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摘要：传统能源经过人类社会长久的开发和利用，目前存在两方面的危机。其一是其储量日渐枯竭。如果不能及时建立新的能源体系，严重的能源短缺将导致全球经济出现大幅度萎缩，进而引发全球范围的经济危机，甚至演变为抢占剩余化石能源的战争。其二是传统化石能源的利用所引发的环境问题。传统化石能源在燃烧时释放的氮氧化物、硫化物等均会对环境造成威胁———具体包括局部影响（土地、水源污染）、地区性影响（酸雨）以及全球性影响（温室效应）等。
关键词：风电；电力系统；调频；分析
1导言
电力系统频率是衡量电力系统电能质量的重要指标，由于风电出力具有短时功率波动性，且目前主流的变速风电机组无法对系统频率波动提供惯性响应，系统的频率稳定安全受到了巨大的挑战。为了改善系统的频率特性，大量文献对风电参与系统调频展开了研究。文献设计了一种风电可以在系统频率跌落时短时输出功率的控制策略，从而使风电具有参与系统频率调节的能力。
2.风机参与系统调频原理及出力范围
风电机组参与系统调频的本质就是当系统频率跌落时在对系统提供一段时间的额外功率输出。这部分额外的功率输出类似于常规机组的备用，按照风电机组所处风速区间的不同，它来源于两部分：一是正常风速下，风电机组运行在最大风功率跟踪模式，可通过降低风机转速释放其储存的旋转动能；二是高风速下，由于风电机组通过调整桨距角舍弃部分风功率，输出额定功率，故可通过释放桨距角控制下舍弃的风功率对系统进行频率支撑。
3风电接入对系统频率的影响
3.1风电波动性对系统频率的影响
以时间区间长度为标准，将风电波动性分为３类，并分别讨论其对系统频率的影响：第一类是秒级到分钟级的波动，这些波动主要影响系统的一次调频；第二类是分钟级到小时级的波动，这些波动主要影响系统的二次调频；第三类是小时级到天级的波动，这些波动主要影响系统的发电计划和机组组合，需要结合短期风速预测合理安排机组启停，以保证系统具有充足的备用容量。在根据风电场的实测风电数据，分析了风速以及风功率输出的频谱特性，并利用扫频的方法求得电力系统频率对功率波动的频率响应特性。根据风功率输出的频谱，结合电力系统频率对功率波动的频率响应特性，得出如下结论：高频的风功率波动对系统频率的影响会被电力系统的自身惯性所衰减；而低频的风功率波动则可以通过ＡＧＣ抑制其对系统的影响；对系统频率影响最为显著的是中频的风功率波动。
3.2风电机组结构特点对系统频率的影响
与传统的同步发电机不同，风力发电机组中广泛采用了电力电子装置。按照风力发电机组结构以及控制方法的不同，一般可将风力发电机组分为以下４种：恒速恒频异步风机、变转子电阻型异步风机、双馈异步风机和永磁同步风机。与传统的同步电机相比，同时由于机组为异步机，与电网耦合较弱，因此在系统频率发生扰动时，其所能提供的有功支撑幅度较小，且响应较慢。由于采用了电力电子装置与电网进行连接，可以实现有功－无功解耦控制，但其在系统频率发生扰动时，无法向系统提供有功支撑。以爱尔兰电网为例，分析了随着恒速恒频异步风机和ＤＦＩＧ接入比例的增加，会导致扰动后系统频率最低点降低，同时系统初始频率变化率也会增加。对频率最低点的影响要明显大于恒速风机，但二者对ＲＯＣＯＦ的影响几乎没有差别，都无法及时提供有功支撑。利用考虑备用容量的调度模型，研究了爱尔兰电网在不同风电接入比例以及不同ＨＶＤＣ交换功率下，系统ＲＯＣＯＦ以及频率最低点的变化情况。结论是风电接入比例的增加对系统的频率控制提出了更高的要求。考虑风电接入对系统惯量的影响，分析了系统惯量的累积分布函数，以及系统惯量在一年中的变化情况。
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4面向风电场的频率协调控制
