風力發電機組一次調頻控制策略對比研究

陳天嘯

（大唐江蘇發電有限公司新能源分公司）

1 研究背景

人類社會經濟發展和科學技術進步程度均都離不開對現代先進能源的充分利用，而正是由于我國化石能源儲量的持續迅速減少、全球環境形勢日趨緊張惡化、全球氣溫快速變暖加速等許多嚴峻問題，導致對傳統重要戰略能源產品的持續高效開發應用也面臨前所未有的困難與和制約。

風能資源因具備其開發技術研究最完善成熟、開發可利用資源規模潛力最大等優勢，在各類清潔能源中廣泛被人們選擇利用。2016年，全球風電累計新增風電裝機容量已經超過54GW，累計裝機容量則達到486.8GW［1］。中國從2005年開始至2016年間風電工業發展總體呈現行業發展相當迅速，累計完成裝機容量呈現出逐年平穩上升運行的趨勢，新增總裝機容量在2008年后仍然保持較高水平。

據統計，2016年中國風電新增裝機容量為1930萬kW，占世界風電新增裝機容量的42.7%，累計裝機容量達到1.49億kW，占全部發電裝機容量的9%，年發電量為2410億kWh，風電滲透率達4%［1］。國家能源局在2016年11月底印發《風電發展“十三五”規劃》，規劃提出，到2020年我國風電并網裝機容量達2.1億kW，年發電量在4200億kWh以上，風電滲透率達到6%［2］。

2 研究意義及現狀

中國一直積極致力于探討通過調整優化社會能源結構來逐步改善城市環境污染，風電技術成熟度更高，儲量日益豐富，已初步成為全球化石燃料發電供應系統的清潔替代能源的首選。我國目前風電事業發展較迅速，2008年以來，每年風電項目新增風電裝機容量也一直保持較高水平。

然而，風電功率輸出由于受許多自然條件共同影響，表現出隨機性大和波動性高的突出特點。為進一步保證我國電力系統與主負荷電網系統安全高效穩定正常運行，風電場地普遍還存在大規模棄風發電現象，且在南方部分省份已經十分嚴重。

在盡可能保證發電機組自身可靠穩定高效運行特性的基礎前提下，風電機組本身應具備其他常規機組應有的環境友好化特性，為整個電網服務提供環境動態響應支持，特別是大型風電機組自身應具有提供其他常規能源系統的調頻發電和綜合輔助能源服務保障能力，而絕對不是由一開始就已經把大型風電機組開發成作為某一種近乎穩定運行的有功備用電源設備來直接參與整個電網業務的運行［2］。

風電輸出條件的嚴重波動性特征和高隨機性也是容易導致人工棄風發電現象持續增加的一個重要原因。風電并網容量雖不斷快速增加，但由于風電信號輸出波形的高度隨機性特征和高波動性特點［3-4］，導致風電線路潮流劇烈波動、系統低頻振蕩，進而最終導致整個系統頻率高度不連續穩定發展。

面對當前上述重大挑戰和緊迫需要，研究探討如何有效優化或改良我國風電機組一次功率調頻特性，使各類風電機組設計的風電輸出功率曲線平滑，提高各類風電設計對整體電力系統穩定的支撐能力，從而最終使國內電力系統運行在國內外風電裝機容量大規模快速并網增長的大發展趨勢中得以逐步獲得適應，在持續增強整體電力系統正常運行過程的安全性能力和總體可靠性質量等關鍵問題方面，具有重要意義。

3 控制策略的對比研究

3.1 國內外成果綜述

在風電場參與發電系統二次調頻運行的控制及其策略方面，大多學者的控制理論或研究方向集中表現在對風力發電機組系統的慣性控制研究和一次調頻運行控制分析兩個大方面。文獻［5-6］系統總結研究轉子超速控制、慣性調頻控制策略和變槳速控制這三種較為全面成熟完善的新型風電機組的調頻振動控制策略，可以得到以下結論：隨著風電的規模化發展，越來越要求風電具備傳統電源的輔助功能，特別是主動控制和調頻功能來適應電力系統安全穩定和經濟高效運行。風電調頻技術比較見下表，儲能參與風電調頻的效果見下圖。

