风力发电参与系统调频综述

陈 宇

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071066）

0 引 言

与传统的同步发电机组相比，风力发电机组在频率控制方面有其自身的特点。风力发电机组相较于传统机组具有更快的频率响应，但其响应能力会受到风况的限制。此外，采取不同控制方案的风力发电机组可能表现出截然不同的频率特性。因此，研究不同控制方案下不同类型风力发电机组的频率调节能力具有一定的现实意义。在2010年前，由于风电的间歇性和波动性特点，大多数风力发电机组被划分为调度计划之外的机组，不承担系统频率调节任务。但随着控制技术的发展和高风电渗透系统频率调节压力的增大，风力发电机组逐渐被认为需要承担惯性响应等一系列传统机组所具备的辅助功能。事实上，丹麦和德国等国家在电网导则中都有相应的的要求[1,2]。如何使风力发电机组承担调频任务的问题正逐渐引起电力行业和学术界的关注，本文旨在深入分析并总结风力发电发展过程中频率调节方面遇到的问题和解决措施。

1 风电参与系统调频的调度框架

随着风力发电在电力系统中所占比重的增加，为了保障电网的安全经济运行，风力发电机组与传统电力系统设备的协调同样值得关注。风电参与系统调频的3层调度框架如图1所示。

当风电参与系统频率调节时，根据组织架构从上到下划分为3个层次，分别是系统层、风场层以及风机层[3]。系统层主要由系统调度（SO）来把控与常规发电机组或储能系统的协同调度以及对电源和其他设备的实时状态检测；风场层主要关注对风场内机组运行状态的检测和风电场中的风电机组的组织调度；风机层则主要关注风力发电机组的闭环控制策略。

在3层调度框架中，风电机组、风电场、系统调度以及其他设备之间建立双向的信息交换。具体信息包括：第i个风电场中第j个风力发电机组的风速和转子速度；储能系统的荷电状态（State of Charge，SOC）；各种装置的有功功率调节ΔPi,j、ΔPi、ΔPC以及ΔPE。3层调度框架中存在两种实施方案，一种是被动频率调节，另一种是主动频率调节。

2 系统层面的控制

由上述的电网导则和调度框架可知，对于风电调频的要求主要集中在3个方面。一是控制有功功率输出的能力；二是对风电功率变化率的限制能力；三是对系统频率的频率响应能力。为了保障高风电渗透率电网的稳定运行，需要分别在系统层、风场层以及风机层施加控制。在系统层面，现有的研究主要集中于调频功率调度和综合控制策略。

2.1 调频功率调度

根据负荷情况和传统能源的运行工况，风电场控制中心可预测或评估风电场全场有功功率参考值ΔPi。单个风电场的有功功率参考值ΔPi一般可以表示为：

式中，ki是调节系数，由总装机容量、备用容量、可用调节功率以及斜坡比确定，一般情况下Σki=1。

2.2 综合控制策略

在综合控制策略方面，现有的研究主要集中于风电与传统能源的协同调度以及利用储能系统辅助风电调频。

2.2.1 风电与传统能源的协同调度

风电大规模并网后，对常规发电机组的调频性能有了更高的要求。一方面，风电的间歇性、波动性等特点会加剧系统有功功率的不平衡，导致系统的频率波动更加频繁，这就要求传统机组能够更频繁地进行功率调节。另一方面，主流的变速风力发电机通常转速与系统频率解耦，无法为电网提供转动惯量，这就要求传统机组有功功率有更高的精度和速度。

2.2.2 储能系统辅助风电调频

储能系统具有控制灵活、响应快速等特点，不仅可以平抑风电功率波动，还能辅助风电参与系统调频，提高电力系统的安全稳定性。目前，常用的储能系统可以分为机械储能、电气储能、电化学储能以及化学储能4大类。机械储能主要包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能；电气储能主要包括超级电容器储能和超导储能；电化学储能主要包括各种蓄电池形式的储能；化学储能主要是燃料电池形式的储能。这4类储能形式各有优缺点，具体见表1。

表1 各种储能系统的优缺点

储能系统除了响应系统频率变化并为系统提供频率支持外，还可以优化整个系统的频率调节性能。基于储能技术的风电场虚拟惯量补偿策略与风机层面依靠PI环节将频率信号转换为功率信号的虚拟惯性补偿策略不同，其将母线处的频率信号用于控制风电-储能系统与同步发电机组间的能量交换，动态地补偿系统惯量，从而避免了风机的大量弃风，实现了风电场内不同运行状况下风机的协调控制。

