2016年11月4日，在“2016中國風電電氣裝備技術高峰論壇”的主題演講環節， 浙江運達風電股份有限公司許國東 副總工程師作了風力發電機組的慣性能量與一次調頻功能實現的相關報告。

　　各位領導，各位專家，大家早上好。我是運達的許國東，下面由我給大家匯報一下運達在風電機組的慣性能量提取和一次調頻功能實現方面的一些進展。

　　我說這樣幾個部分：一是電力系統的需求；二是風電機組慣量與調頻功能分析；三是測試過程和結果；四是展望。

　　首先大家知道至2015年底，我國風、光、生物質發電量占全部發電量的5%，未來電能將借助特高壓網絡實現遠距離、大容量輸送，對電力系統穩定性的要求日益提高。尤其是我們國家風電包括光伏大量的資源都在西北這個地區，是遠離負荷中心的，所以我們國家現在應該說也是包括要新建數量非常龐大的交流、直流網，來實現大量遠距離的輸送。像這種電力形態其實全球都是沒有的，要做到這么大能量的遠距離輸送，對于電力的輸送是有很高的考慮。

　　從電力系統本身來說，現在我們國家以三北地區作為代表的高比例新能源電力系統形態已經基本形成，西北幾個省比如甘肅、冀北、新疆、蒙西新能源裝機占比超過30%，甘肅占比達到40%。早五年大家覺得這個比例都不可接受的，現在這個事實已經擺在這里，大家做風電的也能感受到，其實今年以來風電的接入電網越來越困難，今年上半年整個西北地區基本上沒有形成風電接入，為什么，因為我們確實是遇到了電力系統無法消化這樣的問題，事實上也不是電網本身不行，而是實際在運行中已經出現了這樣的案例，只不過作為外界來講了解的信息并不是很多。所以我們風電是一個作為后起的，給整個大系統作為補充，或者說慢慢提升比例的這樣一個角色，所以我們必須要適應電力系統本身的運行特性和要求，這樣才能使我們未來能夠扮演更好的角色。

　　電力系統穩定性是指整個系統在正常運行的時候受到了擾動，然后重新恢復到平衡狀態的能力。因為電力系統本身有各種各樣的穩定性問題，比如說下面這個圖表顯示功角穩定、頻率穩定、電壓穩定，這個是我國電力系統規定中提出的觀點。

　　小范圍來講可能說電壓和功角穩定會更突出，但是從更大的尺度來說頻率穩定是一個更重要的問題，我們之所以之前要講高穿和低穿，其實當時是一個電壓穩定性，現在隨著風電比例的進一步提高，頻率穩定對于我們的迫切性就更明顯的提了出來。因為電力系統的頻率本身反映在系統中有供需平衡的基本狀態，就是發電和用電要處于一個平衡態，如果這個平衡被打破，或者說產生了一定的波動，那么我們本身的系統頻率就會產生波動。從我國前面的遠距離輸送能量的情況來說，就涉及到電力輸送端的電源，輸送端的負荷以及受電端的負荷和受電端的負荷。在電力系統產生波動的情況下，電力系統會要求整個電源側有調頻能力，分階段來說是一次調頻、二次調頻，當然有的系統也會提出三次調頻這樣的說法。從右邊這個圖來講可以看到風因為波動性非常大，但是負荷并不像我們所需要的那樣子，必須電源隨時來補充這個缺口。

　　這是我們給大家講的是一項國外的電網到則，國外要求的調頻能力的說法，不光指風電，其他也是這樣的要求。德國提出裝機量大于100MW的時候，加拿大也是的，德國這些標準都由國外一些風電整機廠商已經在做適應性的測試以及認證。比如說像加拿大，像西門子、維斯塔斯他們都做了類似的實驗，但是他這個要求也比較明確，像HS做到3.5s，愛爾蘭提的也是高頻率的調頻能力。

