風(fēng)力發(fā)電參與系統(tǒng)調(diào)頻綜述

陳 宇

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071066）

0 引 言

與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在頻率控制方面有其自身的特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相較于傳統(tǒng)機(jī)組具有更快的頻率響應(yīng)，但其響應(yīng)能力會(huì)受到風(fēng)況的限制。此外，采取不同控制方案的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能表現(xiàn)出截然不同的頻率特性。因此，研究不同控制方案下不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)能力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在2010年前，由于風(fēng)電的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被劃分為調(diào)度計(jì)劃之外的機(jī)組，不承擔(dān)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)任務(wù)。但隨著控制技術(shù)的發(fā)展和高風(fēng)電滲透系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)壓力的增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸被認(rèn)為需要承擔(dān)慣性響應(yīng)等一系列傳統(tǒng)機(jī)組所具備的輔助功能。事實(shí)上，丹麥和德國(guó)等國(guó)家在電網(wǎng)導(dǎo)則中都有相應(yīng)的的要求[1,2]。如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)的問(wèn)題正逐漸引起電力行業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，本文旨在深入分析并總結(jié)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展過(guò)程中頻率調(diào)節(jié)方面遇到的問(wèn)題和解決措施。

1 風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻的調(diào)度框架

隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比重的增加，為了保障電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào)同樣值得關(guān)注。風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻的3層調(diào)度框架如圖1所示。

當(dāng)風(fēng)電參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)組織架構(gòu)從上到下劃分為3個(gè)層次，分別是系統(tǒng)層、風(fēng)場(chǎng)層以及風(fēng)機(jī)層[3]。系統(tǒng)層主要由系統(tǒng)調(diào)度（SO）來(lái)把控與常規(guī)發(fā)電機(jī)組或儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度以及對(duì)電源和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)；風(fēng)場(chǎng)層主要關(guān)注對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組的組織調(diào)度；風(fēng)機(jī)層則主要關(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的閉環(huán)控制策略。

在3層調(diào)度框架中，風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)、系統(tǒng)調(diào)度以及其他設(shè)備之間建立雙向的信息交換。具體信息包括：第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中第j個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度；儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）；各種裝置的有功功率調(diào)節(jié)ΔPi,j、ΔPi、ΔPC以及ΔPE。3層調(diào)度框架中存在兩種實(shí)施方案，一種是被動(dòng)頻率調(diào)節(jié)，另一種是主動(dòng)頻率調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)層面的控制

由上述的電網(wǎng)導(dǎo)則和調(diào)度框架可知，對(duì)于風(fēng)電調(diào)頻的要求主要集中在3個(gè)方面。一是控制有功功率輸出的能力；二是對(duì)風(fēng)電功率變化率的限制能力；三是對(duì)系統(tǒng)頻率的頻率響應(yīng)能力。為了保障高風(fēng)電滲透率電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要分別在系統(tǒng)層、風(fēng)場(chǎng)層以及風(fēng)機(jī)層施加控制。在系統(tǒng)層面，現(xiàn)有的研究主要集中于調(diào)頻功率調(diào)度和綜合控制策略。

2.1 調(diào)頻功率調(diào)度

根據(jù)負(fù)荷情況和傳統(tǒng)能源的運(yùn)行工況，風(fēng)電場(chǎng)控制中心可預(yù)測(cè)或評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)有功功率參考值ΔPi。單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率參考值ΔPi一般可以表示為：

式中，ki是調(diào)節(jié)系數(shù)，由總裝機(jī)容量、備用容量、可用調(diào)節(jié)功率以及斜坡比確定，一般情況下Σki=1。

2.2 綜合控制策略

在綜合控制策略方面，現(xiàn)有的研究主要集中于風(fēng)電與傳統(tǒng)能源的協(xié)同調(diào)度以及利用儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電調(diào)頻。

2.2.1 風(fēng)電與傳統(tǒng)能源的協(xié)同調(diào)度

風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后，對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻性能有了更高的要求。一方面，風(fēng)電的間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)會(huì)加劇系統(tǒng)有功功率的不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率波動(dòng)更加頻繁，這就要求傳統(tǒng)機(jī)組能夠更頻繁地進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。另一方面，主流的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，無(wú)法為電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這就要求傳統(tǒng)機(jī)組有功功率有更高的精度和速度。

2.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電調(diào)頻

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有控制靈活、響應(yīng)快速等特點(diǎn)，不僅可以平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，還能輔助風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。目前，常用的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能4大類。機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電氣儲(chǔ)能主要包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括各種蓄電池形式的儲(chǔ)能；化學(xué)儲(chǔ)能主要是燃料電池形式的儲(chǔ)能。這4類儲(chǔ)能形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體見(jiàn)表1。

表1 各種儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

儲(chǔ)能系統(tǒng)除了響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化并為系統(tǒng)提供頻率支持外，還可以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)性能?；趦?chǔ)能技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)虛擬慣量補(bǔ)償策略與風(fēng)機(jī)層面依靠PI環(huán)節(jié)將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)的虛擬慣性補(bǔ)償策略不同，其將母線處的頻率信號(hào)用于控制風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)與同步發(fā)電機(jī)組間的能量交換，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償系統(tǒng)慣量，從而避免了風(fēng)機(jī)的大量棄風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同運(yùn)行狀況下風(fēng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制。

