風力發電對電力系統一次調頻的影響及解決措施

馬 進，王 闖

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司遼寧分公司，遼寧 沈陽110000）

近年來，在國家政府、發電商、電網公司、全體電力用戶的多方努力下，我國新能源行業得到了迅速的發展，并在新時代提出了“雙碳”目標。伴隨著常規機組被新能源發電機組大量替代，新的挑戰又一次擺在電網安全運行的面前。多年前，國外就開始了新能源發電裝機的大規模投入，盲目追求清潔能源的發展，忽視了新能源的弊端，導致發生了一些大停電事故。

清潔能源發電設備中包含了成千上萬的電力、電子、機械設備，電能質量耐受標準相對較低。所以，在系統電壓、頻率、波形發生較大波動時，清潔能源發電設備容易發生大規模解列，使故障范圍擴大。另外，與傳統同步電網不同的是，電力、電子設備的快速響應特征，以工頻作為同步電網的基礎，相對穩定。但是電力電子設備的靈活性，產生了寬頻帶，可達到5～300Hz，由此產生了新的振蕩穩定問題。

面對這樣的問題，新能源機組并網標準的完善，以及涉網性能標準，依靠電力、電子設備的靈活運用，動態有功、無功調節能力在新能源場站本身的優勢下將發揮重要作用。為了防止新能源機組大規模脫網引發的連鎖故障，并網的新能源場站必須參與一次頻率調整、電壓調整。這樣，新能源的發展才能得到保障，降低電網運行風險，保障供電可靠性。

1 風電的發展

1.1 風電發展的現狀

2020年，是我國“十三五”規劃的最后一年，也是實現國家對清潔能源消納問題的三年行動計劃目標的最后一年。面對嶄新的“十四五”規劃，我們國家的發展依舊很強大，新增容量有翻倍的希望。全網總裝機中新能源發電的占比不斷增加。由于新冠肺炎疫情在全球蔓延，嚴重影響了電力需求，需要多方面合力、多種措施并舉，保證新能源發展。風電發展前景廣闊。

1.2 我國風力發電產業的發展目標

我國清潔能源發電總計的并網容量預計在2025年會超過7.5億千瓦，全國電源總裝機中光伏及風電總發電所占的比例將可能超過26%。

2 大規模清潔能源發電帶來的挑戰

2.1 對系統備用容量的影響

大規模發展清潔能源發電，電力系統對備用容量的需求大增。所以，備用容量的配置對電力系統的支撐是十分必要的。這種功率不平衡現象會受到風電的隨機性波動而加劇。雖然風電預測系統準確性漸漸提高，但隨著全球氣候的變化，世界各地極端天氣時有發生，我們人類的預測系統在大自然面前顯得微不足道，所以電力系統的穩定運行離不開更大的火電機組、水電機組，這些機組提供的旋轉備用容量可以保證電力系統更加可靠地運行。

2.2 對頻率質量和穩定性的影響

大規模風電的并網的同時，部分火力發電機組逐步退出運行。這不僅使電力系統中的慣性響應能力下降，也使一次調頻能力降低。雙饋型風機和直驅型風機是現有風電機組中的主流機型，其并網原理為通過變頻器的調整達到并網標準后并網發電，對轉速的要求較低。

因此，風電場如果代替常規發電企業，就需要具備慣性的響應、一次頻率的調整和二次頻率的調整等輔助功能。保證電力系統正常運行，可降低風電并網后對系統穩定性和系統頻率質量的影響。

2.3 對電能質量的影響

氣候的變化使風資源的不確定性增加，這直接影響了風電機組的發電出力，導致風力機輸出功率出現波動。在某種角度上來說，它也會影響電網的電能質量，例如電壓波動和閃變、電壓的偏差、產生諧波和周期性電壓的脈動等。

2.4 對電力系統運行的影響

通常情況下，由于電力系統特殊的運行情況，風電機組距并網點的距離大不相同，在末端位置的機組就會有一定的不穩定因素，電力系統的潮流分布就受到了影響。在大部分電網設計的早期是沒有考慮這些的。風機的裝機規模越來越大，配電網電壓及并網點功率的波動逐步增大，就有可能達到甚至超過臨界值，嚴重的波動如果不能及時切除，就會進一步引起電網電壓嚴重失調乃至崩潰，最終導致系統解列，造成大規模停電。