　　相應來說我們看看我們國家的調頻是怎么要求的，當然這只是風電，我們對于風電來說沒有頻率響應要求，對于火電有一個標準，是GB/30370-2013這個標準的要求，0.033Hz，就是達到我們調頻目標的90%，燃煤機組是30m，燃氣機組是15s，調頻負荷增量是6-10%，火電如果我們現在要求做調節的時候，功率如果調節要調節蒸汽，通過閥門調節進氣量，這個肯定有一定的時間。水電比如等于0.05Hz，因為水電機組比較長，所以機組比較多樣，機型類別也不同，所以說各個地方的電網公司自己提要求，調節負荷增量在5-10%。

　　傳統的電力機組火電水電都是同步器，但是它的轉速和頻率是咬合在一起，像我們風電的話，風電整個裝機量是1.29億千瓦，其中大概是6%左右是傳統的異步的，定速定槳的這樣的機組。其他90%幾我們現在都是變速恒頻機組，但是風電的變速恒頻機組是不咬合的，這樣我們的頻率響應沒有什么作用。至于火電水力的慣量也是能體現的，但是你要實現有功平衡性，我們可以看到一次調頻都是要時間達到15s左右，風電到底能做到怎么樣？

　　給大家看一下這個調頻的過程，左下這個圖有一個是仿真曲線，有一個是錄波曲線。這是以前出的一個事故，出了事故以后他們重新做的仿真曲線和錄波曲線，發現并不完全一致。就是說電力系統本身的一些事故里面還有一些原因靠這些曲線不能分析出來。右邊是水電機組一次調頻過程，有個電力系統通過把水電機調節水流實現功率的波動，右下這個圖是需要調節導葉開度，最后而且也是需要十幾秒左右的，這是傳統的火電水電機組所能達到的一些能力。

　　至于風電我們來看一下，風電慣性時間常數本身這個值是動能除以要發電的功率，風電的H就是叫慣性時間常數，右邊的散點就是典型的風電機組大概的一些慣量。大家可以看到差不多在5-10的樣子，其實跟火電機組或者水電機組差不多在同等量級上，我們是完全有能力提取這樣的慣性量為我所用，能夠實現更好的目標。

　　這張圖是我們典型的風電機組的變速運行機組的曲線，可以看到本身它有很大的變速范圍，在整個變速范圍內都是50Hz的目標，其實我們實現的是50Hz的目標，我們實現的是跟隨電網頻率的目標。在整個范圍內可以看見在最佳的運行曲線上。我為什么要跑在最佳Cp上，最佳Cp是我們獲得最好的能量。但是如果我們做一些調頻的動作，要偏離這個曲線，也會產生一些以往不太關注的一些特性。

　　從風電機組本身的有功功率的控制來說，它是受到風、氣動、機械、電機的這些元素，并不是我們想調就調的，本身有一些前提條件。比如當時你說你要調有功，說風到底有多大，就是說你的Cp到你的當時是什么值，機械的話如果突然間上升增大功率，對齒箱，對軸承有沒有影響，對電氣本身的影響不是很大，但是會不會過油，會不會振動，就會有這樣的一些特性的約束。

　　在整個調頻過程中，左上這個圖是美國做的，在特同傳動效果下不同的頻率支撐有怎樣的影響。右圖是一個典型的在風電機組運行曲線上，我們通過調頻軌跡到底是怎么做。但是這個我想說右圖只是一個典型的參考，并不是說大家都這么做，也不是說非要這么做，而且在這樣做的范圍內大家可以看到紅線，紅線在這個軌跡走的時候，肯定我們這個監速就是下降的，這個會帶來什么影響？會帶來風電機組的Cp運行速度會下降。在調頻這個時候如果要實現對電網頻率的支撐，也就是說我們短時間內增加有用功的輸出，我們輸出的電能是大于我們接受的接線能，就會到一些不安全的區域。風電慣量響應的作為在于降低系統故障時調頻的變化率，一次調頻其實著重在后期。