4.1风场内部机组的协调策略
为了充分发挥每台风电机组的调频能力，需要考虑风电场内部风电机组的协同控制。将自动发电控制引入风电场内部，实现了不同机组之间有功功率和无功功率的优化分配。基于风速整定风电场内各台风机备用功率的分配系数，根据工况动态分配风电场备用功率，为风电场参与系统调频提供支持。在此基础上采用有功功率优化分配策略，根据不同风机的备用功率容量分配风电场调频总功率，充分发挥每台风机的调频能力，但是风场降额运行，不利于风场运行的经济性。提出的可变下垂控制，依据不同风速自动调整风机控制环节的下垂控制系数，提高了风电场各风机对风速变化的适应性。针对风机同时进入或退出调频易导致系统频率剧烈变化的问题，使用时序控制策略控制风机有序进入或退出调频，克服了以上缺陷。
4.2考虑机组间调频能力
差异，引入转子动能评估因子和变流器容量限制因子实现各风机机组的协调控制，充分发挥各风机的调频能力，但是针对更大风电渗透率的系统，有待进一步验证。根据风电场内各台风机的运行状态协调分配调频功率，依然是未来研究的重点。
4.3风电场与系统传统常规发电机组之间
风电场并入电力系统，需要考虑风电场与系统传统常规发电机组之间的相互配合，目前在这方面的研究还比较少。为充分发挥各发电厂的调频能力，利用风电与火电等常规发电机组之间的通信系统，将风电的调频控制功率信号值引入常规发电机组的调速器控制，改善了系统的频率控制效果。分析了火力发电的一次调频和二次调频，将风电作为辅助，支援火电进行频率调节。利用风电有功功率的快速响应能力对系统频率进行短时的支撑，解决了水轮机频差响应速度较慢的问题。提出一种惯性控制结合功率备用控制的变系数控制策略，用于含有风电、光伏，柴油等发电机的混合系统的频率调整，根据风速改变控制参数，限制了频率波动，及时响应负荷扰动。风电与其它能源形式协调调频的研究刚刚开展，其中的相互影响机理尚未明确，有待深入研究。
4.4智能算法
风电系统是由大量的发电机、变流器、变压器、线路等组合成的动态系统，其本质上是非线性的动态大系统。风电的随机性、间歇性和不可预测性，使得风电系统难以用精确的模型表达；风机运行的工况具有很大的模糊性。这些都使得难以精确地控制风电机组参与系统调频。风电参与系统调频是一种复杂、多参数、多约束的非线性优化问题。智能算法能够弥补传统数学方法的不足，在求解复杂的非线性问题时优势很明显。智能算法是一类模仿自然界的规律来求解实际问题的算法，自20世纪60年代被提出后，发展迅速，现已经广泛应用于工程实际。目前应用于风电调频的智能算法主要有神经网络（ANN），粒子群算法（PSO），遗传算法（GA），模糊理论（FST）等。
5结论
风电的迅速发展可以缓解全球能源危机、减轻环境污染，与此同时大量风电并入电力系统，减小系统惯性，给电力系统的频率稳定性带来了挑战。目前风电参与系统调频的控制策略有很多，但各种控制策略都有着自身的一些缺陷，并不能完全满足风电参与系统调频的要求。同时，各种策略的研究都是基于理论和仿真的层面，并未运用到实际的电力系统中，需要在综合考虑风电运行的复杂工况基础上展开更符合实际的电力系统运行场景的仿真和实验，才能确定各算法的实用效果。智能算法，虚拟同步发电机技术的快速发展，运用到风电参与系统调频的过程中，将会改善系统的频率响应特性。
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论文作者:严兵
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/17
标签：风电论文; 系统论文; 频率论文; 功率论文; 机组论文; 风机论文; 电力系统论文; 《电力设备》2017年第32期论文;