含大規模風電與儲能元件的電力系統調頻技術研究綜述

馮琦，周毅博，桂建忠，王瑩，郭雷，王春華

（1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132000；2.華電龍口發電股份有限公司，山東煙臺265700；3.吉林省電力有限公司電力調度控制中心，長春130021）

0 引 言

頻率是電力系統運行的重要參數，其動態行為影響著電能質量及電力系統的安全穩定運行。2004年，IEEE/CIGRE將頻率穩定、功角穩定、電壓穩定定義為電力系統的三大穩定［1-2］。當電力系統因擾動產生不平衡功率時，系統頻率會發生變化，一旦系統出現較為嚴重的有功功率缺額，其頻率將會急劇下降。當系統頻率下降較大時，會使汽輪機葉片產生裂紋或斷裂，使系統出現“頻率崩潰”及“電壓崩潰”的現象，最后可能導致系統瓦解。因此，保證系統頻率穩定是維護電力系統安全運行的一項重要工作。

全球能源互聯網要求能源結構從化石能源為主轉向清潔能源為主，風能作為一種具有商業開發潛力的清潔能源，目前正得到廣泛的應用，風力發電在電力系統中所占比重近年來呈現逐步增長的趨勢。截止到2014年底，全球風電累計裝機容量已達到370，000 MW，同比增長 16.2%［3］。但是，大規模風電機組的接入會影響系統安全穩定運行，表現在系統頻率方面，由于風電功率的隨機性和波動性，在高風電滲透率系統下系統遭受的潛在的風功率波動量增大，降低了系統的頻率質量；同時，風電機組本身并無慣性，過多的風電機組接入系統會降低系統的慣性，當系統發生有功缺額擾動時會造成系統頻降超過限值，進而引發“頻率崩潰”現象。

維護高風電滲透率系統的頻率穩定性，不僅需要傳統的同步發電機組參與一次調頻與二次調頻，而且也需要系統中風電機組也能夠參與系統的頻率調整。同時，隨著快速儲能技術（ESS）的發展，儲能技術在維持系統頻率穩定方面也會發揮重要作用。本文基于目前國內外研究現狀，總結了大規模風電接入對系統頻率的影響；對于含大規模風電系統的調頻技術進行了介紹，其中主要包括風電機組參與系統調頻及儲能技術參與系統頻率調整兩大措施。對上述所提到的內容進行文獻綜述。

1 大規模風電接入對系統頻率影響

在如今的電力系統中，發電機主要是由火電、水電等傳統的同步發電機組承擔，這些機組的特點是可以控制其發電機輸出的有功功率，使系統中發電機輸出的有功功率與負荷的有功功率能夠保持平衡，從而維持電力系統的穩定運行。風電機組在結構上不同于傳統的同步發電機組，其風機轉子轉速與電網頻率解耦，并不能夠依據系統頻率變化調節風機輸入的機械功率；且風電機組輸出功率的隨機性和波動性也會影響系統有功功率的平衡。因此，大規模風電接入對于系統頻率的影響主要體現在以下兩個方面。

1.1 風電場外發生功率擾動對系統頻率影響

對于高風電滲透率的系統，在風電場外系統發生有功功率擾動時，其系統的頻率動態特性與系統中所接入的風電機組的種類、風電機組的控制方式等均有關系。文獻［4］中以法國科西嘉島的孤島系統為例，研究了具有大規模分布式電源的電力系統中發生有功缺額時的頻率變化情況并且采用分布式儲能系統來抑制發生有功缺額時的系統頻率降低。但該文獻沒有改變此孤島系統中接入的風力發電機組的容量，因而無法體現出不同風電滲透率下的系統的頻率特性。文獻［5］以一個獨立系統為例，通過仿真分析了雙饋風電機組的接入對電力系統頻率動態的影響，最后發現雙饋感應風力發電機滲透率的增加不影響系統的動態頻率特性，除非其取代了傳統的同步發電機組。同時，該文章也分析了恒速異步風力發電機和雙饋感應風力發電機的接入對于系統頻率的影響。對于恒速異步風力發電機，其發電機轉子側與電網頻率耦合，在發生有功缺額擾動時會釋放轉子中儲存的動能，對電網頻率有一定的支撐作用；而雙饋感應風力發電機轉子側通過變頻器與系統解耦，故其對電網頻率的支撐作用較弱。但是無論何種風電機組，當其替代火電機組接入到電網中時，都會降低系統的整體慣性，不利于系統頻率的穩定。

