风力发电机组一次调频控制策略对比研究

陈天啸

（大唐江苏发电有限公司新能源分公司）

1 研究背景

人类社会经济发展和科学技术进步程度均都离不开对现代先进能源的充分利用，而正是由于我国化石能源储量的持续迅速减少、全球环境形势日趋紧张恶化、全球气温快速变暖加速等许多严峻问题，导致对传统重要战略能源产品的持续高效开发应用也面临前所未有的困难与和制约。

风能资源因具备其开发技术研究最完善成熟、开发可利用资源规模潜力最大等优势，在各类清洁能源中广泛被人们选择利用。2016年，全球风电累计新增风电装机容量已经超过54GW，累计装机容量则达到486.8GW［1］。中国从2005年开始至2016年间风电工业发展总体呈现行业发展相当迅速，累计完成装机容量呈现出逐年平稳上升运行的趋势，新增总装机容量在2008年后仍然保持较高水平。

据统计，2016年中国风电新增装机容量为1930万kW，占世界风电新增装机容量的42.7%，累计装机容量达到1.49亿kW，占全部发电装机容量的9%，年发电量为2410亿kWh，风电渗透率达4%［1］。国家能源局在2016年11月底印发《风电发展“十三五”规划》，规划提出，到2020年我国风电并网装机容量达2.1亿kW，年发电量在4200亿kWh以上，风电渗透率达到6%［2］。

2 研究意义及现状

中国一直积极致力于探讨通过调整优化社会能源结构来逐步改善城市环境污染，风电技术成熟度更高，储量日益丰富，已初步成为全球化石燃料发电供应系统的清洁替代能源的首选。我国目前风电事业发展较迅速，2008年以来，每年风电项目新增风电装机容量也一直保持较高水平。

然而，风电功率输出由于受许多自然条件共同影响，表现出随机性大和波动性高的突出特点。为进一步保证我国电力系统与主负荷电网系统安全高效稳定正常运行，风电场地普遍还存在大规模弃风发电现象，且在南方部分省份已经十分严重。

在尽可能保证发电机组自身可靠稳定高效运行特性的基础前提下，风电机组本身应具备其他常规机组应有的环境友好化特性，为整个电网服务提供环境动态响应支持，特别是大型风电机组自身应具有提供其他常规能源系统的调频发电和综合辅助能源服务保障能力，而绝对不是由一开始就已经把大型风电机组开发成作为某一种近乎稳定运行的有功备用电源设备来直接参与整个电网业务的运行［2］。

风电输出条件的严重波动性特征和高随机性也是容易导致人工弃风发电现象持续增加的一个重要原因。风电并网容量虽不断快速增加，但由于风电信号输出波形的高度随机性特征和高波动性特点［3-4］，导致风电线路潮流剧烈波动、系统低频振荡，进而最终导致整个系统频率高度不连续稳定发展。

面对当前上述重大挑战和紧迫需要，研究探讨如何有效优化或改良我国风电机组一次功率调频特性，使各类风电机组设计的风电输出功率曲线平滑，提高各类风电设计对整体电力系统稳定的支撑能力，从而最终使国内电力系统运行在国内外风电装机容量大规模快速并网增长的大发展趋势中得以逐步获得适应，在持续增强整体电力系统正常运行过程的安全性能力和总体可靠性质量等关键问题方面，具有重要意义。

3 控制策略的对比研究

3.1 国内外成果综述

在风电场参与发电系统二次调频运行的控制及其策略方面，大多学者的控制理论或研究方向集中表现在对风力发电机组系统的惯性控制研究和一次调频运行控制分析两个大方面。文献［5-6］系统总结研究转子超速控制、惯性调频控制策略和变桨速控制这三种较为全面成熟完善的新型风电机组的调频振动控制策略，可以得到以下结论：随着风电的规模化发展，越来越要求风电具备传统电源的辅助功能，特别是主动控制和调频功能来适应电力系统安全稳定和经济高效运行。风电调频技术比较见下表，储能参与风电调频的效果见下图。

