2018年11月14日上午，由中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會、中國電工技術(shù)學(xué)會風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專業(yè)委員會、東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)主辦，江蘇中車電機(jī)有限公司承辦的第三屆中國海上風(fēng)電大會暨風(fēng)電電氣裝備高峰論壇在北京四川五糧液龍爪樹賓館隆重開幕。
上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司電氣室主任俞慶在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《海上大容量風(fēng)電機(jī)組柔性并網(wǎng)接入技術(shù)探討》的演講：
一、海上風(fēng)電綜述；
眾所周知，我們國家擁有1800多公里的海岸線，可利用海岸面積有300多萬平方公里，正如昨天氣象局張教授給我們展示的，在我們國家的沿海海域在冬天和春天有北方的冷空氣，在夏天和秋天有熱帶氣旋的影響，因此我們海上的風(fēng)能資源是非常豐富的。我們對于整個海岸線沿海海岸分了三個區(qū)域：一是在以山東為主的渤海灣以北的地區(qū)，這部分地區(qū)年平均風(fēng)速在6-7米之間；二是江蘇和浙江以及廣東的一些區(qū)域，這些區(qū)域年平均風(fēng)速在7米，受到臺風(fēng)影響也比較小，偶爾夏天有一些臺風(fēng)經(jīng)過；三是廣東躍動福建海域是8-9米。從海洋地質(zhì)情況來看，國家海洋分布是在北方的地區(qū)海底情況比較平坦，越往南海底有山地的形勢，福建和廣東區(qū)域海底以山地為主，所以因此在建設(shè)機(jī)組的基礎(chǔ)的時候是比較困難的。
隨著風(fēng)電的“十三五”發(fā)展到了2020年底，海上風(fēng)電的裝機(jī)總?cè)萘繉_(dá)到5GW以上，開工容量會達(dá)到10GW以上。2017年是海上風(fēng)電迅猛發(fā)展的一年，總的裝機(jī)量達(dá)到319臺，新增裝機(jī)容量達(dá)到116萬千瓦，同比增長97%。其中我們公司新增裝機(jī)容量58.8萬千瓦，2017年共吊裝147臺，同比增長50.5%。
這張表是截止到2018年3月份，我們的公司只是海上一些業(yè)績，4兆瓦130的機(jī)型是一款比較穩(wěn)定的成熟的機(jī)型，最早安裝的一臺機(jī)子在海上安裝了已經(jīng)近5年的時間，這臺機(jī)型我們共建設(shè)了20多個風(fēng)電場，在福建和廣東區(qū)域我們主要中標(biāo)的機(jī)型都是6兆瓦和7兆瓦為主。
二、柔性并網(wǎng)接入技術(shù)；
我這邊拿來這張圖一個是特斯拉，一個是愛迪生，從人類發(fā)現(xiàn)電以來我們交直流電之間的交鋒就一直沒有停止過，特斯拉把我們帶入了一個交流時代，有了交流以后就可以升壓電力傳輸。隨著現(xiàn)在技術(shù)的突破，2002年兩位德國學(xué)者共同提出了MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化多變頻的換流器成為直流輸電的主流趨勢。海上的風(fēng)電場昨天很多專家也說明了，海上風(fēng)電場現(xiàn)在越來越多往深遠(yuǎn)海發(fā)展，離岸距離越來越遠(yuǎn)，這種情況下交流的遠(yuǎn)距離傳輸就會遇到瓶頸。得益于技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電場的直流并網(wǎng)變成了一種可能。
這是一張典型的海上風(fēng)電場并網(wǎng)圖，我們從這張圖可以看出整個風(fēng)電場分為三個層次：一是機(jī)組層級；二是風(fēng)電場層級；三是輸電線路層級。輸電線路層級又可以分成兩種形式，一種是交流，一種是直流。直流輸電也大致分成兩種路線，一種是全控的MMC形式，第二種是不可控的二極管，海上的換流站用MMC形式或者用二極管形式，國內(nèi)大多數(shù)研究形式是在MMC形式的換流站，歐洲現(xiàn)在已經(jīng)開始在往這方面研究，并且有相應(yīng)的項(xiàng)目是不可控的二極管的換流站的海上風(fēng)電場。
這是MMC全控性柔性直流輸電系統(tǒng)，通過海上直流線路匯流到海上的升壓站，直接用直流線路輸送到岸上，由岸上的換流站形成逆變流升壓匯入大電網(wǎng)。我們國家也有這方面的示范項(xiàng)目，比較著名的一些示范項(xiàng)目有上海南匯的兩端柔直，通過這些示范的項(xiàng)目我們已經(jīng)基本具備了多端柔直直流輸電方式、運(yùn)行方式，多端柔直直流方式之間的切換，故障穿越，多端柔性動態(tài)性能，MMC環(huán)流閥橋壁環(huán)流抑制、MMC模塊電容排序及冗余模塊切換，以及多端柔直保護(hù)功能配置及策略等技術(shù)難點(diǎn)。
