CWPE2019:运达风电许国东:基于实测数据的风电机组惯性能量支撑过程计算分析_东方风力发电网
当前位置: 首页 » 看资讯 » 活动动态 » 正文

CWPE2019:运达风电许国东:基于实测数据的风电机组惯性能量支撑过程计算分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-28   来源:东方风力发电网  浏览次数:112
核心提示:2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。浙江运达风电股份有限公司副总工程师许国东在会上为大家带来了题为《基于实测数据的风电机组惯性能量支撑过程计算分析》的精彩演讲。
   2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。浙江运达风电股份有限公司副总工程师许国东在会上为大家带来了题为《基于实测数据的风电机组惯性能量支撑过程计算分析》的精彩演讲。


 
  以下为演讲实录:
 
  我是运达的许国东。大家看到这一题目可能是不太明白我想讲什么,由于前一次我讲这个题目是在偏学术性的场合,所以说我今天可以翻译一下这个题目到底是什么意思,翻译过来是这样一个意思不预留功率的情况下,风电如何实现电网频率支撑?对于频率的支撑性,我们产业就有很大的问题,我们要不要预留功率?如果和火电其他的预留百分之几的功率,那意味着我长期受到功率的损失,实际上我的弃风量由于这个原因又上升了,经济指标又下降了,是不是必要的?如果电网真的是出于安全、稳定的需要一定要这样干,那大家肯定要有点妥协,但是这是否必要?如果不是必要的话?我们为什么要忍受这么大的经济损失?所以我想的是这个问题。
 
  通过这样几个方面做介绍:第一个风电对于频率的波动作用。频率为什么波动?是因为局部系统内有功公率输入量和输出量有偏差,那么右上这个图大家可以看到,左边的图是一个结构,两边有一个电源,中间有一个负荷,负荷上升,G点频率都会产生波动,这个波动量和你负荷端和电机距离是有关系的。图上1点和2点的频率本身是不一样的,所以系统中的频率不是一陈不变,哪怕是稳态也是不变的,而且波动的浮动和电机距离是有关系的。这样的波动量肯定不是我们所需要的,我们需要一定的条件能力来稳定住这个频率,那么如果我们做,可能这个频率失稳。最近英国出现了低频的减载大频的情况,特别是小电网弱的情况下,频率的波动率更大,就越需要我们有这样的调节能力。当风电和其他的电子电源接入系统以后,我们的惯性能力越来越差了,电网的惯性能力是由你的机电系统产生的,为什么会有惯性呢?学过电机学的都知道,电机的同步转速和频率是刚性约束的,你转多快频率多大,反过来频率想波动的时候,你也会受到电机的恒定转速的约束,因为转速不可能突变,但是风电这样的电力电子的电源没有这样的特性,常规来说它都是电流性的特性,风电根据频率来做的,风电的频率是跟着电压来的,你频率变了它就变,所以它才有稳定性的问题。
 
  这个大家可以看到这是常规能源的,这是一个火电和水电目前线性标准的要求,它是怎么做的呢?它要求我们的水电和火电在频率波动的情况下,要迅速地能够发出提升它的功率,来实现一次调频作用。但是这个一次调频的作用大家要注意,本身是有一定的能量作用,它也不能凭空多出来,大家明白吗?如果这台火电机组是30万千瓦,让我发出35万来是不可能的,而且也不长期,但是它的响应是多少?火电3秒,燃气5秒达到国标值,它为什么需要这样的时间?这都是有道理的。就是因为火电的锅炉压力不允许突变,如果它跑得更快的话,它设备本身的安全性就有问题。水电机组合水头也不能突变,所以是这样的物理因素制约使得它不能这么快,不是它不希望更快,大家明白了吗?是它做不到,做得最好也只能到15秒。但是大家看到这个要求是针对风电的要求,国外的要求是10MW以上的风电项目必须具备暂态频率支撑能力,要求是10秒,右边的是  爱尔兰的要求,要求支撑15秒钟。国外局部地区已经出现了这个东西,比如说我们看右上的图,这个是两个国际的厂商,一个是Enercon,一个是GE,他们出的也是暂态,一段时间的频率支持。当然Enercon做的是恒定功率的支持,GE可以做到近似的惯量支持,右下的是西门子所做的,不同风速大小的情况下,我在一段时间内,比如说10秒我可以实现不同功率增量的支持。这都是国外的做法。
 