1.2 風功率波動對系統頻率的影響

風電機組不同于傳統的同步發電機組，其輸出功率具有隨機性和波動性。隨著系統中風電機組的滲透率逐漸增大，風功率波動對于系統頻率的影響也會越來越顯著。文獻［6］通過傅里葉變換，將時域狀態下的功率波動轉換到復頻域進行分析，將系統中的火電機組和風電機組分別用相應的傳遞函數表示，最后通過一個三機九節點的系統分析得出：當系統中風功率波動占系統總有功功率的5%時，其系統頻率最大偏移為1%。但是本文中所采用的是小系統分析，沒有擴展到更大的網絡；而且文中所采用的風電功率波動為正弦形式，沒有考慮波動的隨機分量。文獻［7］在文獻［6］的基礎上，考慮了隨機的功率波動，用功率譜密度的分析方法取代文獻［6］中傳遞函數來對隨機分量進行分析，該分析方法適用于高風電滲透率下的孤島系統。

從上述文獻的總結中可見，在高風電滲透率系統中，風力發電是系統的主要發電形式，過多地風電機組代替系統中的火電機組會降低系統慣性，減少系統的抗擾動能力，同時高幅度的功率波動幅值也會降低系統的頻率質量。因此，在高風電滲透率系統中提高系統頻率的穩定性，需要風電機組參與系統頻率的調節，同時在系統中添加儲能元件也會提高系統抗有功功率擾動的能力。下文將對以上兩種方式參與系統頻率調整的方法進行研究綜述。

2 風電參與系統調頻控制技術

2.1 虛擬慣量控制技術

傳統的同步發電機組轉子轉速與電網頻率之間存在耦合關系，發電機電磁轉矩與轉子轉速之間滿足如下關系：

式中發電機轉子轉速ω與電網頻率f之間滿足ω=2πf的關系。當系統頻率發生變化，同步發電機電磁轉矩Te會產生式（1）所示的慣性響應來阻止系統頻率的快速變化。對于雙饋感應風力發電機，其轉子側通過變流器與系統頻率解耦，可以運行在異步狀態，當系統頻率發生變化時，風力發電機無法為系統提供功率支撐。因此，目前有研究者提出虛擬慣量控制技術，即使風電機組也具有類似于同步發電機組的慣性響應［8-14］。該控制技術最早于文獻［8］中被提出，其控制框圖如圖1所示。

圖1 虛擬慣量控制結構框圖Fig.1 Structure block diagram of virtual inertia control

從圖1可以看出，當風電機組添加上述控制策略時，其電磁轉矩與電網頻率之間的關系為：

式中TeMPPT為最大風功率跟蹤運行（MPPT）方式下風力發電機的電磁轉矩；Tewind為系統頻率發生變化時風力發電機的電磁轉矩。當風電機組施加上述控制方式，在系統頻率發生變化時，其實際的電磁轉矩會發生慣性響應，這與同步發電機在電網頻率發生變化時的電磁轉矩的變化形式相似，公式（2）中的參數Kin相當于一個虛擬的慣性時間常數，因此叫虛擬慣量控制。經過上述變化，風電機組也具有了一定的慣性，在系統頻率降低時適當的釋放風機轉子中的動能來維持系統穩定。