图 储能参与风电调频的效果示意图

其中，惯性调速控制的策略是调节风机机械结构存储能量的输入或输出功率达到调节风机总输出及功率分配的目标［7-12］，而转子超速控制的策略［13-15］与变桨距控制策略［15］是通过改变风电机组机械功率输出量调节风机输出功率，通过对比分析在采用不同频率控制调频策略前提下实现的风机能量的流动调控原理，和实验资料对比，可以明确看出，惯性调频控制调频策略实现的控制响应速度达到最快，变桨调频控制调频策略达到的调节响应能力也最强。

3.2 控制策略对比

上海电机学院等［16］认识到基于现有的单一储能有一定的局限性，难以参与系统调频发挥稳定作用，而混合储能系统可以有效结合两种储能系统的各自优点，弥补单一储能的不足，具有良好的动态性能。为了使大规模风电并网运行时频率稳定，提出了基于SMES和BESS的混合储能系统的接入方案及其控制结构。深入探究加入ESS系统前后，系统频率变化以及频率变化率。仿真结果表明，ESS可以改善大规模风电接入电力系统后造成的抗扰动能力下降，在系统受到扰动时，频率能更快地恢复到正常运行水平。

文献［17-18］中关于通过增加辅助设备来提高风电调频能力的研究主要集中在增加储能装置来平滑风电输出波动，提高风机的调频能力。储能装置系统控制灵活、响应快、稳定可控的能源，与风力发电机组结合，通过改进原有的风力发电机组控制策略，可以使风力发电机组获得更好的频率调节能力，提高风力发电机组的并网稳定性。

储能电源辅助风电调频的原理是，当电网频率下降时，迅速释放自身能量，支持系统频率；当电网频率上升时，迅速吸收多余能量，减缓频率偏差。随着储能技术的推广与发展，应用储能技术进行电网调频已成为储能的热门应用之一，许多专家学者指出，储能电池是与传统电源共同参与调频的有效途径。文献［19］研究指出，储能电源设备响应调频调度命令的速率极快，通常是火电机组的60倍以上，通过与火电机组共同参与调频，大大增强了一次调频的能力。

文献［20］研究大规模风电并网带来的一次调频问题，同时分析大规模风电接入对电网频率特性的影响，提出针对电网的储能VSG辅助风电参与一次调频的最优控制策略，并选择适合电网一次调频的储能类型，进行技术经济性分析。在风电渗透率达到0.3条件下，最大动态频率偏差的绝对值可达0.2213Hz，超出电力系统对频率的规定要求。所以储能电源的加入尤为必要，随着储能电源的加入，将区域电网的最大动态频率偏差拉回到0.2Hz以内，提高频率指标，提示了系统的一次调频能力，大大减轻火电调频机组运行的负担。研究表明，文献［21］针对大规模风电并网时可能导致的日内调频储备不足，考虑常规机组和风电机组同时参与系统一次调频，并进一步探讨电力资源的快速启动能力。研究结果表明，该调度模型可以进一步支持常规机组的一次调频，同时兼顾系统运行的经济性和各种高风险随机情况下的暂态频率安全性。为了与实际问题相结合，值得进一步研究风电场内风电机组共享备用的情况。

4 结束语

当然，我国目前风力发电还存在一定的问题［22］，首先我国目前的风力发电产业链不够完善，从设计、沟通、运输、安装、维护、监测等方面的全过程技术和产品服务都不够健全，风力发电还处于起步阶段，仍需要更多探索。其次，风力发电项目与农村电网改造建设及规划等密不可分。考虑目前建设风力输电线路项目需要很高成本投入，对于那些目前还远离中心城市区域的中小型风电项目，如何进行有效整合解决项目并网初期的巨额资金的投入才是问题产生的一个关键，同时项目还同样需要充分考虑到其在后期并网实施过程中会经常可能发生的兼容性问题，如闪变、电压、谐波、频率失真等许多容易发生导致城市电网的运行产生不大稳定的主要因素，从而还需要企业加大相关技术设备投入。最后，需要政府进一步研究合理化的风力发电的电力价格。风力发电设备的研发投入和成本如何核算原材料及电力市场供求量价格等多个因素将会直接关系到今后风力发电系统的建设价格，需要联合多家有关单位参与，共同探讨制定一套合理可行的价格，既要满足投资，又要照顾公众。