中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源研究所總工程師遲永寧出席“上海國(guó)際海上風(fēng)電+風(fēng)電運(yùn)維活動(dòng)”時(shí)，就“海上風(fēng)電的建模與直流接入控制技術(shù)”發(fā)表技術(shù)演講

        中國(guó)風(fēng)電材料設(shè)備網(wǎng)：“海上風(fēng)電建模和直流并網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)”有幾個(gè)方面：第一個(gè)方面是大容量風(fēng)電機(jī)組的建模技術(shù)，因?yàn)槟壳皣?guó)家的新能源接入越來(lái)越多了。越來(lái)越多以后對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)每天的運(yùn)行方式可能不太一樣，都要做一些計(jì)算，研究電力系統(tǒng)出現(xiàn)一些問(wèn)題的時(shí)候，都需要一些發(fā)電的模型，比如說(shuō)常規(guī)的火電機(jī)組、水電機(jī)組。現(xiàn)在運(yùn)行的越來(lái)越風(fēng)電機(jī)組的建模，甚至是光伏發(fā)電本身的一些建模變得越來(lái)越重要了。因?yàn)閷?duì)于了解整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，對(duì)于認(rèn)識(shí)整個(gè)電網(wǎng)和新能源發(fā)電之間到底有什么相互作用都是非常有用的。

　　前兩年行業(yè)內(nèi)關(guān)注DDR的穿越作用，DDR穿越的問(wèn)題因?yàn)樽龅臏y(cè)試都是針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的。但是作為電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，更關(guān)注的是整個(gè)電力系統(tǒng)里面會(huì)怎么樣。所以像風(fēng)電場(chǎng)一些DDR的測(cè)試他也要通過(guò)建模技術(shù)來(lái)測(cè)試，比如說(shuō)去建立一些風(fēng)機(jī)的模型，然后組成一個(gè)風(fēng)機(jī)的模型放到電力系統(tǒng)里面做分析才能知道整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的經(jīng)過(guò)是怎么樣的。

　　第二，海上風(fēng)電技術(shù)，海上風(fēng)電技術(shù)咱們國(guó)家推進(jìn)的比較慢。未來(lái)三五年以?xún)?nèi)更多是交流的方式，其中當(dāng)然有一些問(wèn)題。全世界來(lái)講歐洲的風(fēng)電開(kāi)發(fā)直流的技術(shù)是越來(lái)越普遍的技術(shù)，因?yàn)橹绷魇怯幸恍﹥?yōu)勢(shì)的。所以今年會(huì)研究海上風(fēng)電的直流組網(wǎng)的技術(shù)，還有海上風(fēng)電多了以后，會(huì)形成一個(gè)區(qū)域性直流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)可能有多個(gè)發(fā)電的電源介入這個(gè)電網(wǎng)，這就是一個(gè)多斷的直流概念。

　　目前來(lái)看，國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)各種風(fēng)電機(jī)組做了一些分類(lèi)，目前大概有4類(lèi)分類(lèi)方式，把風(fēng)電分為帶有感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組，這種風(fēng)電機(jī)組像之前的金風(fēng)的750都是這種技術(shù)。但是近幾年隨著電力電子變頻調(diào)速的技術(shù)越來(lái)越多，這種技術(shù)用的越來(lái)越少了。更多的是第三種和第四種，而第二種是一個(gè)過(guò)渡技術(shù)，就是把傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)一個(gè)開(kāi)口借到一個(gè)電阻上，這樣通過(guò)控制電阻的阻抗多少可以改變一些風(fēng)電機(jī)組的特性。但是第二種機(jī)組應(yīng)用也比較少，目前最多是第三種、第四種，最常見(jiàn)的一種是雙饋的風(fēng)電機(jī)組，一種是直驅(qū)的風(fēng)電機(jī)組。之前的華銳、東氣風(fēng)機(jī)基本上都是雙饋式的。對(duì)這4種風(fēng)電機(jī)組的建模現(xiàn)在國(guó)際上了很多工作。

