了這樣的結(jié)果，我們考慮增量的時(shí)候，考慮Cp變化和不考慮Cp變化，在支撐實(shí)現(xiàn)功率增量可能最大差兩秒，當(dāng)然這和轉(zhuǎn)速相關(guān)，它是有線性變化的，誤差逐漸會(huì)變大的，這就是我們所做的這樣一個(gè)結(jié)果。整個(gè)來(lái)講我們是希望這樣的，我們希望火電和風(fēng)電在實(shí)現(xiàn)頻率支撐的時(shí)候，它是一個(gè)接力棒的作用，但是以往來(lái)講沒(méi)有說(shuō)清楚什么時(shí)候把棒子交出去。以及它接過(guò)去的是一個(gè)什么樣的棒子，所以我們希望通過(guò)我們這樣一個(gè)工作能夠說(shuō)清楚這樣一個(gè)問(wèn)題，我們希望傳統(tǒng)電源和風(fēng)電目前能夠是有協(xié)同、有效而且是經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)這一頻率作用的。我們風(fēng)電都是預(yù)留損失過(guò)于大了，但是我們做這個(gè)假設(shè)的前提是什么？15秒鐘的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速是不變的，大家可以說(shuō)也許我這個(gè)假設(shè)過(guò)于理想，不可能不變，但是一臺(tái)風(fēng)機(jī)當(dāng)然它不可能不變的，如果是一個(gè)風(fēng)廠呢？如果往外推到一個(gè)風(fēng)廠或者是機(jī)群、風(fēng)廠群，一個(gè)區(qū)域內(nèi)15秒風(fēng)速不變，也就是功率表現(xiàn)基本上有一個(gè)確定性，這完全是可以實(shí)現(xiàn)的，或者說(shuō)并不是那么離譜。

 

　　從工程應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，我們想說(shuō)的是你要可知你的功率對(duì)象，你能可知才能可控，能可控了才能可用，這就是可知的問(wèn)題，這個(gè)我們想通過(guò)我們的方法講清楚，謝謝大家！

 

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