海上风电建模和直流并网运行控制技术

7月3日，在7月3日上海国际海上风电及风电产业链大会“海上风电关键技术”专场，中国电科新能源研究所总工程师迟永宁发表了题为“海上风电建模和直流并网运行控制技术”的演讲。北极星风力发电网整理现场内容如下：

【迟永宁】：我的发言的题目是“海上风电建模和直流并网运行控制技术”，在座的可能搞这方面的研究比较少，我就稍微简单的介绍，几个方面：第一个方面是大容量风电机组的建模技术，因为目前国家的新能源接入越来越多了。越来越多以后对电力系统来说，他不管是做运行方式的时候，电力系统每天的运行方式可能不太一样，都要做一些计算，研究电力系统出现一些问题的时候，他都需要一些发电的模型，比如说常规的火电机组、水电机组。现在运行的越来越风电机组的建模，甚至是光伏发电本身的一些建模变得越来越重要了。因为他对于你了解整个电力系统的运行特性，对于你来看整个电网和新能源发电之间到底有什么相互作用都是非常有用的。

前两年大家关注DDR穿越作用，DDR穿越的问题因为他做的测试都是针对风电机组的。但是作为电力系统来说，他更关注的是整个电力系统里面会怎么样。所以像风电场一些DDR的测试他也要通过建模技术来测试，比如说去建立一些风机的模型，然后组成一个风机的模型放到电力系统里面做分析才能知道整个风电场和光伏电站的经过是怎么样的。

第二，是海上风电技术，海上风电技术咱们国家推进的比较慢。未来三五年以内更多是交流的方式，他当然有一些问题，我去年也介绍了。全世界来讲欧洲的风电开发直流的技术是越来越普遍的技术，因为直流他是有一些优势的。所以今年会看一下海上风电的直流组网的技术，还有海上风电多了以后，他会形成一个区域性直流电网，直流电网可能有多个发电的电源介入这个电网，这就是一个多断的直流概念。相关的一些控制我大概讲一下。

因为今天下午的演讲嘉宾比较少，可能每个嘉宾的时间多一些，提问的时间也多一些。

目前来看，国际电工委员会对各种风电机组做了一些分类，目前大概有4类分类方式，把风电分为带有感应发动机的定速风电机组，这种风电机组像之前的金风的750都是这种技术。但是近几年随着电力电子变频调速的技术越来越多，这种技术用的越来越少了。更多的是第三种和第四种，而第二种是一个过渡技术，他就是把传统感应发动机转子通过一个开口借到一个电阻上，这样通过控制电阻的阻抗多少可以改变一些风电机组的特性。但是第二种机组应用也比较少，目前最多是第三种、第四种，大家常见的一种是双馈的风电机组，一种是直驱的风电机组。双馈的像之前的华锐、东气基本上都是双馈的。对这4种风电机组的建模现在国际上了很多工作。

对于模型，因为我们用模型需要做一些分析，做一些研究。根据目的的不一样的，他对模型也有不同的分类，比较简单的来说目前对电力系统就是两大类，一大类是机电的模型，他更多的是用于电力系统的稳定问题，安全问题。再有一种是详细的模型，是风电机组的电磁模型，他更多的是厂家在使用，他更多是一种设备级的。我能够做一些更加精准的分析，像设备本身的电池特性，像设备本身通过电力电子控制的特性，他都是用电磁展台的模型。但是对于电力系统来说，他更多的关注是这一块，就是一个机电展台分析的模型。

他包括了几部分，比如说动力学部分，他的发动机或者风机的叶片、轴系，这些方面实际上他时间尺度更大一些，可能侧重是一个秒级。因为机械系统、动力系统他的时间相对比较大。但是对电器来说，发电机本身的特性更多的是毫秒级的。比如说我在电力系统做仿真的时候，他数学上有一个计算的步长，更多可能是一个10毫秒，10毫秒是什么概念呢?电力系统是一个周波的概念，他是20毫秒，所以更多的是半个波长做分析。这是对模型的分类。

