风力发电频率调节相关技术研究周武慧

风力发电频率调节相关技术研究周武慧

周武慧

大唐广元风电开发有限公司四川广元628000

摘要：目前，我国的风力发展十分迅速，随着风力发电的规模化开发利用，风电作为未来电网中的重要电源，越来越被认为应该具备类似于传统电源的有功控制和频率调节等辅助服务能力。介绍了一些风力发电发展较快国家或地区对风力发电参与调频或提供有功备用的导则或规定，分析了变速风电机组转子惯性控制、超速控制、变桨控制、组合控制，以及储能与风电机组结合参与系统频率响应或调节的技术特点与研究发展态势，并给出了今后需要重点关注或研究的问题。

关键词：风力发电；频率调节；惯性响应；超速控制；变桨控制；储能

引言

随着风力发电技术的成熟，风电在电力行业的比例越来越高。因为风能间歇性和随机性的特点，风电越来越高的渗透率也给电力市场带来一些问题，主要表现在两个方面。一是运行成本的增加。风力发电机会取代一部分常规发电机，而风能的间歇性，使得风力发电机的输出功率具有随机波动性，在风能匮乏的情况下，需要启用备用容量来弥补风力发电的不足，这增加了备用容量的成本。同时，大规模风电接入电网时对风电机组的技术要求高，使电网设备升级方面的投资提高。二是对电网电能质量的影响。随机不稳定的风能会造成电压和频率的波动，同时也会产生大量谐波，对电网电能质量造成不良影响，并且在风电渗透率高的情况下，这种情况会更加严重。现有风电机组常用的为变速恒频的双馈风电机组和直驱风电机组，工作原理通过电力变换技术调节风电机组的输出与电网同步，这种运行方式使得风机输出的机械功率与系统的电磁功率解耦，风机转速与系统频率解耦，无法在频率发生变化时，依靠风机转速为系统频率提供调频支持，且现有风机为了汲取最大风能，常运行在最大功率追踪点，不能提供有功备用。因此风电机组无法主动响应系统频率的变化，而频率的稳定是电网电能质量的一项重要指标。由上述分析，为了降低风电并网对电网频率稳定的影响，风电机组需要承担传统电力机组的辅助调频功能。在调频方面风力发电机主要采用的方法：虚拟惯性控制，超速控制，桨距角控制等方法。

1风力发电发展现状

根据全球风能理事会（GWEC）公布的相关数据报告，至2020年风力发电增长将达100GW，累计总量将达900GW；至2030年风力发电增长将达150GW，累计总量将达2000GW；至2050年风力发电增长将达200GW，累计总量将达6000GW。同时结合IEA统计预测，至2025年全世界风力发电增长将回落到2016年的水平，至2030年将达80GW，整体发展趋于稳定，至2050年增加的装机量达80GW，风力发电将达3000GW。在我国“十二五”发展时期，再生能源发展快速，某种程度上促进了能源转型。而到了“十三五”发展阶段，我国处于全面创建小康社会的重要时期，是改革深化的攻克阶段，同时也是能源战略落实的重要时期。基于“实现至2020年和2030年可再生资源占据能源体系15%和20%的比例，促进构建低碳环保的现代能源系统，推动可再生资源可持续发展”的目标，结合相关能源法律和政策，发布了《可再生资源发展“十三五”规划》。在这项规划中，结合“统筹规划、集散并行、陆海齐进、有效利用”的方针，建立符合市场消费需求的能源体系，推动风力发电的充分开发和有效应用，主要目标有已下几点：（1）重视中东部风力发电的开发；（2）统筹建立风力发电基地；（3）着力推动海上风力发电技术的发展；（4）有效提升风力发现消纳能力等。