　　對(duì)于模型，因?yàn)樾枰媚Ｐ妥鲆恍┓治龊脱芯俊８鶕?jù)目的的不一樣的，對(duì)模型也有不同的分類(lèi)，比較簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)目前對(duì)電力系統(tǒng)就是兩大類(lèi)，一大類(lèi)是機(jī)電的模型，更多的是用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題，安全問(wèn)題。再有一種是詳細(xì)的模型，是風(fēng)電機(jī)組的電磁模型，更多的是廠(chǎng)家在使用，是一種設(shè)備級(jí)的。像設(shè)備本身的電池特性，像設(shè)備本身通過(guò)電力電子控制的特性，都是用電磁展臺(tái)的模型。但是對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，更多的關(guān)注是一個(gè)機(jī)電展臺(tái)分析的模型。

拿比較常用的雙饋風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)單介紹一下，就是建模是什么。因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，包括了空氣動(dòng)力學(xué)的模型，機(jī)械部分的模型，也包括了發(fā)電機(jī)的模型。但是對(duì)于目前的風(fēng)力發(fā)動(dòng)和光伏發(fā)電更重要的是電力電子的模型。這塊模型對(duì)于發(fā)電技術(shù)本身，對(duì)于電器的特性，運(yùn)行的特性有更大的影響。因?yàn)榛旧巷L(fēng)電機(jī)組和光伏電器特性都是依靠電力電子部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)部分包含了風(fēng)力機(jī)、軸、發(fā)電機(jī)，實(shí)際上通過(guò)齒輪箱連接起來(lái)以后，把一個(gè)慢速的風(fēng)力機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)，最后到發(fā)動(dòng)機(jī)這一側(cè)就變成了高速的制塊了。所以說(shuō)在做建模的時(shí)候，目前來(lái)說(shuō)考慮的更多的是把風(fēng)力機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)分開(kāi)，實(shí)際上是兩個(gè)質(zhì)量塊的模型。這兩個(gè)質(zhì)量在電網(wǎng)發(fā)生穩(wěn)定問(wèn)題的時(shí)候，故障的時(shí)候，這兩個(gè)質(zhì)量塊之間就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)了。有相對(duì)運(yùn)動(dòng)軸就會(huì)出現(xiàn)一些扭轉(zhuǎn)，一些振蕩問(wèn)題。所以這一塊在建模里是需要考慮的，也會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的特性帶來(lái)一定的影響。

　　當(dāng)然更重要的是風(fēng)機(jī)完全是依靠一個(gè)變流器的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)的控制，因?yàn)楣夥孀兤魇且粋€(gè)主要的控制系統(tǒng)，靠逆變器本身來(lái)控制。對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，主要是靠電機(jī)測(cè)的逆變器來(lái)控制我的風(fēng)電機(jī)組，或者說(shuō)我的風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的電的電機(jī)特性。這個(gè)比較復(fù)雜，因?yàn)橐环矫嫘枰恳恍┦噶靠刂频脑戆扬L(fēng)電機(jī)組或者發(fā)電機(jī)兩塊的內(nèi)容分開(kāi)控制，一塊就是能量方面，就是功率方面。

　　另一塊是發(fā)動(dòng)機(jī)的電壓是和無(wú)功相關(guān)的。無(wú)功又和這個(gè)風(fēng)電機(jī)組本身的風(fēng)量是有關(guān)系的。這兩塊通過(guò)矢量控制的原理把的完全分解了。通過(guò)控制一個(gè)量完全可以控制風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率是多大，比如說(shuō)發(fā)出1兆的電力。另外一個(gè)控制另一個(gè)量完全控制發(fā)出的無(wú)功功率是多大。這個(gè)東西可以控制發(fā)電機(jī)的機(jī)端的電壓。

　　第二個(gè)方面是海上風(fēng)電場(chǎng)直流組網(wǎng)的技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)在國(guó)家開(kāi)發(fā)的是離岸距離已經(jīng)近的20公里、30公里，通過(guò)交流來(lái)接入。這樣一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)20萬(wàn)或者30萬(wàn)的規(guī)模還不是很大，但是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模更大一般，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)離岸距離更遠(yuǎn)以后，一些問(wèn)題就出現(xiàn)了。這時(shí)候就依靠交流介入的技術(shù)可能就有問(wèn)題。所以可以看到在歐洲的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)過(guò)程里面，包括德國(guó)北部的北海、包括英國(guó)附近甚至大西洋旁邊的海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)，比如說(shuō)離陸地是90公里100公里，更多的是采用直流的風(fēng)機(jī)，直流的技術(shù)是包括在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)用一些直流來(lái)組網(wǎng)，組成一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)升高到一定電壓以后，風(fēng)機(jī)的功率怎么樣送到岸上去，又涉及到一些送出直流技術(shù)。

