风电场调频技术在未来智能电网中的应用

赵嘉兴，高伟，上官明霞

（国网山西省电力公司,山西太原030001）

风电场调频技术在未来智能电网中的应用

赵嘉兴，高伟，上官明霞

（国网山西省电力公司,山西太原030001）

晋北—南京直流特高压工程投产后，山西电网结构发生了重大变化，从电网静态安全、短路比、暂态安全稳定及暂态过电压等方面分析了交直流系统相互作用下山西电网的稳定特性，为山西电网的稳定运行提供了理论依据。配套电源投产后，晋北直流特高压送电8 000MW，晋北换流站运行设备无过载现象，满足运行控制要求。

风电场；调频技术；智能电网；虚拟惯性频率控制；桨距角控制；多目标协调控制；储能系统

0 引言

随着可再生能源发电技术的广泛应用以及通信和计算机技术的飞速发展，传统的电能供给方式正在发生转变。这些转变在给电网的安全运行和发展规划提出了新要求的同时，也为电网发展提供了新的机遇。传统电网正在向具有更好的灵活性、可靠性、可视化、友好型、良好的交互性和自愈性等特点的智能电网方向发展。

近年来，随着工业的不断发展，雾霾、水污染等环境污染问题日趋突出，对可再生能源、低碳环保能源的需求迫在眉睫。风力发电和太阳能发电将在一定程度上缓解目前的环境和能源问题。大规模风力发电、太阳能发电等将用于未来智能输电网；分布式风力发电、光伏发电等将用于解决小用户负荷需求响应智能微电网和智能配电网[1-5]。由于双馈异步风力发电机DFIG（double-fed induction generator）和永磁直驱同步风力发电机PMSG（permanent magnet direct-drive wind synchronous generators）[6]变流器的存在，转子转速和电网频率不存在耦合关系，在传统控制策略下无法实现对电网的频率调节。在大规模风电场集中接入电网比例不断增大的情况下将导致电网转动惯性降低，恶化电网的频率特性。随着风电场大规模接入电网，电网要求风电场具备一定的调频能力。

在传统电网中，电网频率调整技术与负荷的变化类型相对应。第一类变化幅度很小、周期又短、具有偶然性的负荷由发电机调速器完成一次调频；第二类变化幅度较大、周期较长负荷由发电机调频器AGC（automatic generation control）完成二次调频；第三类计划类负荷由开停机计划和减负荷控制进行三次调频。目前的风力发电系统主要能够参与电网频率的一次调整，通过对风力发电机转子动能控制、功率备用控制、储能释放吸收控制等技术完成系统频率调整[7]。文献[8，9]提出DFIG在传统控制的基础上增加频率控制环节来实现转子功率的释放和吸收，相应控制有功出力，实现频率调节。对比研究了风电中的虚拟惯性控制、下垂控制、转子速度控制、桨距角控制以及单台和多台之间的协调控制调频能力。文献[10]介绍了变速风机参与一次调频的原理和模型，提出了一种惯性控制比例控制方法进行频率调节。通过分析发电机组的一次调频特点，结合变桨距角控制来整定出风电机组静态调差系数的频率控制策略，采用虚拟惯性控制策略来实现系统频率的调整[11，12]。文献[13，14]提出一种利用神经网络训练出适应性较强模糊神经网络的互补频率控制策略，实现了DFIG机组转子动能和备用功率联合超导储能有功功率控制，由超导储能快速的功率释放和吸收调节能力为系统提供功率支撑。文献[15]提出了一种以虚拟惯性频率控制为基础，附加了转速延时恢复控制，以便使DFIG转速更快地恢复到最佳状态的系统。当风速在高风速段时，通过优化功率曲线，使风力发电机组具备一定有功裕量，整定出一条次功率曲线来调整系统频率[16]。文献[17]提出了一种基于约束因子限幅控制的DFIG有功功率平衡抑制控制策略，并且给出了约束因子的选取规则。

