分散式风电机组单位调频技术研究-北极星风力发电网

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2020年10月14日，中国船舶集团海装风电股份有限公司北京研究院电气仿真工程师李德才在2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）上作了题为《分散式风电机组单位调频技术研究》主题演讲。

以下为发言实录：

李德才：我是来自中国海装的李德才，介绍一下海装在风电机组调频方面的研究和探索。我先介绍一下研究背景，为什么风电机组要参与电网的调频，然后简单介绍一下我搭建的仿真模型，之后介绍调频方法，最后是总结。

随着风电机组并网越来越多，电力系统中频率平衡的问题日益突出，因为在电力系统中用电量和发电量需要保持实时平衡，否则导致电网频率波动影响用电安全，严重会导致局部断电，包括一些电力设备在额定频率下是最优的，并且对于大型的火电厂来说，如果电网频率低于50赫兹很有可能会导致汽轮机组的震荡，严重会导致汽轮叶片的断裂。

但是电力系统中电网频率偏移是不可避免的，由于功率的不平衡所导致，所以这需要发电侧能够主动跟随负荷的需求，主动调节电能输出。对于风电机组来说，可以通过变将一些方法增加输出，无法增加主动输出，因为原动机风是不可控的。

电网频率稳定是电能质量的一个重要指标，所以风机增加频率响应的能力，对于分散式风机来说压力更大，因为缺少了厂级的控制，所以所有调控只能靠风电机组本身。

根据调频能力以及调节范围不同，可以将电网调频分为一次、二次、三次调频，一次调频是电网频率片定额定值，发电机通过调率器主动增加有功的输出，遏制电网频率下降趋势，一次调频特点是响应速度快，只能做到有差调频，为了使电网频率重新回到50赫兹这时候需要二次调频。传统火电厂二次调频是通过发电机调频器使功能曲线上下移动增加有功的输出。三次调频是经济上的调度，更加合理利用能源和设备，我今天主要介绍一次调频和二次调频，为了使风电机组具备调频的能力，它的方法主要有三种，虚拟惯量法、预留功率法和储能法，我们提出方法不能直接用于风电机组，要通过仿真验证它的可行性，所以接下来简单介绍一下仿真模型。

这个模型是根据海装3.2GW机组重要参数搭建，风机包括叶片、传动链、发动机、变压器并到电网上，首先根据叶片的结构，这个转距通过传动链传动发动机，传动链使用模型。

接下来介绍调频方法，首先是虚拟惯量法，为了实现风机最大风能补货，风能的转速与电网频率不断存在耦合关系，也就是风机是横频电速，所以说风机无法感知电网频率的变化，进而失去了传统电厂所具备关联响应以及依次调频的能力。风机具有强大转动惯量，叶片都几十吨，所以当电网频率下降的时候，我们可以将部分旋转动能转化成电能输送到电网上，在具体控制的时候风机当前功率以及转速需要共同用于电流环的计算，减少爬坡过程中传动链的震荡。通过仿真研究我们发现不同风况下，风机均可以在一定时间内稳定提高有功输出，以风速8.5m/s为例，当风力下降风机有效输出下降10%，风轮会持续下降，虚拟惯量法只能用于短时间依次调频，并且导致电网频率二次跌落。

为了使风电机组具备长时间稳定需要使用预留功率法对风机健在，通过变桨和超速法等方法来减少叶片的飞替，进而降低叶片补货的能量。当电网频率下降的时候，风机可以重新回到最优风况点上，但这种方法会导致机组满发时间减少影响收益。如何在传统最大功率跟踪控制模式下实现风电机组调频呢，这时候需要借助储能设备，储能作为可调度的资源是解决风电波动性与随机性的一种方法，简单列了一下现有储能方法有这么多种，哪些适合于风电机组呢？

首先我们需要考虑能量的形式，风力发电是将机械能转化成电能，所以我认为首先可以排除储热，电能转化成热能没有问题，把热能重新转化电能需要很多设备而且效率较低，如果做综合能源系统或者热电连产，储能是很好的储能方法，不适合风电机组调频工作。

接下来储能技术成本和技术成熟度，我认为可以回你这些方法，技术储能是自放电和学校使用大量负荷材料成本较高。普通金属材料无法承受很大的离心力，超级电容能量密度低，超早储能是实验室阶段，储氢是很有前景储能方法，可以通过燃料电池形式与风电机组结合参与电网调频，目前仍然成本较高。

对于抽水储能对地理位置要求很高，需要很大落差，并且需要修建两个水库，对环境影响比较大，很多风厂位于内蒙和新疆，很难找到这种位置，并且水资源也比较匮乏，所以我认为目前适合于风电机组调频的储能方法主要是压缩空气和电池储能。

一两个示范项目对比一下这两种储能方法，锂电池功率要比压缩空气低一点，如果功率相当的话成本应该会更低一点，基本上我们可以认为压缩空气储能和锂电池储能功率成本是相当的，但压缩空气功率成本远远低于锂电池，并且使用收率在30年以上。第一个压缩空气电厂是1979年在德国建的，目前还在运行，如果有良好维护运行时间很长，缺点是效率比较低，现在最流行还是锂电池的储能，今天不做更多介绍，我主要想介绍压缩空气储能。

压缩空气储能是将波谷电用于带动压缩机，将空气压缩储存在储气罐在地下延续，将波峰把压缩空气释放出来，带动做功带动发动机发电。因为能量成本很低，如果找到延续和矿井，压缩空气储能还能做季节性的调节，这是其他储能所不具备的。

风电厂压缩空气结合的方式比较简单，就是将多余的电能直接转化成压缩空气，对于大型压缩空气储能电厂，为了提高它的效率都使用多极压缩、分极储热的方式。在释放压缩空气的过程中，也要使用多级膨胀、分级换热的形式，对于十兆瓦级别压缩空气储能现在效率可以大于60%，100GW级大于70%。压缩空气可以与海上浮动式风电结合，充分利用浮筒里面的空仓。

风电机组如何与压缩空气结合呢？这是我们提出分散式风电单机与压缩空气结合结构图，齿轮箱高速端增加齿轮轴，将部分短距传送压缩机，能量以压缩空气形式储存起来，波峰释放压缩空气带动膨胀机做功，所产生转距通过齿轮箱，提高机组的发电量。这种结构是压缩空气与风电机组结合最简单的形式，同时成本也为最低。

最后总结一下，每一种调频方法都有它的优缺点，我的意见是根据当地一些政策以及要求，并且通过经济性分析将这些方法结合起来共同用于风机的调频，谢谢大家！

（根据速记整理，未经本人审核）

明阳智能贺小兵：基于平价时代的分散式风电及多能互补整体解决方案

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