  但是大家看看真实的频率,电力系统的频率扰动是左边这个图的样子,从频率的恒定点50赫兹跌到最低点,大概是5—15秒的时间,如果系统越小越薄弱,你接下来的时间又快,如果系统比较强,时间就慢。那么在这样的情况下,如果我风电想要支撑电网频率是有两种做法,第一种是右上那个图,比如说惯量,为什么会有这样的图,为什么会出来?是因为常规的能源机组,我们的火电机组,水电天然是头部惯量,只是这么粗的,它只能这么粗,并不是他觉得这么好,是它只能粗成这样,物理天然的属性是这样的。右边这个图我们是和西门子和Enercon的做法,实现一定增量固定时间的支持。我们用这样的一些方法来实现对频率最低点的支撑作用,我们希望频率最低点的低位能够被抬升,我们不希望因为频率低到一定的水平上,低频是要减载的,电网要把很多的负荷迁出去,事实上就是停电。从右边的图相比较来讲,实际上惯量所实现的时间是做不到5秒以上的,比如说我们固定一个H时间,火电时间是3秒或者是 5秒,固定惯性时间常数做到这个时间,但是支撑常数达不到,或者是难以实现对真正频率最低点的支撑作用。我们只有采用右下的图,拉到我所需的长度才能支撑最低点,而这个时间在风电的控制作用中它完全是可调节的,你需要多长再定量我是可以实现的。这是我们在现场所做的一些实验,一种是这个场景不预留功率的,左上的这个黑色是P有功率,做完这个功率支撑以后我肯定会出现一个凹坑,大家知道能量是守恒的,我无非是把一段有功的能量挪到前面的时间,但是不能新增能量,甚至是我是后面这个坑比前面大,原来我是跑在最佳功率曲线上的,挪用了这个功率是偏离了这个最低点,它的缺口一定是变大的,大家都可以理解,一个是预留功率的,一个是不能预留功率的。大家看到这条线左上是一条直线是平的,这时候它没有这个凹坑,但是这个凹坑是有代价的,你没有需要进行支撑的时候,我始终预留这个功率,一台2MW的机组预留10%的功率,它的满功率只能跑到1.8%,这是大家想看到的吗?一天可能只支撑1—2回,但是一天24小时都预留吗?但是不预留会有什么样的问题?当我们不预留的时候,产生凹坑的时候,有功功率进一步下降,这时候频率的下降就是因为有功的发出不如有功的消耗,这时候频率产生第二次低点,这是系统肯定不愿意接受和面对的。对于不预留的功率形式,反对声音最大的就是这个凹坑。你在恢复的时候产生的功率缺额会产生下降,电力系统就是不愿意看到这个,但是现在有一个问题,这个坑到底会多大?实际上我看了国内很多的专家讨论,或者是硕士、博士论文在讨论这样的问题,都是在讨论如何实现支撑,或者说我们是讲控制,如果我预留功率,在转速上怎样优化控制,从来我就没见过这个坑到底多大。我有一个想法,如果我们能够知道这个坑它会有多大,它是不是就可以其到现实的支撑作用。比如说我这个火电是15秒以后能够起来,我风电支撑到15秒后退出,两者的量化关系能够量化起来,那这样的话就是有可支的情况了。
 
  以往很多专家在讲的时候,都讲坑,但是坑和增量到底是什么样的量化关系从未说清楚过,有说两倍的,有说三倍的,还有说五倍的,就是因为这种模糊性造成了它的不可用性。我们想解决的就是这个问题,想解决这个问题是有几个前提。这几个前提就是风机到底是怎样的,它这个时候卸装能量会怎样,这个是一个功率曲线的采集的情况,当然就告诉大家风的特性,风电机组的气动性能是受到很多外在因素的影响,风电发电机组的发力曲线是很大的数据统计归纳出来的数据,一条线,并不是时时刻刻都在这条线上,当然可以受到很多因素的影响。比如说受到剪切和湍流的影响。比如说现场测量一台机组,我们非常需要标准的地形,湍流多少,温度不能相差太大,温度要校正。但是对于真实在运行的风电厂不可能每台机组都是这个类型,真实的机组怎么办?比如说我们很有可能受到冰冻、限功率和噪音控制的影响,进而影响我的功率表现。这时候就是说它这个情况是比较复杂的,但是是不是情况复杂我们就不能办,那么我们想到的是这样一个方法。右边第一个图大家知道这是风力发电机组特性的图,用公式来表达它的Cp能动曲线是怎样的,这个公式实际上表达的是诊断,但是事实上我们需要用到的不是诊断,我不需要用那么大一段,我只需要用到,比如说功率支撑的时候我只需要用到红圈的那一段,所以我们想了一个办法在红圈的那一段里面我们是可以根据运行的数据,比如说这个机组在这个扇区你运行的数据我是可以倒推出这个功率曲线的表达的,而且它也没那么复杂。像这样的情况下,我就可以知道每一台机组虽然我一个风厂的机型是一样的,但是每个机组在每个扇区的功率表达是不一样的。得到这样的拟合公式,就能得到另外一个惯性能量的确定性关系,大家知道这是功率增量支撑时它的运行轨迹上的关系,比如说在1这个点上,我们这个风电机组增加了一个能量,叫Delta(德尔塔)PUP,这个到一定的能量我的转速下降,下降到3点以后退出这个运行,退出的前提是什么?为什么恢复到之前的状态,它的转速必须上行,上行的前提条件是我输入的能量一定大于我输出的能量,我从叶轮吸收的能量是大于我输入的电功率,这样的转速点能够恢复到原有的状态,这是肯定的。从4恢复到1,这个过程中有怎样的关系呢?可以看到原来的风电机组的控制都是风速变加有一个极速的特性,然后我们增加了Delta,然后它嵌入的是有功功率增量,只不过增量在过程中你是怎样调节的。然后我们可以看到整个能量的关系是怎样的呢?从能量平衡的角度来说我们有什么?第一个在这个过程中我们吸收了气动能量,吸收风能量,转速发生了变化从高的转速降落到低的转速,中间是有动能的变化。第三个方面是什么?我们有一定的损耗功率,我们在极限损耗、电损耗有一定的损耗,第四个能量是我们的支撑功率,我们支撑出去的电功率也是相对的,能量关系上应该是平衡的,因为能量没有产生变化,输入、输出就这些,它一定是为零的,会平衡掉的。输入动能的变化、输入能量变化,吸收能量和损耗能量最后是一个整合的关系。这样的条件下我们做了一定的假设,假定风速在15秒内不变,那么我们可以得到这样的式子,在对于Cp在确立点上,偏二级偏导数就得到这样的结果,Delta的气动能量最后表达是这样的公式,就是可以算出来的。从前面的那一页来讲大家知道什么都不能算,只有Delta的气动能量是有一定的不确定性,其他的惯性能量和转速都知道,测转速就知道惯性能量变化多大,作为损耗功率做过实验和测定一下就知道,你的功率增量是你设定的。只要得到了Delta的气动能量,就能推出Tspt和Pspt的量化关系,这就是我们做工作的这样一个基本前提。所以通过这样的式子是能做出来的。
 
