风电并网系统频率响应分析及控制策略研究

黄新燕

摘 要：在经济社会不断发展的今天，生产生活对电网容量的需求越来越大。想要达到电力系统的稳定，其中一个重要因素就是电力系统频率稳定。频率在电力系统运行中占据重要地位，了解发电与负荷的平衡情况需要看频率数值。但是随着近年来供电系统的复杂性提高，新设备并网特别是风电并网等情况的发生，增加了供电系统的不稳定性，可能引起频率失常，威胁供电系统安全。文章通过研究风电并网系统频率的响应，分析研究如何解决风电并网系统频率响应问题。

关键词：风电并网;系统;频率;分析控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.040

近年来，随着风电并网系统数量不断增加，参与系统中频率控制将是供电系统的发展趋势。与传统的发电系统不同，风电并网系统受到风速的影响，具有一定的不稳定性，传统的供电系统参数值并不适合风电并网系统的频率控制。文章通过研究风电并网系统频率，对风电并网系统频率响应发生变化时的特点，根据风电并网系统不稳定性和时刻变化的频率响应，改善风电并网系统频率调整的可靠性，进一步探讨风电并网系统频率波动。

1 研究风电并网系统频率响应的意义

1.1 研究的背景

频率最直接体现了电力系统中有功出力和负荷的需求直接平衡状态。随着电力系统研究的不断发展和技术的开发，电力新能源技术越来越发达和完善，作为目前最经济和完善的风力发电技术，对新能源的开发具有重要的作用。

電力系统新能源中研究再生能源技术可以不断加大风电并网容量，随着容量的加大，风电渗透率也会随之提高。但是，对于风电并网系统的运用中产生的不确定性会对电力系统中的频率带来一定影响和挑战。一旦风电并网规模不断扩大，在发电中产生的波动出力会影响电力系统中有功输出和负荷的平衡，有功输出减少会导致电网中频率的下降。因此，在新能源开发中，风电并网系统的频率响应引起技术人员的关注。

1.2 研究的意义

传统的应用电网中，为保证电力系统中频率的稳定和可靠性，通常对有功保留出来备用的保障电网的正常使用，确保电力系统在运行中出现有功缺额时候，通过解放备用的有功，迅速增加有功的供给需求。但是当大规模的风电并网系统接入，增加了电力系统运行的不确定性和超出的控制性，而在变频器控制整体风电机组时可以与系统中频率产生解耦控制，风电并网系统无法与传统的供电系统进行频率的同步控制。由于大规模风电并网的接入会减弱电力系统频率的调节能力，从而对电力系统中的频率稳定可靠运行产生了不利因素。因此，传统的有功备用模式无法满足整个电力系统的需求。随着并网不断加大，容量不断增加，大规模的风电并网已经成为电力供给的首选，如何让并网系统可以参与系统频率调节成为研究的重要目的。

对风电并网系统的研究，目前大多倾向于风电功率变化和预测或风电并网对电压、功率等影响，这些都是较传统的、普及面较广的研究，我国对于风电并网系统频率的课题还比较少。但是，随着风电并网数量不断增多，研究人员逐渐认识到，频率的稳定性对风电并网系统的影响较大，在并网系统中对于风电参与频率中的控制要求越来越高，因此，在风电并网的研究中频率的响应对风电并网具有重要的意义[1]。

2 风电并网频率研究现状

频率是供电系统的主要指标之一，是供电系统中控制参数的一项数据，与供电系统安全和效率的联系密不可分，由于地域不同，供电系统中对频率参考值的规定也不同。我国对频率的规定是50 Hz±0.2 Hz，根据供电系统的严格规定，频率的偏差不能太大，否则会对供电系统运行产生负荷等不良影响，对供电系统本身也有较大影响。频率一旦降低，会影响电动机转速，转速降低会减少机械出能，从而导致频率继续下降，变成恶性循环。一旦频率在短时间内突然大幅下降，就会造成停电现象，甚至整个供电系统都会出现问题。

在初期风电系统并网中，为确保系统的正常运行，频率的上下幅度超出一定范围时，风电与电网会断开。但实际情况下这种现象会加剧频率下降，导致供电系统中的频率无法在短时间内恢复。因此，各国对于风电场运行频率范围提出了相应的规范和要求，如图1所示，在不同的频率下，风电场运行范围值有所不同[2]。