本文通过对比分析不同风力发电机组调频的主要形式、调频的原理、调频的效果，总结了未来智能电网中风电场参与调频的关键问题以及未来风电场参与电网调频的发展方向。

1 风力发电机系统及其基本控制策略

DFIG和PMSG两种类型的风机目前在风力发电中应用比较广泛，其传统控制多为实现功率解耦控制。

1.1 双馈异步风力发电系统

双馈异步风力发电系统由风力机、齿轮箱、发电机、撬棒电路、机侧变流器、直流连接、直流斩波、网侧变流器、变压器组成，最后并入电网，其结构如图1所示。

图1 DFIG并网结构图

机侧变流器采用基于定子电压定向双闭环的矢量控制策略，保持定子磁链恒定，定子侧有功功率由转子侧电流d轴分量ird进行控制，实现最大功率的跟踪；无功功率由转子侧电流q轴分量irq进行控制，实现了有功和无功功率的解耦控制。

网侧变流器采用电网电压定向矢量的双闭环控制，保持直流侧电压恒定，网侧有功则由网侧电流d轴分量igd进行控制，无功由网侧电流q轴分量igq进行控制，网侧有功和无功功率实现解耦控制，双变流器控制策略框图如图2所示。

图2 DFIG传统控制策略

1.2 永磁直驱风力发电机

永磁直驱风力发电机由风力机、发电机、机侧变流器、直流连接、网侧变流器、变压器，最后并入电网，其并网结构如图3所示。

图3 PMSG并网结构图

PMSG传统控制策略是：实现最大功率输出和有功无功解耦单位功率因数运行。机侧变流器采用传统的定子磁链定向双闭环矢量控制，零d轴分量控制策略。转矩控制相对简单，并且永磁体不会退磁。外环功率跟踪控制Popt和定子电压控制来（或转速PI调节）计算电流内环控制的转子侧电流q轴分量isq，实现最大功率的跟踪，如图4所示。

图4 机侧变流器控制结构

网侧变流器控制与DFIG控制原理相似，基于电网电压定向的矢量控制策略下，风电机组的网侧变流器可采用双闭环控制结构。

DFIG和PMSG两种类型的风机在传统控制策略下没有对频率的控制、机械功率和电磁功率实现解耦，无法完成系统频率的调整。

2 风电场调频控制技术

发电机组进行电网调频的原理如图5所示。

其中，ΔPL0为负荷调节功率、ΔPG0为二次调频功率、KG为发电机的单位调节功率、KL为负荷的单位调节功率、Δf为电网频率变化、Ps为系统的单位调节功率。

图5 发电机调频原理图

为了实现风电机组对系统的频率调整，需要对传统的风力发电机控制策略进行改进，增加附加频率控制或备用功率控制。当电网运行在额定频率时，风电场输出有功为P0；当负荷增加，电网频率降低，需要增加风电场输出功率。当负荷较少，电网频率升高，需要减少风电场机输出功率，风电场调频特性如图6所示。

图6 风电场的调频特性图

2.1 虚拟惯量频率控制方式

利用附加频率模块模拟风电机组的惯性响应[18]，在系统中增加与常规同步发电机相似的辅助一次调频环节，通过增加低通滤波器滤掉高频分量Washout滤波器[19]除去稳态输入信号，使比例控制方法具有更好的频率响应特性，如图7所示。

图7 附加虚拟惯量频率控制框图

当电网频率不变时，附加频率控制不起作用；当系统有功负荷突然增大，导致系统频率降低，频率环节响应增加风电机组的有功输出，对系统提供功率支撑；当系统有功负荷突然降低，导致系统频率升高，频率环节响应减少风电机组的有功输出。

2.2 改进频率控制方式

对普通风电机组虚拟惯量频率控制频率环节可以增加下垂控制[20]、PD（比例积分控制）、PR（比例谐振控制）、转速延时恢复控制[15]、模糊控制[13]等改进的频率控制策略，如图8所示。

图8 改进频率控制框图

下垂控制可以使不同的风电机组按照自身的功率特性调节风电机组的功率；转速延时控制能够加快转子快速恢复稳态运行；模糊控制能够克服风能的随机性、不稳定因素以及模型参数复杂性，保障控制效果更佳。

2.3 转子动能控制（次功率曲线）方式

在传统风力机组的控制中，风力发电机按最大功率跟踪控制，无法为电网提供系统频率支撑容量，并且转速ω和电网解耦。根据风机在不同风速下的运行工况，把风机运行控制分为最优功率运行控制、运行方式保持控制和次功率控制[16]，控制框图如图9所示。

