风电并网问题探讨

NorthChinaElectricPowerUniversity大规模风电并网的主要问题及新技术王毅2河北风电装备技术路线图会议我国风电并网发展特点123大规模风电并网面临问题大规模风电并网的新技术3河北风电装备技术路线图会议我国风电并网发展特点•大规模–经济增长和能源需求使中国成为世界上最具发展前景的风电市场–能源局拟将2020年风电装机容量规划提升到1.5亿千瓦–规模化发展也使风电成本不断下降，逐渐接近常规能源。•高集中–甘肃、内蒙等六省区七个千万千瓦级风电基地的规划–河北省千万千瓦级风电基地规划总装机容量为1078万千瓦，其中张家口地区规划装机容量为713万千瓦，承德地区规划装机容量为320万千瓦，沿海地区规划装机容量为45万千瓦。•远距离–风能富集地区均属偏远地区，负荷小、火电水电少、电网薄弱–须远距离输送至电网负荷中心，最大输送距离超过1000公里。4河北风电装备技术路线图会议•我国正在建设世界上最强大的电网系统–发电装机容量截至2009年底，全国发电设备容量87407万千瓦，其中华北、东北、华中、华东都接近或超过1亿千瓦•世界上电压等级最高的交直流输电工程–特高压发展：到2015年建成华北、华东、华中（“三华”）特高压同步网，形成“三纵三横一环网”。–高压直流输电：用于水电的西电东送出和区域电网互联•风电集中的地区是电网的薄弱环节，其发展速度远滞后于风电发展。•风电送出项目已列入电网公司“十二五”规划。•欧洲规划超级电网整合新能源我国风电并网发展特点5河北风电装备技术路线图会议我国风电并网发展特点6河北风电装备技术路线图会议•内蒙古电网通过两个通道共四回500千伏线路向华北电网送电。•规划在十一五末和十二五期间建设临河北等9座500千伏风电汇集站、多条输送风电的500千伏线路及多个汇集风电的220千伏输变电工程，总投资超过百亿元。•内蒙古自治区规划多个百万千瓦级风电基地，风电接入电网距离少则几十公里，多则一、二百公里以上，风电接入单位投资达到火电接入的30倍以上，电网投资能力不能满足风电发展的需要。为风电接入，电网不但需加大500千伏主网架的投资，而且需进一步加强电网结构和电网改造，从而加大电网投资压力。•国家电网已于2008年3月开工建设兰州-酒泉-瓜州的750kv超高压输变电工程项目，风电基地电能送往东部地区的电力负荷中心我国风电并网发展特点7河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网面临问题•问题产生原因：–风电：清洁的劣质电源，不可靠、不可预测、不可调度–电网：电源结构不合理和电网建设的相对滞后•“建设大基地，融入大电网”的发展规划与欧洲“分散上网，就地消纳”不同，大规模风电并网给电网带来的理论和技术难题，对电网公司是严峻挑战，同时对风电设备的发展也提出新的要求。8河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网面临问题•间歇性风电对电网的影响：恶化系统电压水平、导致线路传输功率越线、系统短路容量增加、系统暂态稳定性改变•电网末端电能质量对风场影响：电网扰动导致风电场的解列，不平衡电压会造成机组振动、过热。9河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•电网：接纳风电技术手段和经济政策的努力–加强风电地区电网建设及风电输送线路建设–调整电源结构，风电、水电、火电及储能的优化运行与打捆输送–建设抽水蓄能电站，研发新型储能技术–配置能适应间歇性电源的负载–提高电网对风电的调度管理能力10河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电产业–风电机组及风电场的建模–风电场的能量管理系统–变流器的控制系统–风电基地中风电场的联网技术11河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电机组及风电场的建模–机组模型：作为机组性能和特点的展示方式之一，揭示联网运行风电机组的动态特性，寻找设备本身的优点和不足，提供改进建议；–风电场集总等值模型：研究电网允许风电接纳能力、电网潮流计算与无功优化计算、风电接入对电网暂态稳定性影响等、风电场的无功电压和有功频率特性分析。12河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电机组及风电场的建模–电力系统分析软件：BPA、EMTP、PSS/E、PSASP、DIgSILENT等–DIgSILENT提供风力发电机仿真模型，但并不完善，也不能适用于不同厂家机型–由于风机类型的多样性、参数复杂，风机厂商需自己开发仿真模型，并经过实际运行数据验证。13河北风电装备技术路线图会议双馈电机及转子侧换流器控制模型:原动机模型轴系模型*桨距控制*旋转坐标表换*电流测量*电压测量StaVmea*保护模型ElmPro*风机模型*vw最大功率跟踪ElmMpt*功率控制ElmGen*Qref电流控制*双馈电机模型ElmAsm*功率测量StaPqmea双馈电机及转子侧换流器控制模型:cosphim;sinphimomega_turiq;idptPwindbetapsis_r;psis_iIrotIfq;IfdubypassP;QIfq_ref;Ifd_refPrefPfq;PfdspeedPmq;PmdDIgSILENT双馈风力发电机组主电路的PowerFactory模型双馈机组控制系统的PowerFactory模型框图14河北风电装备技术路线图会议功率控制模型:测量延迟测量延迟无功功率控制有功功率控制maglimiterMax0101non-windupPIKp,TpMaxIfqMinIfq01(1/(1+sT)Ttr--non-windupPIKq,TqMaxIfdMinIfd01(1/(1+sT)Ttr功率控制模型:1234010Ifd_refIfq_refbypas..QQrefPPrefDIgSILENT转子侧电