我們上海電氣也與上海交通大學(xué)蔡教授團(tuán)隊共同完成了上海市科委的一個科研項(xiàng)目，海上風(fēng)電柔直并網(wǎng)及深遠(yuǎn)海風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目，在這個項(xiàng)目中我們提出了適用于并入柔直的風(fēng)電場，和柔直換流站控制策略，以及提升互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的換流站控制策略。
這張是整個MMC換流站并入時的一個控制架構(gòu)，從這邊可以看到包含風(fēng)電場的控制器、風(fēng)機(jī)控制器、海上換流站控制器，從這張拓?fù)鋱D上能夠很明顯的看出這些控制器之間都需要進(jìn)行信息的交互。
考慮到海上風(fēng)電能量是一個單向流動的能量，因此海上的風(fēng)電機(jī)組輸出能量單向流動到岸上，歐洲就開始考慮用二極管換流站的方式來取代傳統(tǒng)的MMC換流站，二極管的換流站相比跟MMC換流站之間的優(yōu)勢在于能夠減少繁復(fù)的控制環(huán)節(jié)，比MMC換流站運(yùn)行可靠，同時也能夠降低投資的成本。從這邊可以看出，這個是風(fēng)電場、升壓站、二極管、二流管，從直流線路一直輸送到岸上，但是在這個系統(tǒng)中需要一條小容量的交流回路，為風(fēng)場的啟動建立啟動電壓，一旦風(fēng)場啟動以后就可以由二極管換流站將能量輸送出去，這個時候我們就可以斷開小型的交流輔助回路了。
這是在海上二極管柔性并網(wǎng)技術(shù)的一個控制架構(gòu)，我們可以從最上面橘紅色的是風(fēng)場輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制器，岸上換流站的控制器，這邊是海上集群控制器以及海上風(fēng)電場控制器，以及風(fēng)機(jī)的控制器。這些控制器之間有哪些功能呢？下面我給大家簡單介紹一下。
主要功能是在系統(tǒng)啟動和停止時控制運(yùn)行，在發(fā)生故障時進(jìn)行系統(tǒng)診斷和重新配置，同時接收上級電網(wǎng)的調(diào)度指令，同時也是協(xié)調(diào)岸上電網(wǎng)的一個輔助服務(wù)，如調(diào)頻、有功出率的管理等。這是作為風(fēng)場輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器與風(fēng)場控制器之間的一個接口，將交流并網(wǎng)同步能夠交流并網(wǎng)啟動時的一個同步作用，并且是交流、二極管、換流站的協(xié)同控制，處理并向風(fēng)電場控制器發(fā)送運(yùn)行命令和工作點(diǎn)指令。這邊有一個風(fēng)場控制器，其實(shí)在有的整個輸電系統(tǒng)中如果是用單加的一個風(fēng)機(jī)就不需要一個風(fēng)電場集群控制器，直接用風(fēng)場控制器就可以了，這邊的拓?fù)涫强紤]到比如說整個系統(tǒng)中有各家不同的風(fēng)機(jī)，考慮各家不同風(fēng)機(jī)的控制器，因此就多了一個控制的層級。
風(fēng)電場控制器的主要功能是協(xié)調(diào)控制集電線路和輸出層級的功率，同時作為風(fēng)電場集成控制器與風(fēng)機(jī)之間的接口，向單個風(fēng)機(jī)發(fā)送運(yùn)行命令，同時也兼有風(fēng)電場的優(yōu)化，無功功率的優(yōu)化，和線損最優(yōu)化的控制。
這個是在海上柔直并網(wǎng)輸電系統(tǒng)下的一個風(fēng)機(jī)控制器的展示，我們可以看到機(jī)組的控制器在交流并網(wǎng)時，或者是孤島運(yùn)行的時候要實(shí)現(xiàn)電壓的控制功能，在輸電狀態(tài)下完成有功功率的控制，風(fēng)電場交流電網(wǎng)的一個頻率的控制，系統(tǒng)的模式的變換，或者發(fā)生故障時能夠進(jìn)行檢測，并且進(jìn)入相應(yīng)的操作模式。
這邊是一個直流電網(wǎng)的一個典型的三個拓?fù)湫问?，由點(diǎn)對點(diǎn)的、樹狀的以及網(wǎng)狀的，有的時候根據(jù)不同的地理環(huán)境也可能是一種混合的形式，具體適用于哪種形式就完全需要根據(jù)海域以及投資的一個成本，從可靠性的角度去選擇。
三、海上風(fēng)電機(jī)組；