  我们最大的结论是在确定起始状态、支撑功率幅值、机组气动特性和转速边界条件的情况下可以求得功率支撑时间Tspt。如果我们要增加10%的功率增量,在其他条件给我的时候,我都知道这种在做功率支撑的时刻,我就可以告诉你我能支撑几秒钟,或者是你让我支撑十秒,我也可以告诉你我能支撑5%还是7%还是10%,当然另外一个方面,从第二个推论来讲是这样的,就是说有的时候现在魁北克的要求功率缺口的深度不能超过20个Pn,对于功率缺口的深度是有要求的,那怎么办?实际上也是可以的,当你要求功率缺口深度的时候,意味着我这个转速,功率缺口深度和转速相关的,告诉我功率缺口深度意味着我最终的转速是多少,然后我们也可以得到支撑能量的关系,比如说功率缺口深度不能超过20%,我也可以告诉你在多少时刻我多少功率缺口深度上坚持多少时间,建立这样的量化关系实现作用,为电网的频率支撑起到真实、有效而且是经济性的作用。
 
  这是我们所做的测试验证,做了一个频率的缺口,最后它是这样的结果,Tspt,我们这里是Piack(功率缺口),这时候转速是比较线性的,风速基本不变的情况下。我们实测的功率缺口,比如说这个Piack,功率缺口大于临界值,转速才恢复上行。从我们的计算来讲,实测的Piack比我们的临界值大了40多千瓦,这时候得以恢复上行。另外我们做了后面的计算,我们考不考虑CP的变化,前面我们讲Cp是变化量,我们辨识了这个Cp,如果辨识了Cp和不辨识Cp我们得到了怎样的结果,我们就得到了这样的结果,我们考虑增量的时候,考虑Cp变化和不考虑Cp变化,在支撑实现功率增量可能最大差两秒,当然这和转速相关,它是有线性变化的,误差逐渐会变大的,这就是我们所做的这样一个结果。整个来讲我们是希望这样的,我们希望火电和风电在实现频率支撑的时候,它是一个接力棒的作用,但是以往来讲没有说清楚什么时候把棒子交出去。以及它接过去的是一个什么样的棒子,所以我们希望通过我们这样一个工作能够说清楚这样一个问题,我们希望传统电源和风电目前能够是有协同、有效而且是经济地实现这一频率作用的。我们风电都是预留损失过于大了,但是我们做这个假设的前提是什么?15秒钟的时间内,风速是不变的,大家可以说也许我这个假设过于理想,不可能不变,但是一台风机当然它不可能不变的,如果是一个风厂呢?如果往外推到一个风厂或者是机群、风厂群,一个区域内15秒风速不变,也就是功率表现基本上有一个确定性,这完全是可以实现的,或者说并不是那么离谱。
 
  从工程应用上来说,我们想说的是你要可知你的功率对象,你能可知才能可控,能可控了才能可用,这就是可知的问题,这个我们想通过我们的方法讲清楚,谢谢大家!
 
  (内容来自现场速记,未经本人审核)
 
 

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐看资讯
点击排行