我现在拿用比较多的双馈风电机组给大家简单介绍一下，就是建模到底是怎么回事。因为作为一个风电机组来说，他包括了空气动力学的模型，机械部分的模型，也包括了发电机的模型。但是对于目前的风力发动和光伏发电更重要的是电力电子的模型。这块模型对于发电技术本身，对于电器的特性，运行的特性有更大的影响。因为基本上风电机组和光伏电器特性都是依靠电力电子部分来实现的。

前两年大家听说DDR穿越的问题，当电网发生故障以后，这个风机能不能接在电网上。一方面是电器方面的一些问题，但是在他这个过程里面，因为一些能量不平衡的问题，他的机械部分也会受一些影响。最后建模时候，机械方面的考虑也是需要做的。

发电机的传统部分他包含了风力机、轴、发电机，他实际上通过齿轮箱连接起来以后，把一个慢速的风力机的机械传动，最后到发动机这一侧就变成了高速的制块了。所以说在做建模的时候，目前来说考虑的更多的是把风力机和发动机分开，他实际上是两个质量块的模型。这两个质量在电网发生稳定问题的时候，故障的时候，这两个质量块之间就有相对运动了。有相对运动轴就会出现一些扭转，一些振荡问题。所以这一块在建模里是需要考虑的，他也会对整个风电机组的特性带来一定的影响。

当然更重要的是我刚才说的他完全是依靠一个变流器的控制系统来实现对整个风机，因为光伏逆变器他是一个主要的控制系统，靠逆变器本身来控制。对于风机来说，他主要是靠电机测的逆变器来控制我的风电机组，或者说我的风电机组的发电机发出来的电的电机特性。这个比较复杂，因为他一方面需要靠一些矢量控制的原理把风电机组或者发电机两块的内容给他分开控制，一块就是能量方面，就是功率方面。大家知道比较多的是电功率，我的电功率是多大，这一块是依靠一个尺度上的风量来控制。

另一块是作为非电力系统的人不了解，就是我的发动机的电压是和他的无功是相关的。无功又和这个风电机组本身的风量是有关系的。这两块他通过我们叫矢量控制的原理把的完全分解了。我通过控制一个量完全可以控制我风机发出的功率是多大，比如说发出1兆的电力。另外一个控制另一个量完全控制发出的无功功率是多大。这个东西可以控制发电机的机端的电压。

DDR穿越控制本身也是在风机建模里面比较重要的一个方面。因为DDR穿越这种过程他是电网发生了故障。发生了故障，一般来说电网的电网会从一个正常的值突然间下降到一个非常低的值。当发电机电压降低以后，这个风机的本身特性就会引起一些变化。这时候就需要风机一方面是保护我的设备本身不受到伤害。另一方面我要给电网提供一方面的支持。这一块对于DDR穿越控制的模式需要在建模的过程里实现。当然这一块更多的厂商感兴趣，我们也专门有几个部门做风电机组的建模，包括刚才讲的这些东西。

第二个方面是海上风电场直流组网的技术，因为现在我们国家开发的是离岸距离已经近的20公里、30公里，通过交流来接入。这样一个风电场20万或者30万的规模还不是很大，但是当风电场的规模更大一般，当风电场离岸距离更远以后，他的一些问题就出现了。这时候就依靠交流介入的技术可能就有问题。所以大家可以看到在欧洲的海上风电开发过程里面，包括德国北部的北海、包括英国附近甚至大西洋旁边的海上风电的开发，因为他风电场离岸距离越来越远，比如说离陆地是90公里100公里，他们更多的是采用直流的风机，直流的技术是包括在风电场内用一些直流来组网，组成一个风电场，同时风电场升高到一定电压以后，他的功率怎么样送到岸上去，又涉及到一些送出直流技术。