高風電滲透率下的電力系統調頻

張青峰 姚志強 侯元文

摘 要：由于世界能源危機的影響，風能發電事業獲得迅速發展。大規模風電接入極大影響了電力系統的頻率穩定性。本文簡單闡述了風電機組與電力系統頻率調節的要求，然后詳細介紹了相應的控制策略。當前，人們可以采用需求側管理技術與大規模儲能技術，提升頻率的穩定性。

關鍵詞：電力系統;一次調頻;頻率調節;控制策略

中圖分類號：TM712文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）29-0078-03

Analysis of Power System Frequency Modulation under

High Wind Power Permeability

ZHANG Qingfeng YAO Zhiqiang HOU Yuanwen

（Jiyuan Power Supply Company of State Grid Henan Electric Power Company，Jiyuan Henan 459000）

Abstract： Due to the impact of the world energy crisis， the wind power industry has developed rapidly. Large scale wind power access greatly affects the frequency stability of power system. This paper briefly described the requirements of frequency regulation of wind turbine and power system， then introduced the corresponding control strategy in detail. At present， people can use demand side management technology and large-scale energy storage technology to improve the stability of frequency.

Keywords： power system;primary frequency regulation;frequency regulation;control strategy

當前，綠色能源開始引起越來越多人的青睞，發展比較迅猛，而最具代表性的當屬風力發電。歐美等西方國家起步較早，風力發電技術相對成熟，值得注意的是，隨著風電滲透率的逐漸增加，電力系統的穩定性受到嚴重威脅[1-3]。本文首先總結了全球各地針對風電機組參與調頻制定的相關標準，接著總結了國內外的控制措施，以確保電力系統調頻穩定。

1 風電機組參與電力系統頻率調節的要求

國內外針對該課題展開一系列的研究，積累了大量有益成果。德國在這方面走在世界的前列，該國EON公司提出明確的規定，裝機容量超過100MW的發電廠一定要擁有一次調頻能力，還明確規定其容量必須不小于額定容量的±2%，下垂特性常數應當是可以調節的，在系統頻率到達到準穩態頻率偏差±200mHz時，一次調頻功率一定要在半分鐘時間之內到達最高值，且可以保持不少于15min的輸出，除此之外，該公司還規定在上一次調頻后的15min之后可以再進行一次調頻。

南非對此也做出明確的規定，規定并網的風電場配備滿足相關標準的頻率響應系統。該系統要有圖1所示的頻率響應能力。風電場可以設置響應死區（頻率偏差保持在0～0.5Hz范圍之內），實踐中主要是按照電網相關要求來調節;風電場在運行過程中能保持不少于95%的可輸出最大功率連續輸出;當系統頻率大于50.5Hz時，規定其能夠以不少于1%額定功率/秒的斜率減少其功率輸出;系統頻率處于不同的范圍時，風電場頻率響應系統根據不同的曲線調節其功率輸出。

加拿大相關企業規定，如果風電場容量超過10MW，那么一定要安裝相應的調頻系統。當系統頻率出現偏差時，可以有效控制其有功功率，該系統使其擁有與傳統同步機組大致相當的慣性3.5s時間常數，在此基礎上，還應該保證當整個電網發生頻率波動時，風電場可以保持至少10s，以不小于額定功率5%的功率來適當調節系統的頻率。

近年來，我國風電裝機容量有了很大的發展，風電滲透率在有些風能富集區域已達到相對較高的水平。所以，風電場必須擁有相應的調頻能力以及備用的能力，當其有功功率超過總額定出力的20%時，對其中有功出力保持在額定容量的20%以上的全部機組，可以進行有效調節，有效控制電網的有功功率。

2 風電機組參與電力系統頻率響應控制策略研究進展

2.1 慣性支撐

風電機組在整個系統中起著非常重要的作用，可以為其提供良好的慣性支撐[4-6]。有學者針對該課題展開研究發現，風電機組虛擬慣性在系統N-1故障中起著良好的作用，可以減小其頻率變化速率以及頻率最低點，為其頻率處于穩定狀態提供堅實的保障。還有學者通過切換其功率跟蹤曲線，在系統頻率突變時為其提供虛擬慣性，仿真結果顯示，在風速保持固定的條件下，其具有相對較好的頻率響應能力。

風能自身具有一定的波動特點，使得機組的慣性響應能力存在不確定性。在研究過程中，有學者在頻率跌落時利用控制葉尖速比的方法為系統提供短時有功支撐，通過相應的仿真測試發現，這個技術可以消除風電并網對頻率響應的負面作用。為評估變化風速的風電場可用的虛擬慣性容量，還有學者在研究中提出利用高斯分布來模擬風電功率波動的方法。除此之外，相關專家學者在研究提出了改進型的虛擬慣性控制方案，通過一系列的仿真測試發現，該方法可以實現對系統頻率跌落的有效限制，并且能夠有效降低頻率恢復后的動態波動。