文獻［9］分析了不同種類的風力發電機對于系統的慣性響應能力，本文對雙饋感應風力發電機和恒速異步風力發電機均施加了虛擬慣量控制，比較其在系統發生有功缺額擾動下慣性響應能力。可知雙饋感應風力發電機由于變流器的存在，風機轉子轉速可下調量較大，相比于恒速異步風力發電機可提供更多的轉動慣量。仿真證明對于相同容量的雙饋感應風力發電機與恒速異步風力發電機，在相同的有功缺額擾動下，雙饋感應風力發電機提供的有功功率支撐量是恒速異步風力發電機的17.5倍。但該論文并沒有考慮風電機組轉子轉速的限制。文獻［10］對文獻［8］提出的控制方式進行了適當的改進，考慮了風電機組轉子轉速限制等約束條件，使風電機組具有了虛擬慣性，同時，施加了虛擬慣量控制的風電機組具有比傳統同步發電機組更加快速的慣性響應。本文還提出了一種風電機組與傳統同步機組進行調頻的協調控制策略，即利用風電機組的快速慣性響應特性在系統發生頻率擾動時率先響應，充分利用風電機組轉子中所儲存的動能，以此提高了系統的頻率穩定。

從上述的文獻分析可知，風電機組添加虛擬轉動慣量控制后，在系統發生頻率跌落時其電磁轉矩會產生慣性響應，釋放風電機組轉子中的動能來維持系統頻率的穩定。其響應速度較傳統同步發電機組快。但其電磁轉矩的變化受到風電機組轉子轉速約束條件限制，轉子釋放的動能有限。此外，當風電機組退出該策略時，轉子需要從電網中吸收動能，從而造成頻率的二次跌落［14］。因此，對于該控制策略的使用，還需要與傳統的同步發電機組相結合。

2.2 轉子超速控制與槳距角控制

風電機組添加虛擬轉動慣量控制技術后，在系統發生擾動時，通過風電機組的電磁功率Pewind發生慣性響應來阻礙系統頻率進一步變化，維持系統頻率穩定，但風力機的機械功率Pmwind在此過程中保持不變。對于轉子超速控制與槳距角控制技術，則是通過控制風力機轉子轉速或槳距角從而控制風力機輸出的機械功率Pmwind隨著系統頻率的變化而產生相應的變化，該控制技術類似于同步發電機組的調速器，其控制方式屬于系統的一次調頻。

對于未加控制的風力發電機，以雙饋感應風力發電機為例，其功率輸出方式大多為最大風功率輸出（MPPT），運行曲線如圖2所示，根據運行工況不同可分為四個階段，各階段的最優風功率與風力機轉子轉速的關系為［15］：

圖2 風電機組MPPT運行曲線Fig.2 MPPT operation curve of wind turbine generation

由圖2與式（3）可知，在最大功率跟蹤區運行時，根據風速的大小使發電機輸出功率一直位于最大風功率輸出曲線上，隨著風速逐漸增大，發電機轉子轉速逐漸達到額定值。到達功率恒定區后，風電機組槳距角動作，減少風力機風能捕獲，保證發電機的輸出功率不超過限值。

轉子超速控制的原理是通過控制風力機轉子轉速，使轉子的實際轉速高于最大風功率運行狀態下的轉子轉速，此時風電機組沒有運行在最優風功率點處［16-17］。當系統受到有功缺額擾動時，系統頻率下降，此時降低風力機轉子轉速使其恢復到最大功率運行點，風力機機械功率Pmwind增大，從而為系統提供一定的有功支撐。

槳距角控制的是根據系統中頻率的變化來控制風力機葉片的槳距角，從而控制風力機輸出的機械功率大小，從而參與系統的頻率調整［18-19］。對于風力機，其輸出的機械功率為［20］：

式中ρ為空氣密度（kg/m3）；A為風力機葉片掃過的面積（m2）；v是風速（m/s）；Cp為風能利用系數，表征這風力機捕獲風能的大小，其數值與葉尖速比λ與槳距角β有關。在相同的葉尖速比下，增大風力機葉片槳距角β，會降低該風力機風能利用系數Cp進而使風力機輸出的機械功率減少。文獻［19］提出了根據系統頻率變化控制風機槳距角，進而改變風電機組的機械功率來對系統頻率進行調整的控制策略，其控制框圖如圖3所示。

