摘要：风能发电典型特点是具有随机性和间歇性，这会导致风电本身出力的随机波动性，从而对电力系统的频率造成影响。结合现场经验，参考相关理论研究，分析风电各项因素对接入系统带来的影响，探究风电跳频技术，希望为相关人员提供参考。
关键字：风电接入；系统频率；影响；调频技术
引言
可再生能源替代传统化石能源进行发电，是构建以可再生能源为核心的新的能源体系中最为关键的一步。在现有可再生能源技术的市场应用和产业中，风能发电在全世界范围得到了广泛的应用和空前的发展，然而由于风能具有波动性和随机性,导致风电并网后,对电力系统频率带来的影响。研究风电接入对系统频率的影响，以及如何利用风机参与系统负荷频率控制,提高反应速度,使系统更快的进行频率调节，对大规模风电接入的电力系统来说至关重要。
1风电接入对系统频率的影响
1.1风电接入容量对系统频率的影响
对风电接入容量分别为50MW、100MW、150MW、200MW和250MW五个级别下5％负荷扰动对系统频率变化的影响进行分析。在测试系统下，等值机组容量随风电容量增大而持续下降，风电场通过调整投运机组数和有功功率控制系统使其始终处于额定出力状态。在无附加控制下和有惯性响应控制和桨距角控制下的系统最低频率和稳定频率结果如表1所示。
表1不同风电接入容量下负荷突增时的系统响应
从表1中可以看出，在相同功率扰动下，随着风电容量的增大，系统最低频率和稳定频率都呈明显的下降趋势，风电大量接入将对系统调频产生影响。在不采用附加控制时，系统最低频率明显低于采取惯性响应控制和桨距角控制时的结果。采用附加控制后，系统稳定的频率值低于不采用惯性响应控制和桨距角控制时的结果，主要因为采用惯性响应控制和桨距角控制时，系统稳定后桨距角大于初始值，使得风机功率系数低于初始值，风机吸收的能量降低。
1.2风电波动性对系统频率的影响
在风电接入时，风速导致有功功率波动对于电网的不确定性的扰动。风速剧烈变化，系统频率可能会产生较大偏移。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（0.2～10Hz）。考虑系统频率偏差不能超过额定频率1％的约束条件，发现由于风速的功率波动大多都是高频的波动。
当不采用惯性响应控制和桨距角控制时，风速上升导致风机机械功率增加，并引起转子转速上升。转子转速增大致使风机转矩控制环节有功功率指令增大，有功功率输出增加，从而系统频率上升。当采用惯性响应控制和桨距角控制时，风速增大风机功率输出增大，系统频率上升。但是系统频率上升反过来导致惯性响应环节降低功率指令，减少功率输出。此外风机转速上升，桨距角调节增大使得风功率系数快速降低，减少了风轮机械功率的上升，风机转速偏差较小。阵风结束后风速下降，由于桨距角调节滞后于风速变化，风机机械功率和有功功率迅速减小，系统频率出现短时下降，此后桨距角调节减小，风功率系数恢复，机械功率逐渐恢复，机械功率逐渐增大，系统频率恢复正常值。
1.3风电机组结构特点对系统频率的影响
按照风力发电机组结构以及控制方法，恒速恒频异步风机和变转子电阻型异步风机的惯量较小，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，响应较慢。双馈异步风机和永磁同步风机风机，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，但在系统频率发生扰动时，无法向系统提供有功支撑。双馈异步和永磁同步风机采用电力电子装置，与电网耦合特性较弱。随着风电接入比例的增加，会显著地影响系统惯性，影响系统频率最低值。因此，需要考虑如何利用风机自身参与系统调频，以解决风电接入后系统的频率问题。
2风电参与调频控制技术
2.1下垂控制
下垂控制借鉴的是传统同步电机中的调速器的控制思想，以系统频率偏差df作为反馈信号，经过比例放大等环节，产生功率或转矩附加控制信号。风机下垂控制器在高风速时参与调频，则可以通过调整桨距角以增加风机输入的机械功率，减小风机转子转速的下降。惯性控制的反馈信号是频率变化率，在扰动发生的初始时刻可以提供较大的有功支撑。
2.2阶跃控制
双馈式感应发电机采用了电力电子装置，可以在短时间内增加输出功率至允许输出功率的上限。该类型控制器在系统频率变化时，会瞬间增加风机的功率输出，因此又称阶跃控制。与前种控制方法相比，该控制器可以使风机在最短的时间内将功率出力值提升至上限。为避免风机同时降低有功输出对电网产生二次冲击。阶跃控制是使风电机组在短时间内提供大量有功支撑，但同时会造成风机的转速迅速下降，从而会导致转子失速；若控制策略不当，在电网频率恢复时风电机组集体退出调频也会对电网造成二次冲击。
2.3惯性控制
惯性控制是通过改变机组转子侧变流器的电流给定，控制转子速度发生临时性变化情况下短时吸收或释放风电机组旋转质体所存储的部分动能，响应系统频率的暂态变化，提供类似于传统机组的转动惯量。传统的同步发电机组在系统频率下降时，其转速也会下降，因此可以释放一部分动能对系统进行有功支撑。如果采用附加转矩的惯性控制，有可能造成风机转子出现失速而导致风机失稳，惯性控制可以有效地改善系统最低／最高点的频率值。在转子惯性控制的方法上，针对双馈风机，通过增加辅助频率控制，由储存在风机桨叶中的动能提供短时间功率支撑。在控制逻辑的设计上，实时检测系统的频率变化率，用于惯性响应的使能，增加了辅助频率控制的风机机组对系统频率支撑效果，使系统的等效惯量增加，减少了系统在扰动后的频率偏差和频率变化率。但由于转子转速不能长时间维持在降速或者升速状态，随着转子转速的恢复，有可能造成系统频率的二次降低或升高。
2.4风机参与二次调频控制技术
风电场自身具备调频功能参与电网的频率调整。在初期，规模总容量不大，其波动性完全依靠系统中传统机组的调节作用进行平抑，随频率变化自动进行频率调整。随着风电接入功率的增加，单独依靠传统机组的调节作用将已经无法完全平抑风电的功率波动。AGC技术的普及，电厂跟踪调度交易机构下发的指令，实现机组负荷自动调度，满足电力系统频率和联络线功率控制要求参与系统的二次调频。在二次调频中风机一般只具备向下调节的能力。与一次调频有所不同，二次调频需要长时间的功率输出。因此如果想发挥风机上调的能力，则需要风机工作在减载运行的状态。
结束语
随着电力系统中风电接入比例的不断增加，风电对电力系统的影响越来越显著。随着风电技术的持续更新，电力系统可接纳的可再生能源的比例会越来越高，能源问题也会得到相对完善的解决，必定会在该领域取得更好的研究成果。
参考文献:
[1]谷俊和，刘建平，江浩.风电接入对系统频率影响及风电调频技术综述.现代电力,2015，32(01)：46-51
[2]蒋望，卢继平.并网风电场下垂控制系数概率模型研究.电网技术[J]电网技术.2014年12期
论文作者:白俊文
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/22
标签：频率论文; 风机论文; 系统论文; 功率论文; 风电论文; 惯性论文; 转子论文; 《电力设备》2017年第28期论文;