国家自然基金标书-大规模风力发电并网基础科学问题研究

1、项目名称：大规模风力发电并网基础科学问题研究首席科学家：袁小明 华中科技大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容本项目针对风力发电出力的强波动性、出力动态特性的功率弱支撑性/同步强随动性/暂态弱生存性等特点，结合我国风电大规模高集中开发模式的特点，以保障电力系统供电充裕性和运行安全稳定性为目标，集中解决以下两个关键的科学问题：科学问题一：含波动性和不确定性风电电力系统的电源规划和运行调度理论与方法围绕科学问题一，研究以下两个内容：（1）大规模高集中度风电场出力多时空尺度爬坡特征分析、预测与控制针对大规模高集中度风力发电所在的地理区域，构建历史和实时的气象及出力数据平台；研究风电场之间的出力相关性，揭示区域风电出力多时空尺度爬坡特征的规律；提出爬坡事件概率分布的预测理论和方法，实现出力爬坡预警；基于风机出力的有限度可控性，提出区域风力发电出力爬坡有限度控制的理论和方法。（2）含大规模高集中度风电的电力系统电源规划/调度与供电充裕性基于风力发电出力的多时空尺度爬坡特征，建立电力系统容量与灵活性一体化的规划和运行调度理论和方法；研究有效评估风力发电容

2、量臵信度的理论和方法，提出计及常规电源有效爬坡能力和灵活性的系统充裕性理论和指标体系；基于爬坡预测误差的不确定性，研究满足灵活性需求的电源滚动优化调度理论和方法；探索风力发电地理分布集中度、跨区域平衡、多种资源联合调度（如：负荷需求响应、电动车充放电调度）等因素与常规电源灵活性需求相互影响的规律。科学问题二：含弱支撑性/强随动性/弱生存性风电电力系统的控制和保护理论与方法围绕科学问题二，研究以下三个内容：（3）远距离大规模风电的有功/无功功率控制与电力系统频率及电压稳定研究远距离大规模风电的有功控制与系统频率、无功控制与系统电压的相互作用规律。考虑风力机转动惯量的风速约束及转速可控性，探索风力机虚拟惯量的控制和优化理论，保障含大规模风电的电力系统频率稳定。研究在暂态过程中风力机无功功率控制与电网柔性交流输电装臵、高压直流输电系统的相互作用和协调控制，实现电力系统在故障期间及恢复过程中的电压稳定控制。（4）远距离大规模风电的机电功率控制及同步并网机制与电力系统同步稳定以典型风力机机电功率控制架构(桨叶/发电机/变频器控制)及同步并网机制（锁相主从同步）为基础，研究风力机之间、风力机与邻近

3、同步发电机间的动态耦合相互作用，揭示它们对风力机和同步发电机小信号稳定性及暂态稳定性的影响规律。在此基础上，提出风力机机电功率控制及同步并网机制、同步发电机组的优化控制理论和方法。（5）远距离大规模风电的故障穿越及电力系统故障保护研究电力系统故障形式下变流器及风机暂态控制的理论和方法，实现风电的故障穿越、风机应力优化、系统暂态稳定性的提高。探索远距离大规模风力机群及同步发电机群在故障过程中的动态耦合相互作用，及其对故障穿越及同步稳定性的影响规律。揭示风电机组的故障电流特征，提出相应的电力系统继电保护算法。同时，鉴于储能在应对以上两个关键科学问题的潜力,本项目也包含以下研究内容：（6）远距离大规模高集中度风电并网的储能需求评估及协调控制针对大规模风电出力的强波动性,动态特性的功率弱支撑性、同步强随动性和暂态弱生存性，研究综合利用多种储能技术解决大规模风电并网系统供电充裕性和安全稳定性的关键理论与技术问题，提出储能系统在大规模风电并网中的优化配臵理论、技术经济价值评估体系和协调控制方法。二、预期目标1. 理论研究目标（1）揭示大规模高集中度区域风电场出力爬坡特征受气象、风电场地理分布及出力