在圖3中，Δβ0為風電機組正常運行時所預留的槳距角大小，βr為實際風電機組運行過程中槳距角的大小，當系統發生有功缺額擾動時，根據系統的頻降Δf計算出風力機槳距角的減少量Δβ，從而使風力機輸出的機械功率增加，向系統中提供有功功率進行參與系統頻率調整。

圖3 槳距角控制結構框圖Fig.3 Structure block diagram of virtual pitch angel control

轉子超速控制與槳距角控制均是在系統頻率發生變化時改變風力發電機的機械功率進而改變其輸出功率來對頻率變化進行調整，但是對于上述兩種控制策略下風電機組輸出功率的變化過程卻各不相同，下面針對圖4風電機組功率輸出曲線分析上述兩種控制技術在進行系統頻率調整時風功率的變化情況。

圖4 轉子超速控制與槳距角控制功率變化過程Fig.4 Power change process under rotor over speed and pitch angel controls

圖4為風電機組最大功率跟蹤運行曲線，在風速為v1時，未加控制的風力發電機運行于最優風功率點A點處，此時風力機轉子轉速為ωr1，若風電機組添加轉子超速控制后，風力機轉子轉速增加至ωr2，其風電機組運行點沿風速曲線到達B點；若對風電機組施加槳距角控制后，風電機組運行點變為A點下方的C點，此時風力機轉子轉速保持ωr1不變。在系統發生有功缺額擾動時，系統頻率降低，此時，受轉子超速控制的風力發電機從B點沿該風速下的功率輸出曲線向A點移動；受槳距角控制的風力發電機從C點向正上方的最優風功率運行點A移動，此過程中風力機的機械功率均增加，向系統提供有功支撐，使系統頻率恢復正常值。

2.3 協調控制

轉子超速控制及槳距角控制均是通過改變風力機機械功率來進行系統頻率調整，但由于其控制原理不同，因此上述兩種控制手段的適用情景也不盡相同。對于轉子超速控制，其通過控制轉子轉速控制風力機的機械功率，響應速度較槳距角控制快。但在運行過程中風力機轉子轉速要高于最大風功率時的轉子轉速，當風力發電機處于高風速運行時，轉子轉速接近于額定值，此時再增加風力機轉子轉速的超速控制則不適用［21］。而對于槳距角控制，可以實現全風速的控制，可調范圍大，但是其調節原理是依靠風力機的機械部件，響應速度慢，且容易造成葉片的機械磨損，減少風力機的使用壽命［22］。因此，在實際的運行控制中，需要針對風電機組不同的運行工況對各種控制技術進行協調。

上文介紹的三種風電機組參與系統調頻的技術中，根據不同調頻技術的優缺點，在發生擾動時，隨著風電機組的運行風速與擾動時間的不同，在不同情況下的最優調頻技術選擇如圖5所示。首先依據風電機組運行時的風速的不同，在低風速時對風電機組進行轉子超速控制；在高風速時對風電機組進行槳距角控制，以上兩種控制手段使風電機組為系統提供了一定的備用容量。當系統發生功率缺額時，在擾動發生后的短時間內風電機組采用虛擬慣量控制，使輸出功率對系統頻率變化做出相應，一段時間后若擾動仍未消除或系統頻率偏移超出限值時，則通過轉子超速控制或槳距角控制釋放風電機組中儲存的備用容量，對系統頻率進行調節。

圖5 不同運行情況下風電調頻技術選擇Fig.5 Choice of frequency control technology under different operation conditions

國內外對各種調頻技術協調控制策略的設計主要依據風速與故障時間來協調控制［23-26］，例如文獻［23］設計了風電機組在高、中、低風速下的調頻控制策略，并計算了各臺機組有功增量與調頻可持續時間之間的關系來評估系統中各臺風電機組的調頻能力。在實際運行中依據風電機組所處運行風速選擇控制策略，依照各臺風電機組調頻能力安排各臺機組退出調頻時刻，從而達到對系統中風電場調頻動作的協調控制。文獻［24］運用智能算法對系統中各個風電場在調頻過程中的功率調整量進行協調控制，進而確定每臺風電機組在參與調頻過程中轉子轉速或槳距角的變化量，對各個風電場進行頻率調整的協調控制。