　　目前在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有這樣幾種匯集方式，比如常見(jiàn)的風(fēng)電機(jī)組他出口電壓是690V，是交流的。通過(guò)一個(gè)相變把電送到10千伏，或者3萬(wàn)5，然后串并聯(lián)到一起，匯集了以后在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)把他升壓。一般來(lái)說(shuō)，這種交流的匯集在場(chǎng)內(nèi)一般是交流電通過(guò)這種串并聯(lián)的匯集以后，通過(guò)升高變壓器把他升高一個(gè)電壓升級(jí)，通過(guò)交流，通過(guò)一個(gè)交流的輸入電路送到電網(wǎng)。這個(gè)是國(guó)家目前來(lái)說(shuō)采用的技術(shù)。因?yàn)槟壳斑@一段的傳輸距離比較近，只有20到30公里的，所以不會(huì)引起特別大的問(wèn)題。但是變電站的體積比較大，而且成本也比較高。一旦輸電線(xiàn)路的長(zhǎng)度增加，就會(huì)有一些電壓的問(wèn)題，所以需要無(wú)功補(bǔ)償。

　　隨著輸電的距離越來(lái)越遠(yuǎn)。現(xiàn)在更多的選擇是把輸電線(xiàn)路本身變成一個(gè)直流。隨著輸電距離增加，交流輸電帶來(lái)的一些問(wèn)題是很難克服的。這樣就有必要通過(guò)直流來(lái)進(jìn)行傳輸。但是這種技術(shù)仍然存在一些問(wèn)題，比如說(shuō)必須有公平的變壓器，頻率是50赫茲。這樣的話(huà)體積就做的比較大，需要放到海上平臺(tái)。這一塊對(duì)海上建設(shè)的要求是比較高的。

下面介紹一下直流組網(wǎng)本身方式分類(lèi)，比如說(shuō)直流風(fēng)電機(jī)組可以是現(xiàn)在的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組把交織變流器另一邊去掉，中間就剩直流了。直流以后通過(guò)一些并聯(lián)，把這個(gè)風(fēng)電機(jī)組到所有的電力匯集起來(lái)，通過(guò)一個(gè)DCDC向岸上輸送。但是這樣有一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槊總€(gè)風(fēng)電機(jī)組本身的DCDC的電壓不是很高，匯集起來(lái)以后他這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)會(huì)低一些，所以說(shuō)他需要一個(gè)DCDC升壓的變換器他的電壓升高才能送回去。而DCDC本身的技術(shù)變頻是比2倍要大，可能是3倍，這方面的技術(shù)還不太成熟。

　　海上風(fēng)電根據(jù)不同國(guó)家的規(guī)劃，歐洲在北海，北海既有德國(guó)，也有像丹麥、瑞典很多國(guó)家的參與。在北海建一些海上風(fēng)電，利用直流比較先進(jìn)的技術(shù)，柔性直流的輸電技術(shù)建立起一個(gè)海上的直流網(wǎng)絡(luò)。另外像歐洲這種超級(jí)電網(wǎng)的概念，要把北非的一些光資源和光熱發(fā)電接入到電網(wǎng)里面。還有地中海的一些光熱發(fā)電，光伏發(fā)電。

這個(gè)超級(jí)電網(wǎng)的規(guī)劃是歐洲的風(fēng)能協(xié)會(huì)提出的，在面臨未來(lái)大規(guī)模新能源發(fā)展的情境下就提出了直流聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把大規(guī)模的新能源通過(guò)直流的電網(wǎng)輸送到歐洲的負(fù)荷中心區(qū)。中國(guó)也有同樣的問(wèn)題，因?yàn)橐环矫婧Ｉ巷L(fēng)電在山東、江蘇、甚至福建廣東以后也有一些，另一方面內(nèi)陸風(fēng)電也有一些，內(nèi)陸風(fēng)電大家在提可以通過(guò)傳統(tǒng)的直流，通過(guò)幾千公里的距離把西部可再生能源送到東部來(lái)。

　　但是也有一種可能，因?yàn)槲鞑康娘L(fēng)電比較分散比較多，所以他在某些局部區(qū)域可以剛才說(shuō)的類(lèi)似于海上風(fēng)電直流匯集輸送的技術(shù)，可能會(huì)形成某些區(qū)域的直流電網(wǎng)，把這個(gè)電力再通過(guò)比如說(shuō)遠(yuǎn)距離的交流輸電，或者是遠(yuǎn)距離的直流輸電輸送到負(fù)荷中心去。