图9 桨距角控制框图

在次功率控制运行下，风力机组有一定的备用功率，通过改变桨距角[21]能够增发或者少发一部分功率，用于系统的频率支撑。

2.4 有功备用控制方式

有功备用主要指利用储能系统来吸收和释放有功率来平抑系统中的功率波动，为系统提供频率支撑。储能系统一般有电池（容量kW～MW级，启动时间毫秒级，储能期限数天～数周）、飞轮（容量kW级，启动时间秒级，储能期限小时级）、超导（容量kW～MW级，启动时间秒级，储能期限分钟级）、超级电容器（F，启动时间毫秒级，储能期限数分钟级）等储能系统。

以上4种频率控制方式的优缺点如表1所示。

表1 风力机调频控制方式优缺点

3 风电调频技术在未来智能电网的应用

未来的智能电网包括智能输电网、智能配电网和智能微电网，风电场将在不同电网层级参与系统的调频。

3.1 输电网层级

风电场在输电网层级参与调频可以完成系统的一次调频、也可以完成系统的三次调频。利用通信技术的不断发展，实时检测电网的运行状态，根据电网调频要求，调整不同风电场的出力。风电场在输电网层次参与电网调频控制系统结构如图10所示。

图10 输电网层级调频

3.2 配电网层级

在风电场大量集中接入的配电网，风电场将有能力参与配电网系统频率调整。根据风电场接入的容量和位置，以及未来大量电动汽车接入配电网可以作为有功功率备用。利用风电场自身调频特性，结合电动汽车作为储能系统协调配合来参与配电网的频率调整。风电场结合电动汽车参与配电网频率调整的结构示意图如图11所示。

图11 配电网层级调频

3.3 微电网层级

微电网由于电网容量小，发展迅速。微电网中主要包括分布式电源、储能系统、以及各类负荷等。微电网中可以利用本文提到的虚拟惯量频率控制、改进频率控制、次功率控制、有功备用控制等方式实现风力发电机组参与微电网系统频率的支撑，加强对新型电力电子类负荷的调控，减少负荷投入和退出时对系统频率的影响。

4 结束语

风电场将在未来智能电网调频方面有很大的应用前景，虽然目前国内外学者和机构对风电场调频技术做了一些方面的研究，但尚有很多问题没有解决，有待进一步的研究。

a）不同类型风电机组的频率控制策略中参数优化问题。

b）风场机组层面、风电场层面以及电网层面的协调调频控制策略；不同风机、不同风电场调频能力的协调配合。

c）风电场参与电网调频的可靠性、可控性、灵活性、经济性、风险性等多因子的综合评估。

d）风电场调频技术在输电网、配电网、微电网方面的调频功能定位、调频容量比例以及其调频辅助功能的市场定价等问题。

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Application of Wind Farms Frequency Modulation Techniques in Smart Grid in the Future

ZHAO Jiaxing,GAO Wei,SHANGGUAN Mingxia
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

Most of the renewable energy power generation systems possess the characteristics of randomness and intermittence,while wind power generation has the characteristics of large development scale,large grid-connection capacity and wide distribution.Large-scale wind power accessing to the grid will cause the decrease of the rotary inertia of the grid itself,adversely affecting the frequency stability of power grid.The control strategies of the wind farms involved in the power grid frequency regulation are mainly studied and summarized. The main forms,frequency modulation principle and frequency modulation effect of different wind turbines are analyzed and compared.The key technologies of wind farm participating in power grid frequency modulation in smart grid and the main research contents and development direction of wind farm participation in grid frequency modulation in the future are put forward.

wind farms;frequency modulation techniques;smart grid;virtual inertial frequency control;pitch control;multi-objective coordinated control;energy storage system

TM732；TM614

A

1671-0320（2017）01-0001-05

2016-09-07，

2016-10-19

赵嘉兴（1970），男，山西太原人，2014年毕业于华北电力大学电气与电子工程学院电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事智能电网规划建设和电网信息通信管理及运行工作;高伟（1982），男，山西柳林人，2003年毕业于太原理工大学电子信息工程专业，高级工程师，从事电网通信管理与运行工作;上官明霞（1981），女，山西阳城人，2002年毕业于东北大学秦皇岛分校软件工程专业，高级工程师，从事智能电网规划与运行管理工作。