2风力发电频率调节相关技术

2.1协调控制

利用虚拟惯量控制只能暂时调频，而超速控制和桨距角控制可长时间调频，因此有些研究中为了获得快速响应和长效调频的效果，将超速控制或者桨距角控制或与虚拟惯性控制相结合.将虚拟惯性控制与桨距角控制相协调对风电系统调频，在双馈风电机组功率的控制环节中附加频率PD控制使双馈风电机组具有类似于传统同步发电机的惯性响应特性，并根据风机出力-桨距角关系选择桨距角调节范围。建立了含直驱永磁风电机组的风电系统，在风电机组MPPT控制的基础上引入与系统偏差比例、微分量相关的附加功率作为虚拟惯量控制，并通过设定桨距角控制系统的惯性时间常数对实际风电机组桨距角进行控制。为了使变速风电机组同时具有惯性支持和一次调频能力，将虚拟惯性控制与桨距角控制相结合，控制环节三个工作模块，虚拟控制模块、减载控制模块和一次调频控制模块。减载控制模块根据已知的减载度设定桨距角，一次调频控制模块根据静调差系数调节风力机的桨距角。将附加频率PD控制的虚拟惯量与根据减载度对桨距角进行调整的一次调频控制相结合，实现快速调频与长时间调频相结合的目的。

2.2转子惯性控制

风力发电机可分为定速型和变速型2种。早期的很多风机采用了鼠笼式异步发电机，为定速运行，风电机组转子转速与系统频率耦合，滑差约为1%~2%。这种风机能够自动为电力系统提供惯性响应支持，但可以提供的容量较小，而且在后继的频率调节过程中基本没有贡献。变速型风电机组包括目前主流的双馈型风机和直驱型风机，由于电力电子变流器的控制作用，前者的转子电磁转速可以在系统同步速的30%内波动，而后者的波动范围更大。因而，变速风机转子与系统频率解耦，无法在系统频率变化时主动提供惯性支撑。此外，由于目前风机大多采用最大风能捕获控制，风机运行于最大功率点附近，无法提供调频所需的备用容量，尤其是在向上调节时。不过，从上述分析中可以看出，变速型风机具有较大的控制灵活性，通过调整控制目标和控制策略，可以使机组主动响应系统频率的变化，使其具备类似于传统机组的惯性响应和频率调节能力。

2.3转子超速控制

所谓的转子超速控制，是实现转子的超速运动，从而使风电机在处于非最大功率时系统实时响应的次优点，同时储存少量有功功率进行一次频率调整。在一定风速下，风机的转动速度不同，输出功率有所差别，通过调节速度可控制风机改变次优点。在A点位置上，风机输出功率为最大值，在这种情况下，风机运行速度高于此点的转速，风机输出功率降低，从而实现减载，从而实现备用能量的存储。若需提高风电机输出功率，可降低风电机运行速度直至C点，实现电磁功率和机械功率的平衡，从而实现有功控制。然而若风电机转动速度减少至A点，功率输出最大，之后随着转速降低功率也下降，这就是有功控制的波动区域，要尽量避免出现这种情况。

结语

随着风电的规模化发展，从电力系统安全稳定与经济高效运行的角度出发，越来越需要风电具有传统电源的辅助功能，尤其是有功控制和频率调节。一些风电发展较快的国家或地区电网均对风电的一次备用甚至二次备用容量进行了规定，但在系统惯性响应方面还没有具体要求。目前很多研究集中于双馈风机与直驱风机的转子惯量控制、转子超速控制、变桨控制及组合控制，对支撑系统频率响应与调节具有重要的作用，但也在一定程度上受制于风机运行工况等的影响，存在调节盲区与备用容量可信度等方面的问题。储能，无论是分散于单台机组上，还是集中于风电场，均可以改善风机自身调频的不足，但如何与风电协调，减少储能的容量配置，提高系统的总体技术经济性，还需要系统研究。此外，需要进行风电调频等辅助服务的市场定位与盈利模式等相关问题的探索，以促进风电的良性发展。

参考文献：

[1]国家能源局．可再生能源发展“十二五”发展规划[R]．北京：国家能源局，2012．

[2]蒋佳良，晁勤，陈建伟，等．不同风电机组的频率响应特性仿真分析[J]．可再生能源，2010，28（3）：24-28．