4、相关性等影响的规律，提出爬坡特征概率分布预测的理论和方法；揭示供电充裕性受常规电源灵活性及风电爬坡特征等影响的规律，提出含灵活性的系统充裕性理论和方法、和基于预测不确定性的运行调度理论和方法。（2）揭示多机动态强耦合的情况下，风电虚拟惯性控制对电力系统频率时空动态过程影响的规律，提出风机虚拟惯性控制及优化的理论与方法；揭示多机动态强耦合情况下，故障及恢复暂态过程中无功功率控制对电力系统暂态电压稳定影响的规律，提出风电无功功率暂态控制及优化的理论和方法。（3）揭示风力发电主从同步方式对风机及同步发电机的同步稳定性影响的规律。探索风机间及其与同步发电机间的动态耦合对同步稳定性影响的机理。提出风机机电功率控制及同步并网新机制、以及同步发电机阻尼控制的理论和方法。（4）揭示远距离大规模风力发电暂态控制对风机故障穿越能力、电力系统电磁暂态特征、电力系统保护等影响的规律。揭示风机间及其与同步发电机间的动态耦合对故障穿越及电磁暂态特征影响的机理。提出大规模风电故障穿越、穿越过程优化、以及适应风电短路电流特征的系统保护理论和方法。2. 关键技术突破目标（1）提出爬坡特征的定义及指标体系，开发风电出力爬

5、坡特征预测工具，提出预测误差的测度指标体系。（2）建立含电源灵活性指标的风电并网联合电力系统运行模拟方法，建立基于风电爬坡预测误差场景的电力系统多时空尺度运行备用调度准则。（3）突破风机虚拟惯量控制技术，使之达到常规同步发电机的同等水平；突破风机无功功率在电网故障及恢复过程中的暂态控制技术，响应时间30毫秒。（4）突破风机机电控制及同步并网核心技术，实现风机群在并入短路比1秒；125%，250毫秒；故障间隔时间1.5秒）；突破双馈型风机故障电流特征建模的关键技术，提出模型误差的评估指标体系。（6）提出基于风险的储能系统功率、容量和布局对频率调整、负荷跟踪等运行备用影响的量化指标体系。突破利用储能技术辅助实现风机虚拟惯性、电压稳定及故障穿越等方面的关键技术。3. 实验验证及示范应用 以包括华中科技大学等单位的电力系统动态模拟实验室为理论研究和模拟实验平台，以位于河北张北地区的“国家能源大型风电并网系统研发（实验）中心”为技术研究和现场模拟基地，开展实验验证和研究成果的典型应用示范。通过本项目研究，在国内外重要刊物发表SCI和EI收录论文300篇，撰写学术专著5本，申请专利30项。形成具有

6、重要国际影响的人才队伍，和一支国家级创新团队，培养一批优秀中青年骨干人才。三、研究方案1. 总体研究思路本项目从风力发电的出力及其动态特性的特点出发，结合我国风电地理布局的特点，围绕电力系统供电充裕性和运行安全稳定性两个关键问题，针对大规模风电并网所面临的六个方面的理论和技术瓶颈，即： 高集中度区域风电出力波动特征预测、适应风电强波动性和不确定性的电源规划和调度、风电虚拟惯性及无功功率控制与电力系统频率和电压稳定、风机机电功率控制及同步并网机制与电力系统同步稳定、风电暂态控制与故障穿越及系统保护、以及储能提高供电充裕性和安全稳定性的需求评估与协调控制，探索风力发电与电网及常规发电的相互作用的规律性，突破风电对电网的友好性及电网对风电的适应性的关键核心技术，并通过数字和物理仿真及现场试验加以验证。2. 研究方案（1）在含大规模高集中风电电力系统的供电充裕性方面，从构建数值天气预报、风电出力等历史和实时多时空数据平台着手，通过分析区域风电场出力相关性的机理，研究区域风电出力在多时空尺度上爬坡特征的建模、爬坡事件特征（起始时间、持续时间、幅度、方向）概率分布预测的方法。通过研究风电出力的多时

