关键字：大规模风电；并网运行；频率；稳定控制策略
在化石能源日益减少以及在环境污染越发严重的今天，新型能源的开发和使用成为了全球人民关注的重点问题。风能因为其具有的可再生性以及对环境没有污染而得到了世界各个国家的大力推广和使用。从目前的发展状况来看，风电因为其建设周期短，速度快，来源广泛，与其他的可再生资源如水电、太阳能相比，世界各国对它的开发规模最大并且得到的应用范围最为广泛。
风能作为一种可再生资源，虽然有节能减排和调整电源结构的作用，但是因为作为自然界因素的不稳定性和脉动性，风力常常受到自然空气条件的影响，时大时小，甚至在恶劣的条件下还会出现强风和暴风，因此风力发电是有着非常明显的随机和不可控性的。总之，由于风电功率的不能预见性以及强烈的波动性，成为了影响电力系统正常运行的主要因素。近年来，随着风电的运行功率不断增加，使得电力系统的频率调节方面的任务也日益繁重。因此，为了增加电网的运行安全，加大风电功率波动对于电网运行频率的影响的相关研究，为大型的风电联网运行提供参考依据，促进对风能的大规模的开发使用，同时让风电参与到系统调频的过程具有十分重要的研究意义。
1大规模风电并网对系统频率的影响分析
1.1 风电大规模接入后的系统频率稳定问题
风力发电出力具有明显的间歇性与波动性,并入电网发电时,当自身容量相比电网容量较小时,其功率的扰动对电力系统的影响甚微。当并网单元数量增加到一定额度时,其功率的扰动将有可能影响电网的稳定,对电网频率造成不利影响。
(1)风电功率的波动性和不可预期性,将会产生严重的地区有功功率不平衡问题。传统电力系统调频任务主要是针对负荷的随机变化及联络线功率控制的需求设置的,随着风电的引入,风电的随机性及负荷波动性的双重性作用将给系统频率控制带来前所未有的困难,而且,这一困难随着风电比例的升高将会变得更加严重。
(2)电力系统的惯量对于系统的频率变化起决定性的作用,惯量越小,系统频率变化速度越快风电大规模并网后,势必代替部分常规发电机组。由于传统变速恒频风电机组控制系统实现了机组转速与电网频率的完全解耦,使风电机组失去了对频率的快速有效响应。因此,传统变速恒频风电机组转速的惯性动能对系统惯量的贡献微乎其微。在电网频率发生改变时,机组无法对电网提供频率响应,导致电网发生功率缺额,且电网频率降低的变化率较高,频率的跌落幅度较大,不利于电网的频率稳定。
(3)由于我国风电事业的发展过程中,对风机并网的技术要求缺少统一标准。目前,并网发电的风电机组多数并不具备高、低电压穿越能力。当电力系统中风电装机容量达到一定规模时,由于电网故障引起的电压波动等因素,导致风电场整体退出运行时,会引起系统有功出力和负荷之间的动态不平衡,当电网其他发电机组不能够快速响应风电功率时,则有可能造成系统频率偏差,严重时可能导致系统频率越限,进而危及电网安全运行。
2大规模风电并网对频率控制策略
我国《风电场接入电力系统技术规定》对并网风电场有功功率调节方面提出要求:风电场并网运行后,应配置有功功率控制系统,具备有功功率调节能力;有义务按照调度指令参与电力系统的调频、调峰和备用。如何主动进行风电场的有功控制,充分利用风电场对电力系统频率的调节能力,是电网和风电场都十分关心的课题。
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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。
3总结
大规模风电并网运行频率稳定与控制策略是风电系统控制的重点和难点，做好大规模风电并网运行频率稳定与控制策略的研究可以促进我国风电系统的发展。随着风力发电投入数量的快速提升，大规模风电并网运行频率稳定与控制策略也增加了更大的难题。
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论文作者:张杰中
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/11/29
标签：频率论文; 风电论文; 电网论文; 功率论文; 系统论文; 风机论文; 机组论文; 《中国电业》2019年16期论文;