圖 儲能參與風電調頻的效果示意圖

其中，慣性調速控制的策略是調節風機機械結構存儲能量的輸入或輸出功率達到調節風機總輸出及功率分配的目標［7-12］，而轉子超速控制的策略［13-15］與變槳距控制策略［15］是通過改變風電機組機械功率輸出量調節風機輸出功率，通過對比分析在采用不同頻率控制調頻策略前提下實現的風機能量的流動調控原理，和實驗資料對比，可以明確看出，慣性調頻控制調頻策略實現的控制響應速度達到最快，變槳調頻控制調頻策略達到的調節響應能力也最強。

3.2 控制策略對比

上海電機學院等［16］認識到基于現有的單一儲能有一定的局限性，難以參與系統調頻發揮穩定作用，而混合儲能系統可以有效結合兩種儲能系統的各自優點，彌補單一儲能的不足，具有良好的動態性能。為了使大規模風電并網運行時頻率穩定，提出了基于SMES和BESS的混合儲能系統的接入方案及其控制結構。深入探究加入ESS系統前后，系統頻率變化以及頻率變化率。仿真結果表明，ESS可以改善大規模風電接入電力系統后造成的抗擾動能力下降，在系統受到擾動時，頻率能更快地恢復到正常運行水平。

文獻［17-18］中關于通過增加輔助設備來提高風電調頻能力的研究主要集中在增加儲能裝置來平滑風電輸出波動，提高風機的調頻能力。儲能裝置系統控制靈活、響應快、穩定可控的能源，與風力發電機組結合，通過改進原有的風力發電機組控制策略，可以使風力發電機組獲得更好的頻率調節能力，提高風力發電機組的并網穩定性。

儲能電源輔助風電調頻的原理是，當電網頻率下降時，迅速釋放自身能量，支持系統頻率；當電網頻率上升時，迅速吸收多余能量，減緩頻率偏差。隨著儲能技術的推廣與發展，應用儲能技術進行電網調頻已成為儲能的熱門應用之一，許多專家學者指出，儲能電池是與傳統電源共同參與調頻的有效途徑。文獻［19］研究指出，儲能電源設備響應調頻調度命令的速率極快，通常是火電機組的60倍以上，通過與火電機組共同參與調頻，大大增強了一次調頻的能力。

文獻［20］研究大規模風電并網帶來的一次調頻問題，同時分析大規模風電接入對電網頻率特性的影響，提出針對電網的儲能VSG輔助風電參與一次調頻的最優控制策略，并選擇適合電網一次調頻的儲能類型，進行技術經濟性分析。在風電滲透率達到0.3條件下，最大動態頻率偏差的絕對值可達0.2213Hz，超出電力系統對頻率的規定要求。所以儲能電源的加入尤為必要，隨著儲能電源的加入，將區域電網的最大動態頻率偏差拉回到0.2Hz以內，提高頻率指標，提示了系統的一次調頻能力，大大減輕火電調頻機組運行的負擔。研究表明，文獻［21］針對大規模風電并網時可能導致的日內調頻儲備不足，考慮常規機組和風電機組同時參與系統一次調頻，并進一步探討電力資源的快速啟動能力。研究結果表明，該調度模型可以進一步支持常規機組的一次調頻，同時兼顧系統運行的經濟性和各種高風險隨機情況下的暫態頻率安全性。為了與實際問題相結合，值得進一步研究風電場內風電機組共享備用的情況。

4 結束語

當然，我國目前風力發電還存在一定的問題［22］，首先我國目前的風力發電產業鏈不夠完善，從設計、溝通、運輸、安裝、維護、監測等方面的全過程技術和產品服務都不夠健全，風力發電還處于起步階段，仍需要更多探索。其次，風力發電項目與農村電網改造建設及規劃等密不可分。考慮目前建設風力輸電線路項目需要很高成本投入，對于那些目前還遠離中心城市區域的中小型風電項目，如何進行有效整合解決項目并網初期的巨額資金的投入才是問題產生的一個關鍵，同時項目還同樣需要充分考慮到其在后期并網實施過程中會經常可能發生的兼容性問題，如閃變、電壓、諧波、頻率失真等許多容易發生導致城市電網的運行產生不大穩定的主要因素，從而還需要企業加大相關技術設備投入。最后，需要政府進一步研究合理化的風力發電的電力價格。風力發電設備的研發投入和成本如何核算原材料及電力市場供求量價格等多個因素將會直接關系到今后風力發電系統的建設價格，需要聯合多家有關單位參與，共同探討制定一套合理可行的價格，既要滿足投資，又要照顧公眾。