　　左圖是國外的結果，頻率波動的時候實現快速的支撐起來，右邊這個圖是我們作為調頻功能釋放出有功功率的備用量，火電水電其實都是這個道理，火電是加了倍壓。有圖來講釋放功率的量有幾種方法，風大的時候沒有，風小的時候就有了，也就是說我們在事先留好備用量，當我們需要的時候就釋放出來。

　　技術難點在以下幾個方面：一是快速準確的響應， 二是功率平穩過渡，三是電氣和機械系統安全，四是避免超速、欠速停機。    

　　說一下整個實現的過程和結果，我們最開始做了Matlab-Bladed系統仿真，很多人都會做。然后我們做了地面動力平臺測試，實現了可靠性。然后我們是今年6月份在電科院一個基地做了這樣的實驗，可以看到這個頻率當時我們做的還是雙波抖動，右上這個圖做的是慣量，就是說我們在頻率波動的時候提取這個能量，恢復的時候我們要把這個能量重復放回來，所以它下面是有一個缺口的。右下這個圖我們是慣量加一次調頻，這樣的做法我們在振蕩的時候就不會有缺口。大家可以看到右下這個圖波形就很方。現在的風電場其實都有在線調節的功能要求，但是這個和我們現在做的有什么區別？其實都能做，還是跟原來是一樣的？我告訴大家是不一樣的，因為我們現在的風電場用常規方法調節有功功率，達到這個目標可能需要幾秒鐘。比如說我們從100%功率的下降到80%，這個時間是要幾秒鐘的時間，但是我們現在這個做法縮減到原來的1/10，

　　在6月份我們還在西北電網做了一個實際的大系統頻率擾動，頻率是真實的波動了，也可以看到因為當時那天風比較小，我們只做了慣量的體現，沒有做慣量加一次調頻的曲線。這個是電科院給我們的檢測報告。

　　總結上來講就是現在風電機組是完全可以滿足現有電網標準的調頻需求，當然這個現有電網調頻需求對應的是國內的對于火電水電我們現在頻率的要求優勢還是比較大的，如果要調頻的話，針對于國外的水平，根據德國、愛爾蘭這個水平要求我們現在也是能夠滿足的，我們已經達到了和西門子同等的水平。整個風電調頻的優越性在于我們這個調頻功能的響應非常迅速，并且功能靈活。大家知道傳統的水電火電從前面那個導則來講它的線只是10%，風電其實是可以有條件做得更大，因為傳統的機組是同步進行的，是存在剛性約束的，你調節量如果過大的話是容易產生機械振動的，這個在設備本身可能受不了，但是風電因為整個控制過程是柔性的，它允許或者我們能夠做到更大的超出率。從經濟上來講風電旋轉容量備用充分，不會增加過多的成本。如果我們具備調頻能力的話，未來在電網，我們是可以獲得一些有限上網權這樣一些考量的。

　　對于未來的工作我們也跟大家共享一下：一是我們現在從單機到機群的慣量調頻功能實現，大量的機群如果同時要做到慣量調頻有一個同步性問題。二是電網適應，復雜電網下的功能的準確快速響應，因為很多電網形態并不像我們理想的那樣，就像我們前面展示的仿真和錄波一樣，它并不完全一致，我們未來在一些真正的或者多樣性的復雜電網下，是不是也能達到我們所期望的快速響應。包括風電如果像現在這種調頻速度，我們和常規機組怎么配合？和電力系統穩定器以及其它的電網中互有的裝備怎么搭配。三是設備能力，就是復雜運行工況下的極限能力，比如說風，未來幾秒鐘風變化特別多，比如說整個調解目標、調節裕度和調節參數的時變性，這是我們未來所要追求的目標。

　　我們現在未來的新能源發展空間還是非常的大，《巴黎協議》馬上要執行，風電作為可再生能源的一部分，如何能發揮我們風電的優勢？在電網中占有一席之地，這個是大家需要一起來共同努力的，謝謝大家！