流控制模型:限幅环节测量延迟测量延迟Non-WindupPI控制器Non-WindupPI控制器ModuleLimiterMax0101non-windupPIKq,TqMaxPmqMinPmq011/(1+sT)Tr1/(1+sT)Tr--non-windupPIKd,TdMaxPmdMinPmd01转子侧电流控制模型:2134001PmdPmquduqyi1yibypasso16IfdIfd_refIfq_refIfqDIgSILENT网侧换流器控制模型:网侧换流器ElmVsc*电流控制ElmCur*iq_refdq坐标变换ElmDq-*旋转坐标变换ElmDq-*直流电压控制ElmDc*udc_ref直流电压测量StaVmea*电流测量StaImea*锁相环ElmPll*,ElmPhi*网侧换流器控制模型:PmiPmrPmdPmqidiqsinph..cosph..udciiirid_refDIgSILENT有功无功功率控制模型转子电流控制模型网侧换流器控制模型15河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电场能量管理系统（EMS）–具有风电场的监控、功率预测、风机有功无功协调控制功能，可以与电网调度的AGC、AVC系统接口，使接入风电场与接入地区电网相互协调配合运行。–包括SCADA系统、风电功率预测、风电场并网控制、风电场有功出力控制、风电场无功出力控制、风电场频率调节控制、风电场电压调节控制、故障诊断等模块。16河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•电网友好型风电场（GridFriendlyIntegrationofWindTurbines）–并网和离网控制–有功变化率控制：限制风场风速变化时的有功变化率–故障穿越能力：电网扰动时不切机–调节风电场电压和功率–频率响应控制：一次调频–提供无功支持–当系统电源或负荷变化时提供惯性17河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•GE公司的风电场管理系统模块–WindSCADA–WindVAR–WindCONTROLTM–WindFreeTMReactivePower–WindRIDE-THRUTM–WindINERTIA18河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•变流器控制技术——对电网动态支持–拓扑结构和有功无功解耦控制已经成熟–存在问题：隔离了发电机对电网的频率响应，相当于减小了电力系统惯性。–电力系统惯性：反映了系统阻止电源或负荷变化的能力。•所有同步发电机和部分负荷对系统惯性有贡献19河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•变流器控制——对电网动态支持–低频功率振荡是大型同步电力系统常见问题–风电电源远离负荷中心，长距离跨区输送电力可能影响整个系统的小干扰稳定性。–系统惯性减小后，功率突变引起频率的变化量增加，影响系统的频率稳定。–虚拟惯性技术：在独立的有功无功控制上增加频率调节器和PSS辅助环节20河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术+PSS+Frequencyregulator+ffIc_q*Ic_d*ACvoltageorreactivepowercontrolMPPT+f*-+f111sTsT*dIskkd1p1WashoutPD211sTFilterLimit*-+f221sTsTfWashoutLead-LagLimiter*qIsTsT4311-kp2OutercontrolloopdiagramofVSCfornetworksupportSupplementarycontrolloopforfrequencyregulationSupplementarycontrolloopforPSS21河北风电装备技术路线图会议02468101214161820-0.6-0.4-0.200.20.40.60.802468101214161820-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8time(s)(a)time(s)(b)ActivepowerbetweenB3andB4(pu)ActivepowerbetweenB3andB4(pu)动态频率支持(a)无虚拟惯性环节(b)有虚拟惯性环节PSS(a)无虚拟惯性环节(b)有虚拟惯性环节22河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电基地的风电场互联——多端直流系统–大型风电基地尤其是海上风力发电场的迅速发展，对传统输电技术提出了新的挑战。–容量增大，对输电系统可靠性、稳定性要求更高–直流输电优势有：•快速的功率控制；•直流电网没有无功环流和稳定性问题。23河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电基地的风电场互联——多端直流系统–电压型直流输电的优势：•可连接无源网络和弱交流系统，不会出现换相失败；•可实现独立的有功和无功控制，可控性更好；•功率反转时电压极性不变，易于构成多端直流系统。24河北风电装备技术路线图会议大规模风电并网的新技术•风电基地的风电场互联——多端直流系统–研究多端直流系统的意义：•当VSC用于百万千瓦大型风电基地，可能需要多个VSC换流站及输电线路。•通过多端直流系统互联，可以增加风电场功率输送的可靠性和灵活性。•对提高大型风电场并网的可靠性、输电的灵活性、改善交流电网电能质量等，具有重要的理论和实际价值。25河北风电装备技术路线图会议26河北风电装备技术路线图会议27河北风电装备技术路线图会议华北电力大学保定永华北大街619号Tel:0312-7522106Email:[e-mail]!