3 儲能技術參與系統調頻

隨著目前儲能技術的快速發展，儲能技術的成本逐漸降低，應用更為廣泛。在含有大規模風電的系統中，除了讓風電場本身承擔一定的調頻任務外，通過儲能元件維持系統中有功功率的平衡，也可以提高系統的頻率穩定性。

圖6 儲能元件平抑風功率波動示意圖Fig.6 Schematic diagram of calming wind power fluctuations by using energy storage technology

圖6為儲能元件參與系統頻率調整的示意圖，由于風力發電具有隨機性和波動性，系統中常規的同步發電機組不能跟隨風力發電有功出力的快速變化，因此，儲能技術平滑了系統中風電機組的輸出功率，較少了系統中傳統發電機組的出力變化頻率（如圖6陰影部分所示）。目前所研究的儲能技術從運行性質上主要可分為電源側儲能及負荷側儲能。

3.1 電源側儲能

電源側儲能是指儲能元件通過與風力發電等分布式電源結合，平抑風電場功率波動，平滑分布式電源的功率曲線，以提高分布式電源的接入能力。在電力系統中，常用的快速儲能裝置例如電池儲能（鉛酸電池、液流電池）、飛輪儲能，超導儲能等均是電源側儲能［27］，其可以處于充電與放電兩種狀態，具有響應快速，控制靈活等優點，但缺點是其目前造價仍然較高，儲能裝置的配置容量有限。

電源側儲能目前在國內外研究較為成熟，該類儲能元件在電力系統中的應用主要是與系統中的可再生能源發電結合，例如風儲聯合系統等，因此，目前對于此類儲能元件的研究主要集中在儲能系統控制策略的研究上［28-33］，包括單個儲能元件充放電控制策略的研究以及多個儲能元件之間充放電協調控制策略的研究。文獻［28］依據儲能系統的荷電狀態（SOC），設定儲能元件在不同荷電狀態下的動作情況，并結合風電場有功出力的變化設定本地風儲聯合系統的優化控制策略，提高了儲能容量的利用效率。文獻［29］提出了各個儲能元件之間的協調控制策略。依據每個儲能元件的荷電狀態確定每個儲能元件的充放電動作后，再依據儲能元件中的剩余能量對每個儲能元件的充放電功率進行分配，在所建立的分配模型中考慮了最大充放電功率的約束。

3.2 負荷側儲能

負荷側儲能是指利用系統中的一些特殊負荷（如電解鋁負荷），其負荷可以在一定的時間內自由調整而不影響正常的生產運行。在系統頻率發生跌落時通過降低該類型負荷的有功功率來使頻率恢復正常值的調頻方法。由于在正常運行情況下能量儲存在負荷中，在頻率調整過程中改變的是系統的負荷曲線，因此該種儲能方式也叫做負荷側儲能。

文獻［34］提出了改變負荷曲線的系統頻率控制方法，其中本文所控制的負荷為電解鋁負荷，基于該負荷特性提出了一種系統頻率與該類負荷母線電壓之間的正反饋控制策略，并運用在蒙東地區高風電滲透率的孤立電網中，有效地解決了該電網頻率波動性的問題。

電解鋁負荷是一種恒電流的熱蓄能負荷，其中負荷功率可以在25%的范圍內連續調節，并可以持續運行4小時而不損壞電解槽。其負荷的等效電路圖如圖7所示。

圖7 電解鋁負荷等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of the electrolytic aluminum load

從圖7中可見，電網一次側交流電壓VAH通過變壓器降壓后，再經過整流電路形成直流電壓VB給電解鋁負荷供電，電解鋁負荷相當于純電阻負載。電解鋁負荷的功率與其端電壓VB的關系式為：

電網一次側交流電壓VAH與電解鋁負荷的端電壓VB之間也可通過圖7中的橋式整流電路建立線性關系，故可通過改變電解鋁負荷母線的一次側交流電壓VAH的大小來控制電解鋁負荷PLoad的變化，即：