在研究风电并网系统频率响应时，要综合考虑各个方面的影响，电网系统的影响与风电功率波动有关，因此，要从功率波动引起风电并网频率情况入手。在风电上网在电网中占一定比例时，风电功率对系统频的影响较小，但是一旦出现电路故障或发电机故障，会对电网系统频率产生大幅影响。出现短路时，会导致并网系统脱网，使风电场造成损失，当风电并网产生风速较大波动时也会对频率造成影响，而风电系统容量变大时有利于频率的稳定性。

在风电并网系统频率响应时，从电网系统频率大幅降低，系统中惯量会对频率产生作用，惯量变得越低，系统频率也相应变得越低。风电系统并网中容量如果不断增加，电机组会替代整个风电系统中的常规发电机组，如果风电机组不能提供惯量的回应，就会降低整个系统中的有效惯量。当比重增加时，供电系统惯量对整个电力系统的不利影响也会越来越大，对电网的相对稳定性产生不利影响[3]。

3 风电并网系统频率响应控制

随着风电系统并网规模的不断扩大，并网容量不断增加，风电并网对电力系统的影响也在增加。为确保在风电系统发电上的平稳发展，保障风电系统的科学合理化运用，要对整个风电并网系统建立完善的制度标准，实现风电并网的规范化。随着并网系统建立的规范化实行，传统的供电系统已经无法满足社会经济发展的需求，随着用电需求越来越大，新系统对于风电场的要求也越来越高，因此，要提高对电力系统频率稳定性的要求。

3.1 风力发电机组的控制

传统发电机组系统中的频率与输出的功率紧密相连，当功率出现一定波动时，会导致系统中频率降低，发电机组中的有功出力就会增加。通过不断研究发现，风电机组中有功出力与频率之间的变化紧密相连。但是，风电机组还与外部环境中的风速有关，风电机组会因为转速下降导致频率下降。

风力发电机组由风轮机、发电机两大部分构成。其中，风轮机主要通过叶片、轮毂、联轴器等部件组成：叶片主要将风能转换并运用在轮毂上从而进行机械转矩;轮毂连接着叶片和联轴器;联轴器作为整个发电机组的传动装置传递风轮机和发电机两者间的转矩。

风力发电机组主要分为双馈感应电机、永磁同步电机等。风力发电机组想要运行平稳的发电功率是受到了电场中内部风速的作用，但是由于内部风速受到外界的影响具有较高的随机性，导致电场内部风机整体具有复杂性，这种情况致使风力发电机组的出力具有不稳定性和不可靠性，无法及时控制其出力情况。

3.2 风电场的控制

在大规模风电并网系统的运行中，为保障整个电力系统运行的平稳性，利用传统的同步发电机组与风电并网系统同等容量的旋转备用运行，这种情况会造成电力资源浪费。在风电场储能系统中具有高效快速的响应速度和能量转换速度，可以改善风电并网系统配置中储能系统的功率波动，提高供电的稳定性和系统的安全性。

由于风电场中风电机组受到容量限制，因此一个风电场由多个风电机组组成。在考虑频率控制时，从风电场角度出发，主要关注各个风电机组之间的协调性与控制性，每个风电机组之间的元件控制问题。当供电系统的负荷变增大时，总频率会随着供电系统和负荷增大而降低，此时，一旦风电场参与频率调整，要考虑到各个风电机组之间的运行情况调整频率。根据当时的风速与风电机组转速之间的联系，导出风电机组当时的参数计算并按比例调整，维持风电机组之间各个机组的功率协调性。

4 风电并网系统频率响应分析及控制策略

风电场并网中的频率响应是否稳定，是整个电力系统运行的重要指标之一。一旦频率出现问题，会影响整个电力系统运行，导致发电机组产生事故，要通过研究频率响应中的分析方法、电并网中系统频率控制能力等一系列问题，保证风电并网系统频率响应的稳定性[4]。

传统的风电场中的调频系统主要通过电网中的水电机组和燃气机组等电源供给运行。这种方式导致当电力系统中的发电有用功率和负荷发生平衡变化时，电力系统的频率也会随之变化，而传统的发电机组要通过释放机组中的旋转惯量中的动能为电力系统的频率提供响应。由于电源是通过旋转惯性的器件构成，在响应中频率的速度受到发坡率的影响，对整体调频控制存在着延迟和数值的偏差。