綜合相關研究者所述，在系統頻率跌落時，風電場的虛擬慣性可以提供有功支撐，對于系統頻率的穩定起著重要的作用，是控制系統頻率的重要措施之一。

2.2 一次調頻

當系統的功率波動時，變速風電機組可以為其提供一次調頻服務，并且還是系統頻率控制的有效措施之一。有學者在研究過程中分析了PCS與CCS的效率，結果表明，上述兩個方法具有相同的效果，二者有機結合能夠使風電利用效率增加2%。根據圖2控制原理，相關DFIG風電機組能夠在很大程度上改善電力系統的頻率穩定性。除此之外，還有專家學者在研究中總結了風電機組的時序協調控制策略。

綜上所述，其基本上利用各種方法來棄風，從而實現一次調頻，以充分確保機組具有一定的有功備用容量。日后在提供相同的備用容量的條件下，怎樣最大限度地降低棄風電量，進一步改善經濟效益，是擺在業界專家學者面前的一個重大問題。

2.3 慣性支撐與一次調頻相結合

國內外針對二者結合對電力系統頻率穩定性的影響進行了大量研究。有學者在研究中發現，二者結合應用于電力系統中，當系統頻率處于穩定狀態或跌落時，可以提供良好的頻率支撐，還可以提升其風電接納能力。還有專家在研究中通過變槳技術提出可整定風電機組靜調差系數的頻率控制策略，在此基礎上，結合虛擬慣性，以獲得更加有效的綜合控制效果。仿真測試發現，該方法可以明顯改善系統內在靜態或者是小擾動條件下的頻率穩定性。

綜合前人所述，風電場中，二者有機結合能夠為整個系統提供良好的有功功率調節，可以為系統頻率保持穩定狀態提供保障，是風電場為電力系統提供調頻輔助功能的有效措施。

3 儲能及需求側管理技術的影響

大規模儲能系統具有能量的時空平移能力，到現在為止，業界應用最為廣泛的技術有以下幾種：飛輪、超級電容器、鋰電池儲能等。上述方法均具備比較突出的優越性，如較快的響應速度，較高的穩定性等，能夠配合風電機組實現對電力系統頻率的調節，顯著改善機組的頻率響應能力。

有專家學者在研究過程中發現，應用儲能可以提高含大規模風電電力系統的頻率響應能力。還有學者總結了基于模糊控制策略的AGC調頻模型，通過相應的仿真測試發現，該方法可以在短時間之內對負荷擾動作出響應，降低了電力系統的頻率偏差，還明顯改善了電力系統AGC調頻能力。除此之外，還有專家提出了頻率響應的相關指標，深入探討了孤島電力系統的頻率特點，提出通過超級電容器儲能來為系統提供快速反應的“虛擬慣性”，避免系統頻率減小至低頻減載閾值，進而改善其頻率穩定性。還有學者在研究中提出各種技術來控制電力電子裝置以實現輔助調頻等服務。

需求側管理同樣被應用于風電機組的調頻中，并且取得非常不錯的效果。有學者在研究中探討了它和虛擬慣性二者結合在調節一次頻率中的作用，結果發現，二者結合可以有效改善電網頻率的穩定性。還有專家在研究中構建起大規模風電接入下的電力系統頻率響應模型，運用低壓低頻減載的需求側響應控制方法，實現對電網頻率調節的有效控制。除此之外，有人在研究過程中對動態需求控制效益進行量化分析，為實現系統的一次調頻，他們總結了控制制冷設備的優化控制算法，通過相應的仿真測試發現，在高風電滲透率下的電力系統中，DD所起到的效果更佳，從而為電網調頻提供了新的思路。

4 結語

近年來，隨著世界各國石油和煤炭消耗的增多，資源枯竭問題也愈發嚴重，引發了一系列的環境問題。在這種形勢下，國內外紛紛開始探索各種新能源，尤其是綠色能源，這就使得風力發電越來越受到人們的重視。筆者主要總結了西方國家對于發電機組頻的要求，接著探討了規模風電功率并網的影響，研究了慣性支撐、一次調頻及兩者有機結合三種控制策略。同時，分析了大規模儲能技術及需求側管理技術的國內外研究進展，可以確定的是，日后儲能技術的成本必然會逐漸減少，因此，該方法肯定會受到人們的重視，隨著研究的不斷深入，其會體現出更高的理論與實踐價值。

參考文獻：

[1]馮喜超.高風電滲透率下面向電網調頻的儲能系統優化配置[D].吉林：東北電力大學，2016.

[2]王琦，郭鈺鋒，萬杰，等.適用于高風電滲透率電力系統的火電機組一次調頻策略[J].中國電機工程學報，2018（4）：974-984.

[3]王瑞峰，高磊，諶杰.高風電滲透率下變速風電機組參與系統頻率調整策略[J].電力系統自動化，2019（15）：101-108.

[4]汪海蛟.含高滲透率風電的電力系統頻率控制[D].杭州：浙江大學，2014.

[5]于汀.風電高滲透率下中長期時間尺度系統頻率波動仿真研究[J].電網與清潔能源，2014（1）：87-93.

[6]許瑞慶.高風電滲透率下雙饋風機參與系統調頻的控制策略研究[D].北京：華北電力大學，2017.