風力發電的調頻技術研究綜述

徐明軍

江蘇龍源風力發電有限公司 江蘇南通 226000

風力發電是指將風能的動能轉化為電能，是一種清潔無污染的發電方式。現在，風力發電作為可再生能源之一，越來越受到世界各國的重視。風力發電依靠大自然的力量向人們供電，沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染，已經成為研究人員們的重點研究課題。

1 風力發電調頻技術的必要性

（1）風力發電前景廣闊。由于具有發電成本相對穩定和環境污染較為輕微的優勢，風力發電的發展前景是廣闊的。發電成本接近傳統電力，因此逐漸受到世界各國的重視[1]。

（2）風力發電技術完善。功率調節是風力發電的關鍵技術之一，隨著風力機從定槳距機組發展到變槳距變速機組，風力機控制系統采集風速和風向，并傳輸至機組控制系統。機組控制系統通過變槳和變頻系統控制風力發電機組的轉速和功率，提高了機組運行的效率和可靠性，提高了年度發電量和電能質量。

2 風力發電的調頻技術

（1）轉子慣性控制。當前投產的風力發電機主要有兩種類型，分別是定速型和變速型。前者在過去的發展中采用較多，容量較小，隨著技術的發展，已經不能滿足工作中的要求，已經逐漸被淘汰。而變速型的風力發電機成為應用中的主要設備。變速型風力發電機主要分為兩種類型，一種是廣泛使用的雙饋型風機，一種則是直驅型風機，兩者之間的區別在于后者的轉速波動范圍要高于前者。由于發電機的轉子不直接與電網連接，當電網頻率發生變化時，無法按照轉速轉矩曲線進行頻率自動調節，需要依靠變頻系統和變槳系統配合進行調整。轉子慣性控制主要由風力發電機組的整體控制策略和發電機轉子的機械參數進行調整。

（2）轉子超速控制。在實際的應用中，風機的運行轉速往往會保留一部分作為備用，這一部分備用的有功功率是用來作為一次頻率調節的。對于雙饋型機組，變頻器容量約為機組容量的30%，相應的變頻器能夠調整風力發電機的轉速范圍約為額定轉速的±30%。以一臺2對極的發電機為例，額定轉速為1500rpm，實際運行時，轉速保持在1050rpm-1950rpm之間。這一范圍內，機組變頻系統能夠通過電磁轉矩控制發電機轉速，如果超出這一范圍，就需要通過調整槳距角，降低或增加吸收的風能，從而保證吸收的機械轉矩與發電機的電磁轉矩保持平衡，保證機組的正常運行。由此看出，轉子超速控制具有局限性[2]。

（3）變槳控制。通過調整風力發電機組的葉片的槳距角對機組運行狀態進行控制。這一控制的最大優點在于能夠通過調整槳距角，使風力發電機組始終運行在最大風能利用率下的狀態。同時，通過調大槳距角，還能為自身保留一定的備用容量，槳距角越大，可備用的有功功率也就越多，但實際捕獲的風能會呈現出下降的趨勢，通過調整槳距角大小，可以有效的控制風能的捕獲量，因此槳距角是一項風力發電機組功率、頻率控制的重要參數。但是需要注意的是，槳距角調整不宜過于頻繁，槳距角的變化會導致風力發電機組吸收的風能發生變化，影響發電機轉子吸收的機械能，若變頻器控制未能及時響應，會導致發電機轉子轉速失控，出現超速或轉速迅速下降的情況。

（4）儲能配合頻率控制。由于風力發電的發電功率受風速變化影響很大，即使有變槳、變頻系統對風力發電機組的運行狀態進行調整，風機輸出電能的質量相比常規能源相對較差。而儲能裝置的出現則在一定程度上降低了風機發電對電網造成的影響。儲能裝置一般以直流蓄電池或超級電容作為后備電源，當機組發電功率提高時，將一部分電能儲存到儲能裝置，當機組發電功率降低時，釋放儲能裝置中的電能進行補充，保持母線輸入、輸出功率的平衡[3]。

3 調頻技術在風力發電中的應用

（1）轉子慣性控制技術。早期的風力發電機組大都采用鼠籠式發電機，它可以為系統提供一定的慣性支持，但是因容量非常小，難以起到很大的作用。隨著技術的發展，大多數公司都采用了變速型的發電機：一是因為變速型的發電機控制能力較強，適用范圍非常的廣闊；二是變速型發電機具有可控變速，在發電過程中也更為靈活，發電的效率也會有所提高。

（2）轉子超速控制技術。轉子超速控制技術能夠比轉子慣性控制更有效、更全面地控制轉子轉速。轉子超速控制可以通過變槳系統或變頻系統調整風力發電機組的狀態，使機組不再處于最大功率點附近，從而保留部分功率儲備，并可用于頻率調節。轉子超速控制技術主要包括控制環節的設計和風機運行方式的改進。通過釋放部分動能來調節頻率響應，可以大大提高整個機組的發電能力。雖然轉子超速控制具有上述優點，但在頻率調節過程中存在著控制和操作的盲區，當風速達到或超過額定值時，機組仍需主動通過槳距角的控制來達到平穩的功率。

（3）變槳距控制技術。近年來投產的風力發電機組均具備變槳距控制功能，通過槳葉角度的控制來保證發力發電機組輸出電能質量滿足電網需求。目前的槳葉調節技術主要用于在風力發電機組啟機過程中提供較大的啟動轉矩和在額定風速以上時調節葉輪吸收的風能。在大于機組額定風速時，變槳距控制通過調整葉片的迎風角，改變吸收的機械能，使發電機的實際工作狀態低于最大功率點，保留一定的儲備能力。雖然也會因變槳系統故障產生一定的維修費用，但其帶來的效益明顯多于弊端。

（4）儲能配合頻率控制。在大量風機并網運行的今天，風電電能質量對電網的沖擊也逐漸增大。為保證風電場接入點電網運行狀態正常，可在風電場搭配STATCOM或其他無功補償裝置，在主變低壓側母線上配置超級電容或直流蓄電池，對風力發電機組的發電功率、電能質量進行調整。

4 結語

總之，風力發電的調頻技術的多項優勢特點決定了其在實踐中的重要地位，在風電機組的運行管理中應該從風力發電的實際需求出發，充分利用既有優勢，研究制定最佳的調頻技術應用實施方案。