淺析風電并網系統頻率響應及控制策略

烏　彤　宋金鑫　高　偉 蔡曉峰 / 沈陽華創風能有限公司

淺析風電并網系統頻率響應及控制策略

烏彤宋金鑫高偉 蔡曉峰 / 沈陽華創風能有限公司

頻率穩定是確保電力系統穩定運行的主要保障，頻率出現偏移會對系統設備的正常運行造成嚴重影響，甚至會引發系統頻率崩潰等事故。因此，加強對風電并網系統頻率響應特性的深入了解，并對其進行具體分析具有十分重要的現實意義。據此，本文對風電并網系統頻率響應及控制策略進行了具體分析。

風電并網系統；頻率響應；控制策略

一、基于模糊邏輯系統的并網風電場頻率響應分析

（一）基于直流潮流的風電并網系統模型簡化

1.DFIG機組模型簡化。

雙饋感應發電機組作為變速恒頻發電機組，其具有變速運行特性，可以在較大的風速范圍內實現對風能的最大化利用。DFIG通過背靠背的PWM功率變換器接入電網，風機機械功率和系統電磁功率耦控制、風機轉速和系統頻率實現了解耦控制。現在兆瓦級的風電機組主要采用DFIG，隨著DFIG機組的大量并網運行，在發生風速變動較大爬坡事件時，必然會對系統頻率的頻率響應特性造成影響，因此對DFIG進行模型簡化，如圖1所示。

2.直流潮流網絡結構模型簡化。

為了解風電場并網后的系統頻率的變化特性，在空濾頻率對網絡拓撲結構失控分布特性的同時，忽略無功-電壓動態變化，采用基于直流潮流的頻率響應模型對有功-頻率動態變化情況進行分析。采用直流潮流網絡結構模型必須滿足三個假設條件，即假設各支點電壓幅值的標幺值為1.0；忽略支路電阻、充電電容和并聯補償等因素；支路兩節點之間的電壓相角差很小，可以近似得sinθij≈ θi- θj。對于傳統潮流計算，支路模型一般采用如圖2模型進行計算。

圖1　雙饋感應發電機的簡化模型

圖2　π形支路模型示意圖

3.基于直流潮流的頻率響應模型。

根據各元件的簡化模型，能夠得到基于直流潮流的頻率響應模型。發電機組模型是各機組向網絡注入功率，為各機組端電壓相角。而負荷模型是各非發電機節點向網絡注入功率，為各非發電機節點的母線相角，從而形成基于直流潮流的頻率響應模型，如圖3所示。

圖3　基于直流潮流的頻率響應模型

（二）基于模糊邏輯系統的并網風電場頻率響應推理系統

1.輸入變量的確定。

模糊邏輯系統能夠通過給定的系統輸入和輸出數據建立相對應的非線性關系，其對參數變化的線性或非線性對象有著很強的魯棒性。對隨機或未知的輸入變量，模糊邏輯系統由于具有輸入和輸出的非線性映射特性，所以能夠更好地應用在風電場并網系統的多變量和非線性的復雜系統中。

2.模糊邏輯系統的組成。

模糊邏輯系統主要是由模糊集合論和信息處理技術結合形成的，是利用模糊概念和模糊邏輯構成的系統。其中常用的主要有純模糊邏輯系統、高木-關野模糊邏輯系統、具有模糊產生器和模糊消除器的模糊邏輯系統。

3.自適應模糊邏輯推理系統。

為了使模糊邏輯系統可以正確反映風電并網系統的隨機性和不確定性，引入控制器調整模糊邏輯系統對不確定項的逼近精度。可以根據系統的功率波動值，把系統分為多個類似的子系統，子系統的劃分根據并網系統的實際情況來決定。

二、基于風電場-儲能系統的頻率聯合控制策略

（一）風電場儲能系統

1.現代儲能技術。

為了確保系統的穩定性，風電并網系統利用同步發電機組提供和風電同等容量的旋轉備用會造成巨大的浪費。因為儲能系統具有快速響應速度和高效的能量轉換效率，在風電并網系統中配置儲能系統，能夠有效改善風電功率的波動性，從而有利于提高發電系統向用戶提供用電的穩定性，提高系統安全運行的穩定性。并且，將儲能系統切實應用到風電場，既能夠抑制功率波動、縮減輸電、轉移時間，又能夠合理有效控制參與率。現在使用的主要儲能方式有通過機械儲能方式、電磁儲能方式和化學儲能方式。

2.儲能系統接入方式。

就現階段儲能技術發展現狀來看，儲能系統接入風電場的方式主要分為散儲能和集中儲能兩種方式。其中分散儲能方式主要是將儲能裝置安裝到每臺風機的終端，其是以平抑單臺風機輸出功率波動為主要目標，對應配置的儲能系統容量和功率相對較小，能夠充分發揮儲能裝置的功率調節作用。而集中儲能方式是將儲能系統安裝在風電場出口母線處，其主要控制整個風電場的輸出功率。

3.儲能系統充放電模型。

根據風電的隨機和快速變化特性，合理利用儲能系統和風電場協調配合為并網系統提供調頻功能已經成為未來發展的必然趨勢。目前適用于風電場儲能系統的主要有電池儲能、飛輪儲能、超導儲能和超級電容器儲能。儲能系統在系統運行過程一直處于充放電不斷變化的狀態。現階段還沒有適用于儲能系統的、準確的充放電控制模型，儲能元件的剩余電量受自放電率和充放電率的影響。

（二）基于風電場-儲能系統的頻率聯合控制策略

1.風電場等效慣性時間常數對于系統頻率響應的影響。

傳統發電機組是由具有旋轉慣量的機械部件所組成的，發電機轉速與發電機組的轉動慣量之間密不可分。對于風電場并網系統，風力發電機組的出力是由風速決定的，風速的隨機變化特性不僅會使風電場的有功出力出現波動，還會導致風力發電機組的運行狀態隨時發生變化。風力發電機組受風速大小決定切入或切出運行，這使得整個風電場的慣性常數也會隨時發生變化。

2.風電場-儲能系統頻率控制策略。

在風電并網容量達到一定程度時，必須切實考慮風電場對并網系統頻率響應特性的影響。利用等值下垂控制系數模型，風電場參與系統的一次調頻，微系統提供有功支持。但是，風電場的調頻能力會受風速的影響而導致其穩定性降低。因此，可以充分利用儲能系統的快速響應特性，彌補風電場的不足，并與風電場相協調、相配合，積極參與到風電場的頻率控制中去。風電場-儲能系統頻率控制示意圖如圖6。

圖4　風電場-儲能系統頻率控制示意圖

三、結語

綜上所述，隨著電力系統復雜程度的不斷提高，尤其是風電并網的發展，使得系統的不確定性和非線性迅速增加，在很大程度上很容易誘發頻率失穩事故的發生，從而對電力系統的安全運行造成嚴重影響。相信在控制策略的不斷完善下，我國風電并網系統頻率的穩定性勢必會得到有效提升。

［1］曾飛，張勇，劉玙，張巖，張小易，袁宇波，文福拴.電力系統故障診斷的時序模糊邏輯推理方法［J］.華北電力大學學報（自然科學版）.2014（01）.

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