3 虚拟同步发电机技术

相较于风电发电机组，同步发电机组在4个方面对电网更加友好。一是为系统提供惯量和阻尼，使系统功率不平衡时频率变化更加缓慢；二是具有频率响应能力，可以根据系统偏移量自发地调整输出功率；三是可以根据调度指令调整输出有功功率和无功功率；四是输出功率稳定，不波动。

虚拟同步发电机技术最早于微电网领域提出，通过在分布式发电电源直流侧配置储能系统，并对并网逆变器采用基于同步发电机模型的控制算法，可以使分布式电源在机理上模拟同步发电机的机械特性和电磁特性，在外特性上模拟同步发电机的频率响应能力和调频调压能力[4]。目前，虚拟同步机技术在仿真建模、有功/转矩控制、无功/电压控制、多机并联以及稳定性分析等方面已经有了大量的研究成果，证实了虚拟同步机技术在风电并网应用的可行性，为风电参与系统调频提供了新的思路。虚拟同步技术的实现在结构上需要变流器、储能单元以及控制部件3部分。就风电并网而言，主要的并网方式包括场站式接入和分布式接入两种，对应着清洁能源虚拟同步机的单元式和电站式两种技术路线。其中，单元式主要应用于风机分布式接入场景，储能依靠风机叶轮惯性能量；电站式主要应用于电站并网点接入电力系统场景，从目前来看特指储能虚拟同步机，需要根据其模拟惯性大小及其参与系统一次、二次调频的需求决定储能单元容量[5]。此外，根据等效模型的不同，虚拟同步发电机技术还可以分为电流控制型、电压控制型。研究表明，电流控制型技术适用于大电网的并网运行，而电压控制型技术则更适用于弱电网和微网系统的应用[6,7]。

虽然虚拟同步发电机技术的应用目前还存在参数整定、有功功率与无功功率耦合等问题，但基于电力电子器件的快速响应能力，风电机组完全有可能在适应性和调频性能上接近甚至超越传统同步机组[8]。依靠储能系统，虚拟同步发电机为电力电子变流器件增加了惯量和阻尼属性。虚拟转动惯量和阻尼系数的设计受制于储能系统，同时虚拟转动惯量和阻尼系数的设计又对虚拟同步发电机的性能影响较大。

4 发展前景与应用

在特定的风速下，对风电机的调节裕度进行准确评估或计算，以建立风速与调频能力之间的联系，并在适当的时间或系统条件下充分利用调频能力完成相应任务。在某些特定的情况下，风电机组只能逐步对其功率输出进行调整。因此，确定风电机组参与或退出调频的序列将是在这种情况下实现平滑频率效应的一个重要问题[9,10]。作为一种紧急控制措施，部分风电机可以在转换器跳闸继电器的帮助下快速并网运行。不同风况下不同控制策略的评估方法也可能大不相同，这对调频能力的评估是很大的挑战，确定评估结果对系统规划和调度具有重要意义[11]。

动态分配方案会受到系统运行状态和风况的影响，该问题的解决过程应该建立在实际的系统调度机制的基础上。当风力发电参与系统调频时，有功功率输出功率和发电效益将会降低。因此，必须制定一种合理的综合调频能力的风电场补偿方案，将具有调频能力的风电引入辅助服务市场，并对风电调频服务的收入进行评估[12]。

5 结 论

随着风电渗透率的提高，电网导则中对风力发电调频能力的要求也逐渐提高。将调频框架分为系统层、风场层以及风机层3个层面，分别讨论了3个层面风电调频的研究成果。在系统层面，系统调度不仅需要根据负荷情况和传统能源的运行工况确定每个风电场的有功参考值，还要实现风电场与储能系统的协调控制；在风电场层面，需要通过控制策略建立风电机与系统调度之间的联系，并通过优化模型确定每个风电机的功率分配；在风机层面，虽然已经开发了各种控制策略使风力发电机具有调频能力，但没有任何一种单独的控制方案可以覆盖整个风速范围，需要充分结合各控制方案优势形成复合控制策略。虚拟同步发电技术为风电参与系统调频提供了新的思路，可以使风电机组并网更加友好。