风力发电调频技术研究

风力发电调频技术研究

曲慧星

（南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司国电南瑞科技股份有限公司江苏省南京市211106）

摘要：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。本文主要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，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

0引言

我国在近几年的风力发电中取得了不俗的进展，风力发电同样也为我国的能源事业开拓了一片全新的天地，因此，有效的提高风力发电的能量，满足生产、生活中的需求是当前工作的重要环节。调频技术的出现，可以有效的提高设备的存储容量，提升调频能力，具有重要的发展意义。

1各国对风电频率响应的规定

对于一些风电发展较快的国家或地区，无论是从装机容量，还是在电量消耗总体水平上，风电均处于很高的比例。为保证电力系统的安全可靠，这些国家纷纷出台了对风电辅助服务功能的导则、要求或规定，其基本出发点是希望风电能够像传统发电机组那样具备提供惯性响应和有功支撑等能力。当然，不同的国家或地区，其风电渗透率、网架结构、电源组成差异很大，在对风电频率响应等辅助服务能力方面的要求也各有不同。

德国E.ON电网公司要求装机容量大于100MW的风电场应该具备一次频率调节的能力，一次调频容量至少为2%的额定功率，而且有功–频率的下垂系数可调。当系统的准稳态频率偏差达到0.2Hz时，风电场必须在30s内激活全部一次备用容量，持续时间不少于15min。当系统频率超过50.2Hz时，风电场应该按40%的下降率减小有功输出。

加拿大魁北克电网要求额定容量大于10MW的风电场必须安装频率控制系统，在出现大的频率偏差时提供辅助调频服务，如快速提供至少5%的备用容量，持续时间10s；而在稳态频率控制时无需启用。该规定是针对系统出现较大的短时频率偏差时，期望风电场能够提供类似于传统机组的惯性响应能力，以支持系统频率恢复。

2风力发电调频技术

2.1转子惯性控制

当前工作中应用到的风力发电机主要具有两种类型：定速型；变速型，前者在过去的发展中采用较多，容量较小，不能满足工作中的要求，因此在后续的发展阶段逐渐被淘汰。而变速型的风力发电机成为应用中的主要设备，并且分为两种类型，一种是广泛使用的双馈型风机，另外一种则是直驱型风机，两者之间的区别在于后者的波动范围要高于前者，因此在控制上具有一定的缺陷，不能满足灵活性的特点，为此在实际的工作中，应该寻求更大的突破。转子惯性控制与风力发电机自身所具有的惯性能力以及运行时的状态具有直接的联系，因此从这两方面入手能够更加灵活的对转子惯性进行控制。

2.2转子超速控制

超速控制的关键在于当转子出现超速运转时，如何将其得到有效的控制，这是工作中的重点问题，在实际的应用中，风机的运行速率往往会保留一部分作为备用，这一部分备用的有功功率是用来作为一次频率调节的，因此对超速控制主要在于一次频率在调节时的响应速度，速度越快，对风机的影响就弱，但是不足之处在于有一部分盲区是不能进行有效的控制的，这一过程中会对风机的运转速度控制在一定的范围之内，如果超出这一范围，那么就需要采用桨距角保证恒功率的正常运行，由此看来，转子超速的适用范围也是具有局限性的，仅仅在额定风速的范围之内才能得以正常的运行，但是转子超速并不会受到时间的限制，而是在多数时间内都可以得到应用，这也在一定程度上降低了对风力发电所带来的经济损失。

2.3变桨控制

变桨距控制是通过控制风机的桨距角，改变桨叶的迎风角度与输入的机械能量，使其处于最大功率点之下的某一运行点，从而留出一定的备用容量。风况一定的情况下，桨距角越大，机组留有的有功备用也就越大。桨距角控制的调节能力较强，调节范围较大，可以实现全风速下的功率控制。但由于其执行机构为机械部件，因而响应速度较慢；而且当桨距角变化过于频繁时，也容易加剧机组的机械磨损，缩短使用寿命，增加维护成本。一般情况下，变桨控制多用于额定风速以上的工况，而且在系统频率下降时的备用支撑较为有效。在这种情况下，风机参与系统频率调节的作用时间较为持久。

3风力发电调频技术的未来研究课题

由以上分析可以看出，随着风电接入比例的不断增加，逐步成为未来电力系统中的重要电源，也对其参与惯性响应和频率调节的能力提出了需求，使其具备类似于传统电源的特性。一些风电发展较快的国家或地区，已经开始在电网导则中增加了相关要求；而GEWind、Vistas、Siemens等风电设备商也已开始开发风电频率控制的相关产品，通过转子惯性控制、变桨控制等方式参与调频，如WindInertial、WindController、WFMC等。鉴于风电机组运行状态的多变性，在技术上还可以采用多种调频方式的组合，以提高备用容量的可信度；由于储能的控制灵活性和快速性，配置适量的储能，与风电自身调频手段相协调，可以提高系统的技术经济性，并减轻风电机组的机械应力，如GE开发的集成了储能的新一代智能风电机组。总体看来，尽管国内外相关的理论与技术研究日益增多，但仍存在许多需要攻克的课题：含风电的电力系统综合频率特性。电力系统的频率特性反映了系统中电源、负荷和联络线的运行过程及其频率响应特性，风电通过控制，可以改变频率响应过程，进而影响系统的综合频率特性，对于该问题的研究是进行风电相关规划与控制的基础。风电场运行状态与备用容量评估。目前风电调频的研究通常忽略了风速的随机性波动，而实际上即使在一次调频的时间尺度上，风速的变化也可能较为剧烈，因而备用容量的可信度值得商榷。如何在风电场或集群的层面上，对运行状态和备用容量进行准确评估，并将控制需求分配到各台机组，需要进一步研究。

结语

随着风力发电的规模化发展，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方面。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，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，还需要进行系统研究。

参考文献

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