7、空尺度爬坡特征、常规电源爬坡能力等与供电充裕性的相互关系，提出含灵活性的系统充裕性测度指标体系，建立适合大规模高集中风电并网的联合电力系统运行模拟方法。基于对爬坡特征预测不确定性的分析，提出滚动优化的电源调度方法，建立含大规模高集中风电的电力系统多时空运行备用调度准则。 （2）在含远距离大规模风电电力系统的运行安全稳定性方面，从典型双馈型及全功率型风机出力的动态特性分析（功率弱支撑性、同步强随动性、暂态弱生存性）和多机风电场的动态特性建模着手，分析风机间、风机与同步发电机之间动态耦合相互作用的机理。通过研究远距离大规模风电并网对电力系统频率稳定性、电压稳定性、同步稳定性、风机故障穿越和系统保护的影响，提出风电出力动态特性的优化方法，实现风电对电网的友好性（提升功率支撑性、降低同步随动性、提高暂态生存性）；提出相应的同步发电机阻尼控制的优化方法，以及相关电力系统无功电源的配臵及协调控制方法，实现电网对风电的适应性。3. 创新点（1）通过探索区域风力发电出力多时空尺度爬坡特征受气象事件的时间和空间特征、风电场地形、尤其地理分布集中度及出力相关性等因素影响的规律，研究基于概率的爬坡特征（起始

8、时间、持续时间、幅度、方向）预测理论和方法。同时，通过研究风电多时空尺度上的爬坡特征、电力系统的爬坡能力与电力系统充裕性的相互关系，建立以有效爬坡能力为核心的含电源灵活度的供电充裕性规划方法，以及以预测误差树及滚动优化为核心的运行调度理论和方法。突破风电并网静态出力预测和管理对保障供电充裕性的局限性，系统地提出出力爬坡预测和管理的理论和方法，有利于提高电网接纳大规模风电的能力。 （2）通过分析风电出力动态特性的特点、远距离大规模风电并网情况下风机间及其与同步发电机间动态耦合的特点，研究它们对含大规模风电的电力系统频率稳定、电压稳定、同步稳定、风机暂态穿越以及系统保护等的影响规律，提出风力机动态特性的优化、同步发电机阻尼控制的新思想。突破基于多机动态弱耦合下的系统稳定分析和控制的理论与方法的局限性，前瞻性地提出多机动态强耦合下系统稳定分析和控制的理论与方法，有利于保障电力系统接纳大规模风电时的稳定性。4. 课题设置及相互关系课题1：大规模高集中度风电场出力多时空尺度爬坡特征分析、预测与控制经费比例：16%承担单位：武汉大学、山东大学、中国电力科学研究院课题负责人：孙元章学术骨干：刘玉田、

9、查晓明、张恒旭、迟永宁课题2：含大规模高集中度风电的电力系统电源规划/调度与供电充裕性经费比例：16%承担单位：香港大学深圳研究院、天津大学、华中科技大学课题负责人：吴复立学术骨干：江晓东、房大中、侯云鹤、吴耀武、李银红课题3：远距离大规模风电的有功/无功功率控制与电力系统频率及电压稳定经费比例：16%承担单位：清华大学、中国人民解放军海军工程大学、华南理工大学课题负责人：梅生伟学术骨干：付立军、刘锋、王刚、吴青华课题4：远距离大规模风电的机电功率控制及同步并网机制与电力系统同步稳定经费比例：20%承担单位：华中科技大学、华南理工大学课题负责人：袁小明学术骨干：管霖、段献忠、程时杰、林磊课题5：远距离大规模风电的故障穿越及电力系统故障保护经费比例：16%承担单位：中国电力科学研究院、西安交通大学课题负责人：王伟胜学术骨干：索南加乐、宋国兵课题6：远距离大规模高集中度风电并网的储能需求评估及协调控制经费比例：16%承担单位：浙江大学、湖南大学、华中科技大学课题负责人：江全元学术骨干：何湘宁、李欣然、汪沨、康勇、邹旭东图示为课题间的相互关系：科学问题一主要研究风电出力波动所引起的电力系统供电平衡问题，提出大规模风电并网后电力系统电源规划以及运行调度的基础理论和关键技术。科学问题二主要研究风电与常规发电不同的动态特性所引起的电力系统动态稳定问题，提出电力系统控制和保护的基础理论和关键技术。风电出力波动决定了电力系统的运行工作点，进而影响系统动态稳定；同时动态稳定要求也对风电波动及系统潮流形成约束。围绕科学问题一研究风电波动的预测和控制以及电源规划和调度两个方面内容。波动预测是电源规划调度的基础，同时规划和调度所反映出

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