在建立式（6）的關系后，文獻［33］提出的小系統中系統有功不平衡量△P與系統頻率偏差△f之間的關系模型來確定系統頻率在變化△f時所需調節的電解鋁負荷變化量△PLoad的大小。在實際工程應用中，利用廣域測量系統（Wams）提供的系統實時頻率變化數據△f來在線計算△PLoad，并依據公式（6）調節負荷母線的電壓以使電解鋁負荷在電網的頻率變化過程中提供功率支撐，進而平抑系統中的功率波動。

通過調節負荷側響應來調節系統頻率，其可調節功率較大，動作速率快，可以在不外加儲能元件的條件下在系統頻率降低時提供用功功率支撐，其頻率調節成本低。但負荷側儲能需受負荷種類的約束，且負荷調節時間有限，適用于短期的系統頻率調節。該類型的調頻技術可以有效的處理系統頻率快速下降的事件，而對于系統頻率上升的時間則難以應付。

4 未來研究方向

未來的電力系統中，傳統的消耗化石能源的火電機組將逐步被使用清潔能源的風力發電機組等所取代，系統的風電滲透率逐漸增高，目前，國內外對于維護高風電滲透率系統下的頻率穩定的研究上，已經提出了多種調頻方法，在上述的文獻綜述中，其調頻手段主要分為風電機組本身參與調頻和儲能技術參與系統調頻兩種手段。針對以上兩種調頻方式，未來的研究方向也十分廣泛。

對于風電場本身參與系統調頻的技術中，目前國內外已提出多種調頻手段。在現有的調頻手段中，為了給系統提供一定的有功備用容量，均會使風電機組處于減載運行狀態，過多的風電機組處于減載運行時會造成風能的浪費。因此，在未來含大規模風電的系統中，需要根據不統風機的運行工況設定不同的調頻備用容量及控制策略，在能保證一定的備用容量的前提下優化風電機組的減載量，同時，在系統發生擾動時及擾動消除后各臺風電機組之間的協調運行策略的設計也是未來研究的方向。

對于儲能技術，受儲能元件造價的限制，目前在電力系統中的配置容量有限。未來在工程上仍需研發低成本，大容量的儲能技術。在技術層面上，對于儲能系統控制策略的研究，除了元件自身充放電控制策略的設計與儲能元件間協調控制策略的設計的研究外，結合電力系統實時狀態監測數據（例如Wams數據等）在線控制系統中儲能元件的工作狀態，會成為以后研究的熱點。在經濟層面上，考慮儲能成本的儲能元件的容量配置，儲能參與系統調頻的效用評估及定價補償方法也成為了未來研究的方向。

5 結束語

隨著系統中同步發電機組逐步被風電機組所取代，系統中風電滲透率增高，頻繁大幅度的風功率波動會影響系統頻率的穩定；同時，系統中火電機組的退出降低了系統慣性，在發生功率不平衡擾動時更易造成系統頻率超出限值。

在對高風電滲透率的系統頻率的調節主要有兩種方法，一是使系統中的風電機組參與調頻，二是利用儲能元件參與系統調頻。其中，風電機組參與系統調頻的控制策略，文中總結出三種控制方法——虛擬慣量控制、轉子超速控制以及槳距角控制，但是上述三種調頻策略各有其優缺點，在實際運行中需要結合風電機組的運行情況來進行選擇與協調控制。對于儲能技術的介紹，文中將其分成兩類，即電源側儲能技術和負荷側儲能技術，其中電源側儲能可以吸收和釋放功率，對于頻率的上升和下降現象均可調節，但目前收儲能元件的造價限制其容量配置和效用評估需要進一步的研究；負荷側儲能是通過暫時降低相關負荷的大小使下降的頻率恢復正常值，但是對系統頻率上升的事件貢獻不大。總之，以上兩種控制技術的使用，均可以改善電力系統的頻率特性，提高系統的風電接納能力。