當風電機組的運行方式為異步型發電機狀態時，處于發電狀態的風電機組就會源源不斷地向電網輸出有功功率。由于電力系統的同步性，風電機組還需要從電網中持續吸收無功功率。被風機吸收的無功功率必須得到補償，這里就需要無功補償設備的調節，現階段比較常用的是動態無功補償裝置，與其配合使用的部分情況還會配合一定容量的并聯電容器組。功率恢復性是異步型發電機的一種特性，當系統發生短路故障時，如果保護裝置不能將故障點及時切除，也同樣會出現暫態電壓異常波動的運行狀態。隨著清潔能源場站新增裝機的不斷提高，小火電廠正在逐漸減少，電力系統受到新能源場站不穩定輸出功率的影響進一步增加，當電力系統運行平衡達到不能控制的情況就會發生大規模脫網事故。

2.5 對保護裝置的影響

風電機組的并網頻次是工程師最初設計好的，如果因為新的要求，其他控制系統接入后，導致風機并網接觸器頻繁開關時，接觸器損壞的概率將大大增加。風電機組在并網狀態前，當輪轂高度處風速逐漸增加，達到起動風速時，該臨界條件情況下，風電機組就會以電動機模式短暫運行，導致電網與風電機組聯絡線的潮流不穩定。因此，應考慮風電機組繼電保護裝置的配置以及定值的整定。

2.6 對電力調度的影響

電力系統調度部門發電計劃的制定，是根據負荷分配情況及電源可靠性情況綜合制定的。當清潔能源容量發展到一定程度的時候，以前的調度方式不能滿足現階段的實際情況，會給風電的隨機性和不可預測性帶來困難，影響系統的調峰難度。現階段，國家對風電等可再生能源的優先消納政策的實施，加之火電機組減出力要求、供熱機組的運行等多方面因素，進一步加大了調度部門調度管理的難度。

3 風力發電調頻技術

3.1 新能源場站一次調頻的功率調節量要求（見圖1）

圖1

（1）新能源場站一次調頻功率下調范圍應不低于20%Pn（Pn為新能源場站額定功率，下同），轉差率暫取2%（參數可調），場站功率下調至10%Pn后可不再向下調節。

（2）新能源場站一次調頻功率上調調節能力應不低于10%Pn，轉差率暫取5%（參數可調）。

（3）新能源場站一次調頻期間應維持風電機組、光伏逆變器正常運行，避免機組脫網或停機。

對于新能源場站來說當電網頻率偏差超過一次調頻死區時，場站所提供的一次調頻服務應滿足如下要求：

（1）一次調頻穩定時間：從系統頻率超出調頻死區開始到有功功率穩定在預設功率誤差范圍內（±2%Pn）的最短時間，風電、光伏均不大于5s。

（2）一次調頻有功功率控制偏差：一次調頻有功功率控制偏差為場站額定有功的±2%。

（3）一次調頻死區：暫取±0.05Hz（參數可調）。

3.2 風電場一次調頻功率控制

現階段主流風機類型有兩種：一是雙饋型風機，二是直驅型風機，這兩種風機都屬于變速類型的風電機組。風機發出的電能經過變頻器后，得到可以實現并網標準的電壓、頻率、波形等，最終實現穩定并網發電。雙饋型風機的特點是轉子的電磁轉速是可以在系統同步轉速的30%以內波動；直驅型風機的特點是轉子的電磁轉速是可以在系統同步轉速的30%以外波動，范圍會更大。此外，為提高發電量和發電效率，風機運行于最大功率點附近，風機大多采用最大風能捕獲控制，調頻所需的備用容量無法提供，特別是在頻率降低，需要向上調節時。

清潔能源發電系統早期通信協議是比較落后的，而且其功率控制邏輯是限負荷等特殊情況下的一種調節出力的手段，這樣是不能滿足風電場參與新形勢下的一次調頻功能的調節要求。為了更好地滿足一次調頻要求，提高調頻特性，風電機組主控系統需具備相應功率控制邏輯和快速通信協議接口。