文章对风电并网系统中频率稳定性运行提出了一种评估方法，这种评估方法是基于神经网络算法的频率中的偏移。运用弹性反向传播算法如图2所示，点的速度越快，收敛的曲线就会越平稳，从而运算出仿真程序，在IEEE—30系统中进行实验得出此方法。这个方法可以用于不同的风电场构造，反映在不同风电场出现的频率变化规则。在运行后，可以预判风电场并网后系统中频率响应出现的波动，为系统提供频率依据和参考参数。

在风电并网大规模的实施下，很难有确定的新网风电场频率响应，根据并网系统运行中产生的特性，通过利用推理系统计算的方法掌握风电并网中风电场的频率响应。例如，可以采用模糊逻辑系统推理方法，通过计算频率响应模型中的有功和频率实时动态，根据相应的数据产生变量，从而评估出风电场频率响应的特性。经过研究可以发现，此方法可以反映风电场在运行状态下不同的情况产生的频率响应的特点。模糊逻辑系统推理的方法对于风电并网系统中频率响应和频率稳定性具有重要的指导意义。

风电系统发展中风电并网容量不断加大，研究风电并网系统中频率的响应是必然趋势。在整体的风电机组中，频率调频力与当时风速也有一定关系，由于风速的不稳定性会导致频率出现波动性，因此，可以根据发电机组出力模型，提出在风速变化的情况下模拟风电场控制变化的情况。通过随机变量的特性进行概率函数运算，对IEEE—14系统算，可以看出，研究模型在系统中概率的随机变化特性，风电场的调频能力随着风速出力的影响，验证研究中概率模型的准确性，为风电场的系统频率控制提供依据[5]。

5 风电并网系统的展望

在风电并网系统中可以说频率稳定性是对整个系统的重要支持和保障，当电力系统中的频率出现问题的时候会影响整个电力系统设备的运行，甚至会导致风电发电机组的切出和系统频率崩溃的严重问题。随着风电并网系统的应用的扩大，并网规模的增加，导致并网容量也在不断增加，风电出力就会出现较大的随机波动性，这种随机波动对风电并网系统的正常运行有着重大影响，在我国目前对风电并网系统随机波动性的研究相对比较少。因此，在未来风电并网系统发展中，对深入了解风电并网系统中频率的特征和技术方法、参数控制等都要进行大量研究和分析。

风电并网系统稳定性的研究随着并网容量的不断增加具有重要影响，因此，风电场与风电并网系统的频率控制研究是未来发展的必然走向。在风电系统中风电机组的调频能力大小与内部风速紧密联系，传统的同步电机组的控制已经无法使用风电机组频率的控制。风电并网发电运行需要实现利用大规模风能运行，在发展中单机容量为兆瓦（MW）级大型风电机组得到了广泛应用。为提高风电输送功能的可靠安全性，风电场通过高压电接入到电网中，采用串联方式补偿对功率的缺失。

随着风电场风电机容量的增加，高压电等级的不断提高，电网受到风力的影响范围也会越来越大，两者间的相互作用更加明显。风力并网的大规模接入为整个电力系统的稳定性运行提出了挑战，也是未来提高风电并网系统频率控制的严峻挑战。因此，在未来风电系统的发展中，提高电网系统频率的稳定性和可靠性将成为重要的研究方向。

6 结语

综上所述，通过弹性反向算法、模糊逻辑系统推理算法等系列实验证明，风电并网系统中频率响应的稳定性与电力系统有着极大的关系，频率响应具有稳定性，才能参与风电场中风电并网。随着风电并网容量的需求增大，并网系统研究将会成为电力部门的一大发展趋势，将风电并网系统与频率控制研究成果更好地利用在电力系统中，提高电网的可靠性，更好地服务社会经济和产业发展。

参考文献

[1] 唐晓骏，蔡继朝，马世英，等.双馈风电并网对电力系统频率响应的影响[J].电力系统及其自动化学报，2020，32（10）：37-43，62.

[2] 王博，杨德友，蔡国伟.大规模风电并网条件下考虑动态频率约束的机组组合[J].电网技术，2020，44（7）：2513-2519.

[3] 褚鑫，高桂革.基于混合儲能的风电并网调频控制策略[J].磁性材料及器件，2019，50（6）：52-56.

[4] 苗翯.大规模风电并网的电力系统频率响应评估方法研究[J].机电信息，2019（30）：14-15.

[5] 史军，曹红，何国中，等.基于频率响应的风电系统POD参数设计研究[J].自动化与仪器仪表，2017（7）：8-11.