3 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

相較于風(fēng)電發(fā)電機(jī)組，同步發(fā)電機(jī)組在4個(gè)方面對(duì)電網(wǎng)更加友好。一是為系統(tǒng)提供慣量和阻尼，使系統(tǒng)功率不平衡時(shí)頻率變化更加緩慢；二是具有頻率響應(yīng)能力，可以根據(jù)系統(tǒng)偏移量自發(fā)地調(diào)整輸出功率；三是可以根據(jù)調(diào)度指令調(diào)整輸出有功功率和無(wú)功功率；四是輸出功率穩(wěn)定，不波動(dòng)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)最早于微電網(wǎng)領(lǐng)域提出，通過(guò)在分布式發(fā)電電源直流側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)并網(wǎng)逆變器采用基于同步發(fā)電機(jī)模型的控制算法，可以使分布式電源在機(jī)理上模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和電磁特性，在外特性上模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率響應(yīng)能力和調(diào)頻調(diào)壓能力[4]。目前，虛擬同步機(jī)技術(shù)在仿真建模、有功/轉(zhuǎn)矩控制、無(wú)功/電壓控制、多機(jī)并聯(lián)以及穩(wěn)定性分析等方面已經(jīng)有了大量的研究成果，證實(shí)了虛擬同步機(jī)技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)應(yīng)用的可行性，為風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻提供了新的思路。虛擬同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上需要變流器、儲(chǔ)能單元以及控制部件3部分。就風(fēng)電并網(wǎng)而言，主要的并網(wǎng)方式包括場(chǎng)站式接入和分布式接入兩種，對(duì)應(yīng)著清潔能源虛擬同步機(jī)的單元式和電站式兩種技術(shù)路線。其中，單元式主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)分布式接入場(chǎng)景，儲(chǔ)能依靠風(fēng)機(jī)葉輪慣性能量；電站式主要應(yīng)用于電站并網(wǎng)點(diǎn)接入電力系統(tǒng)場(chǎng)景，從目前來(lái)看特指儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)，需要根據(jù)其模擬慣性大小及其參與系統(tǒng)一次、二次調(diào)頻的需求決定儲(chǔ)能單元容量[5]。此外，根據(jù)等效模型的不同，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)還可以分為電流控制型、電壓控制型。研究表明，電流控制型技術(shù)適用于大電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，而電壓控制型技術(shù)則更適用于弱電網(wǎng)和微網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用[6,7]。

雖然虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用目前還存在參數(shù)整定、有功功率與無(wú)功功率耦合等問(wèn)題，但基于電力電子器件的快速響應(yīng)能力，風(fēng)電機(jī)組完全有可能在適應(yīng)性和調(diào)頻性能上接近甚至超越傳統(tǒng)同步機(jī)組[8]。依靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，虛擬同步發(fā)電機(jī)為電力電子變流器件增加了慣量和阻尼屬性。虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的設(shè)計(jì)受制于儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的設(shè)計(jì)又對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的性能影響較大。

4 發(fā)展前景與應(yīng)用

在特定的風(fēng)速下，對(duì)風(fēng)電機(jī)的調(diào)節(jié)裕度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估或計(jì)算，以建立風(fēng)速與調(diào)頻能力之間的聯(lián)系，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間或系統(tǒng)條件下充分利用調(diào)頻能力完成相應(yīng)任務(wù)。在某些特定的情況下，風(fēng)電機(jī)組只能逐步對(duì)其功率輸出進(jìn)行調(diào)整。因此，確定風(fēng)電機(jī)組參與或退出調(diào)頻的序列將是在這種情況下實(shí)現(xiàn)平滑頻率效應(yīng)的一個(gè)重要問(wèn)題[9,10]。作為一種緊急控制措施，部分風(fēng)電機(jī)可以在轉(zhuǎn)換器跳閘繼電器的幫助下快速并網(wǎng)運(yùn)行。不同風(fēng)況下不同控制策略的評(píng)估方法也可能大不相同，這對(duì)調(diào)頻能力的評(píng)估是很大的挑戰(zhàn)，確定評(píng)估結(jié)果對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度具有重要意義[11]。

動(dòng)態(tài)分配方案會(huì)受到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)況的影響，該問(wèn)題的解決過(guò)程應(yīng)該建立在實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制的基礎(chǔ)上。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，有功功率輸出功率和發(fā)電效益將會(huì)降低。因此，必須制定一種合理的綜合調(diào)頻能力的風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償方案，將具有調(diào)頻能力的風(fēng)電引入輔助服務(wù)市場(chǎng)，并對(duì)風(fēng)電調(diào)頻服務(wù)的收入進(jìn)行評(píng)估[12]。

5 結(jié) 論

隨著風(fēng)電滲透率的提高，電網(wǎng)導(dǎo)則中對(duì)風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻能力的要求也逐漸提高。將調(diào)頻框架分為系統(tǒng)層、風(fēng)場(chǎng)層以及風(fēng)機(jī)層3個(gè)層面，分別討論了3個(gè)層面風(fēng)電調(diào)頻的研究成果。在系統(tǒng)層面，系統(tǒng)調(diào)度不僅需要根據(jù)負(fù)荷情況和傳統(tǒng)能源的運(yùn)行工況確定每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功參考值，還要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；在風(fēng)電場(chǎng)層面，需要通過(guò)控制策略建立風(fēng)電機(jī)與系統(tǒng)調(diào)度之間的聯(lián)系，并通過(guò)優(yōu)化模型確定每個(gè)風(fēng)電機(jī)的功率分配；在風(fēng)機(jī)層面，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種控制策略使風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有調(diào)頻能力，但沒(méi)有任何一種單獨(dú)的控制方案可以覆蓋整個(gè)風(fēng)速范圍，需要充分結(jié)合各控制方案優(yōu)勢(shì)形成復(fù)合控制策略。虛擬同步發(fā)電技術(shù)為風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻提供了新的思路，可以使風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)更加友好。