一次調頻控制系統根據電網測量數據進行全場有功調頻支撐，將目標指令發給風電場能量管理平臺，由風電場能量管理平臺合理分解下發給單臺風機，一次調頻有功指令與傳統的AGC有功指令在一次調頻系統內產生疊加。風電場升壓站的有功功率的控制目標為AGC有功指令和一次調頻調節量代數和；當電網頻率超出調節死區后，會閉鎖AGC反向調節指令。

風電場一次調頻控制系統原理拓撲圖，如圖2所示。

圖2

3.3 發電機轉子超速控制

控制發電機轉子超速運行的方式，其基本原理為：通過相關系統的協調控制，調節槳距角等變量，使風機運行在最大出力以下，這樣使得沒有滿發的多余的一部分有功功率預留出來，就相當于預留出一部分備用容量。這些備用容量用于參與一次調頻中，當系統頻率下降時，通過控制器將備用容量按照一定的速率發出，達到提高系統頻率的作用。

其特點是，參與系統一次頻率調節時，其響應速度快，對風機本身機械性能的影響小，但是控制區域不全面。在額定風速情況，風機處于滿發狀態，功率不變，轉子轉速無法提高，所以額定風速以下的運行狀態適合用超速控制。但利用這樣的減小出力的發電狀態，風機就不能運行在最佳的風能利用效率下，這樣就從某種程度上減少了風電場的發電量，同時也降低了風機的可利用率，同步影響的還有風機的功率曲線等一系列風機相關指標。

3.4 調節風機葉片角度控制

控制風機槳距角的方式叫做調節風機葉片角度控制。調節槳葉的迎風角度，可以控制風能輸入的機械能量大小，計算出最大功率點后，讓風機的槳距角大于最佳的發電運行槳距角。風況不變的情況下，機組的備用容量越多，槳距角就越大。

其特點是，不僅調節能力強而且調節的范圍還大，可實現各種風速下對功率的控制。但是由于其執行機構是機械的變槳系統，所以響應速度相對較慢；頻率調整較為頻繁，使槳距角變化也會過于頻繁，會加劇機組的機械磨損，縮短運行壽命。當實際風速大于額定風速時，變槳控制的作用更大，當系統頻率下降時，變槳控制產生的備用支撐頻率會較為有效，其響應時間也必將迅速。

3.5 組合控制

根據各種調頻方式的特點，在組合控制研究方面，分風速區段控制。在低風速時：通過變槳控制策略實現頻率調節；在中風速時：則采用降低負載運行產生一部分有功功率備用的容量；在高風速時：采用改變葉輪轉速的設定點或者調節風機葉片角度控制，用以產生一部分預留的容量，將其儲備起來，當需要的時候再將該部分預備容量釋放出來。

綜上，不同的控制策略都有著各自的優缺點，風力發電機組的運行需要綜合考慮風速變化和機組運行狀態的影響，在實際運行中多數控制方式均難以達到要求。因此，現階段可實施的控制方式為上述第一種一次調頻功率控制方式及要求。

4 結論

隨著時代的發展，加之我國風電裝機規模的逐年增加，電網建設成為制約風電發展新的“瓶頸”。為此，清潔能源發電被視為電網未來規劃的重要發電電源之一，合理分配規劃投運火電、水電等傳統電源，安全穩定運行核電，根據地域資源規劃風電、光伏，新型的光熱發電也要統籌考慮全面。這樣全面的電源接入，可以使電力系統從電源類型上優化電網整體的性能，包括安全性、可靠性、穩定性、經濟性，電力系統的穩定運行給社會帶來更好的發展空間。

本文簡明扼要地介紹了風力發電機組的運行特點，也對清潔能源現階段的發展情況以及未來的發展方向做了簡潔明了地分析，介紹了風力發電機組的基本運行原理，也分析了風電場裝機容量的大幅度增加對電網帶來的影響。重點介紹了風力發電大規模并網對電力系統一次調頻的影響及解決措施。需要明確，提高風電機組的可信容量系數是從根本上解決風力發電的電網接入問題的重要手段，這樣備用容量對電力系統的影響相對來說就會降低，對整個電力系統來說都是十分有必要的。

時代的發展推動了人類的進步，電力系統也是一樣，新的時代就要有新的改變，一味地尋求快速發展，必將帶來新的問題。我們要做的就是順應這些變化，解決產生的問題，才能有更多的高新科技研發出來，相信新能源的明天一定會更加光明。