　　美國(guó)也有這樣的規(guī)劃。但是隨著以后美國(guó)新能源越來(lái)越多，交流電網(wǎng)里面就會(huì)出現(xiàn)紅色的直流，直流是可能是兩個(gè)不同的交流電網(wǎng)背靠背的直流聯(lián)系，當(dāng)然也有可能在某個(gè)區(qū)域形成一個(gè)區(qū)域的直流電網(wǎng)，同時(shí)通過(guò)這個(gè)區(qū)域把電送到交流電網(wǎng)里去。對(duì)于直流技術(shù)的研究，世界上關(guān)注人越來(lái)越多。相信應(yīng)該在不久的將來(lái)，直流電網(wǎng)肯定在實(shí)際的工程里面有一些應(yīng)用。

對(duì)于這種海上風(fēng)電來(lái)說(shuō)，最有可能形成這樣一個(gè)情景，比如海上有幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，或者幾個(gè)大的風(fēng)電場(chǎng)群。這些風(fēng)電場(chǎng)每個(gè)都會(huì)形成一個(gè)直流。直流跟陸上的交流系統(tǒng)通過(guò)一些聯(lián)系聯(lián)系在一起。但是現(xiàn)在各個(gè)地方都在做不同的研究，有的單位提出可能是一個(gè)環(huán)狀的電網(wǎng)，但是環(huán)狀電網(wǎng)可能有一個(gè)問(wèn)題。比如說(shuō)電腦的電氣聯(lián)系斷了，所有電力都要通過(guò)這邊輸來(lái)送到交流電網(wǎng)，這樣的話(huà)對(duì)于某些局部的線(xiàn)路就需要承擔(dān)4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的容量。這樣經(jīng)濟(jì)上是不合算的，所以說(shuō)這個(gè)環(huán)形聯(lián)網(wǎng)雖然簡(jiǎn)單，但是輸電線(xiàn)路成本應(yīng)該會(huì)比較高。因?yàn)檩旊娋€(xiàn)路在某些條件下要承受更大的功率。

　　再一個(gè)是星型，星型就是把所有的匯集在一個(gè)點(diǎn)上，這樣需要建一個(gè)海上平臺(tái)。但是匯集到一個(gè)點(diǎn)上，相對(duì)來(lái)說(shuō)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響其他三個(gè)。但是還有一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是可能需要海上需要建立一個(gè)集中的東西來(lái)匯集這些電力。再有一個(gè)，當(dāng)風(fēng)電的匯集跟電網(wǎng)之間的這些短的連接線(xiàn)上出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受影響。

當(dāng)然還有人提是這種混合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能會(huì)解決一些問(wèn)題。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)成本也比較高，運(yùn)行起來(lái)也比較復(fù)雜。不管怎么說(shuō)很多問(wèn)題通過(guò)技術(shù)可以解決的，但是通過(guò)技術(shù)和運(yùn)用可以考慮更多的可靠性，更多的冗余度的時(shí)候，經(jīng)濟(jì)上的投入就會(huì)增加。這這塊不單單是一個(gè)技術(shù)上的考慮，是一個(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合考慮。

　　對(duì)于剛才說(shuō)的多端直流控制做的研究也比較多，像剛才這種電網(wǎng)會(huì)形成一個(gè)海上多端直流電網(wǎng)。每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群會(huì)在這個(gè)直流電網(wǎng)里負(fù)擔(dān)起一定的控制責(zé)任。比如有的海上風(fēng)電場(chǎng)要控制你這個(gè)接入點(diǎn)的直流電壓，要保證電壓。有的風(fēng)電場(chǎng)負(fù)擔(dān)發(fā)出多少功率，這個(gè)直流電網(wǎng)就是吸收多少功率。同時(shí)電網(wǎng)直流站也會(huì)有這樣的要求，到底是來(lái)控制電壓，還是控制一個(gè)功率的分配。

