风电参与电网运行的控制及频率调节研究

徐强郜宁

（国网新疆电力公司电力科学研究院830011）

摘要：风能由于其可再生、可循环利用容易收集的优点，成为了人们日常生活中必不可缺的能源。但是将风能与其他能源相比，风能的不确定性以及随机性又使得风力发电设备的功率起伏较大，同时由于风电并网容量的持续扩大，使得风力发电设备因为功率输出的波动性以及随机性而给电网系统的调频的控制难度增加得更大。因此，本文从风电并入电网的运行情况出发，对功率输出的平滑控制以及频率控制进行分析研究，从而得出控制并调节调节风电并入电网运行的频率方案。

关键词：风力发电；功率波动；频率调节及控制方案

1前言

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。

2风电参与电网运行的情况分析

我国的风能资源丰富，可以被开发利用的风力潜能巨大。最近几年，我国的风电行业一直保持着稳定快速发展，在“十一五”期间我国的装机容量每年都呈现翻倍增长的形势，我国也因此在风电装机方面成了发展最大的国家。但是随着风力发电厂的规模的不断变大，越来越多的风电装机设备在电网中得到使用，风电的随机以及间歇性问题也对风电运行的影响显现得越来越明显，风力对于电网的影响已经从电网波动等简单的质量问题发展成了影响整个电力系统惯量以及暂态稳定和线路输出等等许多方面的重大问题。

通过模型建立的形式对风力并入电网的情况进行分析。在建立的风力并入电网的模型里面，借助改变发电机跟电网之间的参数来使得有功功率跟无功功率之间保持平衡。风速以每秒十米的基础，在仿真风力进行的第三秒里，添加渐变风。对不同的风电机并入电网的运行情况进行仿真模拟，时间控制为二十秒，借助不同的风力发电机在风力转变的情况下出现的不同的功率，在这个过程中可以看到当并网运行到第十五秒时，电压降低零点一秒。根据不同的风力发电机的电压情况，观察输出功率的变化情况。其风速曲线图如图1所示：

图1风速曲线图

以风电的运行原理为依据，通过建立模型对风电的运行情况进行测试，参照了相关文献之后，可以分析，在恒速恒频的发电模式下，风速变化比较稳定，风力的输出功率不受到风速的影响，可以自我调节；而变速恒频的发电模式是在平衡的风速的基础上，伴随着风速的增加可以实现有功率以及无功率的控制。

3风电并入电网系统的频率调节研究以及频率控制方案

3.1风电的频率调节机理

3.1.1惯性控制

在转换器的容量足够大的情况下，以使得系统频率在双馈感应电机变化时表现出跟发电机类似的惯性计算响应为目的，对变速风电机组控制器的功率增加一个频率敏感性感应环节。当系统的频率发生下降时，利用惯性控制使得双馈电机的转子转速降低到最小，从而达到释放转子储存的动力的目的，使双馈电机能参与一次频率的调节。

3.1.2控制器对风电系统的惯性影响

设计一个跟频率调节有关的等效动态模型，具体如图2。其中，PG代表常规发电机的功率输出；PNC代表风力发电机的功率输出；PL是负载有功功率；PT是跟相邻系统相互交换的功率；PK是总功率的缺额。

图2频率调节的等效动态模型

由此可见，在系统等效惯量增大的情况下，电力系统的频率速度改变变慢，这样能很大程度的增加电力系统的稳定性。可是假如变速风机参与了调频，那么风电机组的调频有功功率就会随着频率的变小而减小，使得机组转速吸收或者是释放的动能全部降低。

3.1.3风力发电机的频率反应

风力发电机的渗透率，惯性控制，初始转速、滤波器参数、控制器参数以及最大功率跟踪MPT特性等等都会对风电机的频率产生相应的影响，主要影响表现如下：跟同步发电机相比较，双馈发电机的惯性控制比较少，除了非常特殊的情况，风电系统的频率调节问题不会受到双馈发电机的渗透率的影响；因为风速的不同，使得转子的初始转速也不一样，但是整体来说，风电系统的频率变化都是一样的；控制器参数对风电系统的匹女影响较大，当控制器的参数增加时，系统频率下降不明显，但是它的最低频率会变小，控制器的参数值越大，风电系统的有功功率也上升得越大，使得系统的频率改变得越小，从而提高整个风电控制系统的频率响应以及运行。

3.2风电系统的频率控制策略

因为风力的自然性以及随机性，风力发电不能长期作为发电缺额的弥补方式，但是在系统损失一部分的发电源后作为补充发电可以发挥关键性的作用。只要在这个过程中控制好风力机的机械功率，控制好风电机组的输出时间和功率大小，就能将风力发电机和转子系统中的动能全部释放，很大程度地增强风电机系统的功率输出，将电网的变动频率减小，促进电网频率的迅速恢复平稳。图3是在风力发电过程中提高频率响应的控制原理图。其中，频率继电器的作用是检测异常系统的变动频率。发生异常的频率信号s发送异常信号志浆距控制器以及转换控制器。若风速比额定的风速大，那么可以将控制器的浆距角降低，达到输出功率增加，控制器的有效功率输出有增加的目的。

图3风力发电提高频率响应的控制原理图

在这个过程中，转子减速，偏离最佳的工作地点，有功功率的值受到转换器容量的限制。为了达到系统压力的减少，可以使风电系统的恢复时间长于减速时间。为了避免速度无法控制，将转子速度控制在0.7pu时，就将其切换到正常的转速。

4总结

风电并入电网的系统的调频控制是风电系统控制的重点和难点，做好调频控制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，风力发电的有功功率的波动以及随机性给风电系统的调频控制也增加了更大的难题。本文只是从理论上对风电系统的调频控制进行了阐述，为实际的风力系统工程应用研究提供部分理论依据。所以，有关风电机组在电力系统的频率控制实现，风电场群控制策略的实施，都是现在急需深入研究、落实实际应用的技术难点。

参考文献

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作者简介

徐强（1985.02-），男，新疆乌鲁木齐，华北电力大学自动化学士，专责，单位:国网新疆电力公司电力科学研究院。