海上风电并网关键技术及标准研究分析

海上风电并网关键技术及标准研究分析

我国海上风能资源丰富、利用小时数高，近海可开发量超过7.5亿千瓦。陆上风电开发放缓，海上风电将在我国清洁能源开发中扮演愈发重要的角色。

课题名称：海上风电场送电系统与并网关键技术研究及应用

（2013AA050601）

所属项目：国家863计划 “先进能源” 技术领域

海上风电电力输送、施工和浮动式基础关键技术研究与示范 。

起止时间：2013年02月28日-2017年02月27日

课题总体目标：掌握海上风电场汇集与并网系统优化设计及运

行控制关键技术，建设用于海上风电场集电及送出系统的海缆

过电压和保护试验平台，开发出具有自主知识产权的海上风电

功率预测、远程集群控制和安全防御系统，并实现示范应用。

高压交流海缆电容效应明显，多无功源协调控制复杂，电压精准控制难。研究海上风电场复杂电气环境下的无功/电压分布特征，以电压波动最小和场内有功损耗最小为两阶段控制的优化目标，制定基于预决策+再决策相结合的无功电压精准控制策略，实现运行电压控制精度提高，平均网损降低30%。

（1）海上风电场无功电压精准控制

LC αω=211

cos U k l

U α==

首端末端

通过协调分配各台风电机组和动态无功容量，优先发挥风电机组无功调节能力，提出基于场内多无功源的机/场双层无功协调故障穿越控制策略，故障期间提高了暂态支撑能力，故障切除后过电压得到有效抑制。

（2）海上风电场分层自治的故障穿越控制技术

故障期间：低电压穿越

机组层：退出crowbar，转子电流

P、Q分量协调控制

场站层：STATCOM和机组无功协调分配故障切除后：高电压穿越

STATCOM输出感性无功，平衡过剩无功。

提出了基于统计模型与CFD流场预计算物理模型结合的多模型组合海上风电功率预测方法，提高海上风电功率预测精度3%（平均绝对误差由12%降至9%）。提出了海上风电场大风切出条件下不同等级的台风预警指

标。开发了海上风电功率预测与台风预警系统。

（3）海上风电高精度预测和台风预警

建立以海上风电场并网方案为基础的涵盖海上升压站、二次系统的标准化平台设计方案。创新设计并建成全球首座模块式海上升压站平台，单个模块重量控制在600吨以内，具有结构紧凑、重量轻、安全性高等特点。

（4）海上风电场变电站一体化优化设计

集电线路拓扑优化方法模块化海上升压站布置图GIS模块中压及站用电模块控保及辅助装置模块

主变模块

（5）海上风电场全景一体化监控

针对辅控及在线监测等非数字化设备研发智能数字化接口，基于全景监控功能构架设计，实现海上风电多系统一体化融合，建成全球首套全数字化海上风电场远程监控系统。拓展应用GOOSE技术，设备间实现智能互操作的同时，站控层指令下达时间由秒级缩短为10毫秒级。

风电和电网运行特性发生深刻变化

随着新能源的快速发展，我国大部分新能源资源富集地区都将呈现高比例新能源接入电网的特点。

p截至2017年底，全国新能源装机约2.94亿千

瓦，占全国发电总装机容量的16.2%，甘肃、

宁夏、新疆、河北、内蒙古等省，新能源与

电源总装机容量占比分别达到41.4%、36.5%、

32.2%、30.1%、28.8%。

p为满足更高比例新能源的开发、输送和消纳，

到2017年底我国已建成“八交十直”的特高

压电网，特高压交直流混联、电力大规模跨

区输送已成为我国电网的典型特征。故障影响范围大

（送端、受端产生全局化连锁故障）

（1）系统频率调节能力降低，全网频率事件风险增大

目前风电光伏发电站不参与系统的调频调压，随着新能源机组出力占比不断增加，系统频率调节能力持续下降，大功率缺失情况下，极易诱发全网频率问题。

2.3 耐耐频能力不足制约风电并网适应性

并网风机不具备高电压穿越能力——

p 2011.2.24 西北风机脱网事故中，因低压脱网274台，高压脱网300台。p 2012.3.30 沽源风机脱网事故中，因低压脱网188台，高压脱网433台。特高压直流送端风电高压脱网风险增大——

p 哈密～郑州（特高压天中直流）、扎鲁特～青州特高压直流换相失败期间，送端电网暂态过电压达到1.2～1.3U N ，近区新能源机组大规模连锁脱网。

（2）风电故障特性不一致，高电压穿越能力缺失

2、风电并网面临的新挑战

2015年7月1日，天中直流送端花园电厂3台机组由次同步振荡引起轴系

扭振保护（TSR）相继动作跳闸，共损失功率128万千瓦。

p 机组跳闸前后，交流电网中持续存在16Hz~24Hz的次同步谐波分量。

p 机组轴系扭振频率（频率30.76Hz）与交流系统次同步谐波分量频率

（20Hz）互补，满足振荡条件。

p 南湖、花园电厂投运前，哈密北部地区风电存在振荡情况，机理尚

在研究。

（3）大容量直流送端交流电网动态稳定问题严重

2、风电并网面临的新挑战

风电并网相关标准- GB/T 19963 风电场接入电力系统技术规定2018年5月，国家标准化管理委员会下达标准制修订计划，批准了《风电场接入电力系统技术规定 第一部分：陆上风电》（计划编号：20180779-T-624）和《风电场接入电力系统技术规定 第二部分：海上风电》（计划编号：20180777-T-624）。

归口单位全国电力监管标准化技术委员会，修订工作进度计划为“从2018年下半年开始至2019年年底完成”。

修订主要内容：

p完善低电压穿越要求，增加高电压穿越要求

p增加频率控制要求（一次调频）

p提高频率适应性要求

p完善风电场有功/无功控制能力及控制模式、功率预测、并网测试与评价相关要求，等等