下面請允許我為大家介紹一下我們上海電氣的海上的一些明星產(chǎn)品。首先是這款4.0-146今年新發(fā)布的產(chǎn)品，整體密封設(shè)計能夠防止內(nèi)部器件的腐蝕，配備全功率的變流器，因?yàn)槲覀儾捎玫氖菍冽垼ㄒ簦┑陌l(fā)電機(jī)，配備全功率的變流器保證有功功率和無功功率的靈活調(diào)節(jié)，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠提高整個機(jī)組的可靠性。
另一款也是我們今年新發(fā)布的一款產(chǎn)品，是6.XMW-172，其實(shí)我們這款產(chǎn)品真正定義是6.X-172的，是目前國內(nèi)最大風(fēng)輪直徑的一款產(chǎn)品，172米，具有更強(qiáng)的發(fā)電能力，同時一個平臺化的設(shè)計能夠根據(jù)不同的項(xiàng)目風(fēng)資源的情況靈活的提供解決方案和容量的配置，最大化業(yè)主內(nèi)部收益，同時大容量的機(jī)組還可以集約用海，尤其是在南方山地地區(qū)，因?yàn)榛A(chǔ)的問題，一個基礎(chǔ)非常難打，所以這么大款的機(jī)型就可以發(fā)出6兆瓦甚至更多的電，能夠幫助客戶解決海洋環(huán)境和海域受限的問題，它接入我們公司的云中心大平臺，能夠進(jìn)行后臺的分析，實(shí)時對故障進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，降低運(yùn)維頻次，同時提高發(fā)電量。
這款產(chǎn)品是我們和西門子格美撒（音）經(jīng)過20年四代產(chǎn)品的不斷技術(shù)提升，這款產(chǎn)品成為了一個優(yōu)秀的系統(tǒng)工程的設(shè)計典范，7.0-154是基于零傷害的設(shè)計，充分考慮了海上環(huán)境運(yùn)維風(fēng)險，有非常優(yōu)秀的人機(jī)工程設(shè)計，能夠確保運(yùn)維人員安全和舒適性。配備了獨(dú)特的葉片設(shè)計以及系統(tǒng)的設(shè)計考慮，能夠確保發(fā)電量提到最高。這邊我們比較有亮點(diǎn)的一點(diǎn)，因?yàn)樵谕黄脚_上有一款6.0的產(chǎn)品。在興化灣今年2018年超強(qiáng)臺風(fēng)瑪麗亞臺風(fēng)過境的時候，這款6.0的產(chǎn)品完全沒有停機(jī)，25米風(fēng)以后它是經(jīng)過了一個高風(fēng)穿越，整個臺風(fēng)過境期間它始終是在發(fā)電的。
我們海上風(fēng)電機(jī)組在全交流并網(wǎng)時也考慮了柔性并網(wǎng)技術(shù)的接入，有一個故障穿越的功能，低電壓穿越和高電壓穿越，并網(wǎng)的適應(yīng)性，不平衡適應(yīng)性，諧波適應(yīng)性，電壓的偏差，頻率的偏差，以及電壓閃變的適應(yīng)性，還有電壓的穩(wěn)定性，并且對電網(wǎng)有一定的支撐，能夠參與系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓，機(jī)組對外呈現(xiàn)虛擬的發(fā)電機(jī)狀態(tài)。
在這些單機(jī)的柔性控制的基礎(chǔ)上我們還有一個場控的MPPP系統(tǒng)，這邊列出了MPPP的工作流程，這邊MPPP參加電壓調(diào)節(jié)的一個工作流程。
四、總結(jié)。
我專門拿了這么一張圖就是八卦，之前我給大家八卦了一些海上并網(wǎng)技術(shù)的這部分內(nèi)容，其實(shí)我們中國一直講究的是柔和，陰陽融合，在海上直流并網(wǎng)技術(shù)中也是一個融合，一是交流和直流之間的融合，同時也有控制系統(tǒng)之間的融合，剛才介紹了支流并網(wǎng)技術(shù)需要更多的場控技術(shù)，單機(jī)的一個控制技術(shù)。
我們國內(nèi)現(xiàn)在示范工程多為MMC形式的換流站，在這部分我們有很大的技術(shù)儲備，也有運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。對于海上二極管換流站我們也只是更多的是一些研究性的內(nèi)容，另外直流器件，直流的高壓斷路器還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，所以整個器件采購成本非常高。因此我們認(rèn)為柔性直流關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用才剛剛開始，需要我們各方面不斷努力，謝謝大家！
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