　　假設(shè)有兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)或是兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)基地，通過(guò)直流接入到陸上以后，這樣他會(huì)在這個(gè)直流系統(tǒng)里面會(huì)形成4個(gè)直流的換流站，每個(gè)換流站他在直流里面控制目的、控制策略都是不一樣的。比如說(shuō)對(duì)于VSCE換流站可以根陸上的電網(wǎng)就控制功率，就把電網(wǎng)發(fā)出的功率取其中一部分通過(guò)這個(gè)端口送到電網(wǎng)里去，這一塊就控制直流電壓。在運(yùn)行里面控制直流電壓意味著什么呢？意味著要保證這個(gè)直流電壓是穩(wěn)定的，但是功率大了以后，直流會(huì)升高，這個(gè)時(shí)候會(huì)采取一定的手段，把吸收到的功率通過(guò)這個(gè)站完全送出去。

　　所以這個(gè)站的任務(wù)是什么呢？保證直流的電壓是恒定的，但是直流的功率最后海上風(fēng)電的功率是在不斷變化的。這樣目前控制方式可能有的陸上站負(fù)責(zé)控制電壓，控制電壓相當(dāng)于不斷的吸收風(fēng)電場(chǎng)的功率，功率大了以后就多吸收，少了以后就少吸收。而這個(gè)是保證恒定的功率，這個(gè)比較簡(jiǎn)單。但是也會(huì)造成什么問(wèn)題呢？這個(gè)站他運(yùn)行方式的變成比較大，對(duì)這邊的電網(wǎng)會(huì)一些影響。所以從理論上來(lái)說(shuō)，雖然有一些優(yōu)點(diǎn)，控制比較簡(jiǎn)單，任務(wù)分配也比較明確，但是在實(shí)際的系統(tǒng)接入里面有一些別的問(wèn)題。

　　還有的別的控制方式，比如使直流電壓偏差控制。比如說(shuō)這個(gè)站以前是控制直流電壓，保證功率的吞吐。但是當(dāng)傳輸?shù)娜萘砍^(guò)一定的限制的時(shí)候，這個(gè)直流電壓的可能會(huì)升高。升高到一定程度有了邊查以后，把站控制的一些任務(wù)就會(huì)轉(zhuǎn)到其他的站上去。比如說(shuō)這個(gè)站就不控制電壓了，到了上限了就只去控制功率了，把控制任務(wù)轉(zhuǎn)到這個(gè)站去了。所以依靠直流偏差的控制可以在站和站之間改變一些控制策略。

　　電壓的下垂控制，也叫斜率控制。其類(lèi)似于交流系統(tǒng)里面的一個(gè)行為，比如說(shuō)一個(gè)電網(wǎng)，電網(wǎng)里面有很多發(fā)電廠(chǎng)，發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電的多少是影響這個(gè)電網(wǎng)的頻率的。當(dāng)電網(wǎng)頻率升高的時(shí)候，這個(gè)發(fā)電廠(chǎng)本身調(diào)頻的系統(tǒng)就會(huì)讓這個(gè)發(fā)電廠(chǎng)的出力降一些，當(dāng)頻率低的時(shí)候，會(huì)讓這發(fā)電廠(chǎng)的出力高一些，這個(gè)東西就叫下垂控制。

　　這個(gè)下垂控制的想法實(shí)際也可以在直流里面實(shí)現(xiàn)，直流里面看到的就不是系統(tǒng)的頻率了，因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)沒(méi)有頻率，就是一個(gè)直流電壓了。當(dāng)直流電壓發(fā)生變化的時(shí)候，就通過(guò)直流電壓的變化來(lái)控制這個(gè)電壓功率傳輸，這個(gè)類(lèi)似于交流系統(tǒng)的頻率控制一樣，通過(guò)這種手段來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的控制。這樣的話(huà)會(huì)有一個(gè)好處，這兩個(gè)站控制基本上是同步的，比如說(shuō)當(dāng)風(fēng)電的出力更多的時(shí)候，兩個(gè)站直流上升是差不多。兩個(gè)站在直流偏差的控制下，會(huì)讓注入電網(wǎng)的功率增加。這樣也是會(huì)通過(guò)這樣機(jī)制來(lái)控制整個(gè)多端的控制。

　　這些技術(shù)尤其在中國(guó)是處于研究階段，在歐洲可能有一些應(yīng)用。但是隨著海上風(fēng)電越來(lái)越多，從近海風(fēng)電發(fā)展到遠(yuǎn)海發(fā)電，直流技術(shù)應(yīng)該在海上風(fēng)電甚至陸上風(fēng)電當(dāng)中有更多的應(yīng)用。