趙嘉興，高偉，上官明霞

（國網(wǎng)山西省電力公司,山西太原030001）

風(fēng)電場調(diào)頻技術(shù)在未來智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

趙嘉興，高偉，上官明霞

（國網(wǎng)山西省電力公司,山西太原030001）

晉北—南京直流特高壓工程投產(chǎn)后，山西電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，從電網(wǎng)靜態(tài)安全、短路比、暫態(tài)安全穩(wěn)定及暫態(tài)過電壓等方面分析了交直流系統(tǒng)相互作用下山西電網(wǎng)的穩(wěn)定特性，為山西電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù)。配套電源投產(chǎn)后，晉北直流特高壓送電8 000MW，晉北換流站運(yùn)行設(shè)備無過載現(xiàn)象，滿足運(yùn)行控制要求。

風(fēng)電場；調(diào)頻技術(shù)；智能電網(wǎng)；虛擬慣性頻率控制；槳距角控制；多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制；儲能系統(tǒng)

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及通信和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電能供給方式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變在給電網(wǎng)的安全運(yùn)行和發(fā)展規(guī)劃提出了新要求的同時，也為電網(wǎng)發(fā)展提供了新的機(jī)遇。傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向具有更好的靈活性、可靠性、可視化、友好型、良好的交互性和自愈性等特點(diǎn)的智能電網(wǎng)方向發(fā)展。

近年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，霧霾、水污染等環(huán)境污染問題日趨突出，對可再生能源、低碳環(huán)保能源的需求迫在眉睫。風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電將在一定程度上緩解目前的環(huán)境和能源問題。大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等將用于未來智能輸電網(wǎng)；分布式風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等將用于解決小用戶負(fù)荷需求響應(yīng)智能微電網(wǎng)和智能配電網(wǎng)[1-5]。由于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（double-fed induction generator）和永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG（permanent magnet direct-drive wind synchronous generators）[6]變流器的存在，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率不存在耦合關(guān)系，在傳統(tǒng)控制策略下無法實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)。在大規(guī)模風(fēng)電場集中接入電網(wǎng)比例不斷增大的情況下將導(dǎo)致電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣性降低，惡化電網(wǎng)的頻率特性。隨著風(fēng)電場大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)要求風(fēng)電場具備一定的調(diào)頻能力。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電網(wǎng)頻率調(diào)整技術(shù)與負(fù)荷的變化類型相對應(yīng)。第一類變化幅度很小、周期又短、具有偶然性的負(fù)荷由發(fā)電機(jī)調(diào)速器完成一次調(diào)頻；第二類變化幅度較大、周期較長負(fù)荷由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器AGC（automatic generation control）完成二次調(diào)頻；第三類計劃類負(fù)荷由開停機(jī)計劃和減負(fù)荷控制進(jìn)行三次調(diào)頻。目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要能夠參與電網(wǎng)頻率的一次調(diào)整，通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動能控制、功率備用控制、儲能釋放吸收控制等技術(shù)完成系統(tǒng)頻率調(diào)整[7]。文獻(xiàn)[8，9]提出DFIG在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上增加頻率控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子功率的釋放和吸收，相應(yīng)控制有功出力，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。對比研究了風(fēng)電中的虛擬慣性控制、下垂控制、轉(zhuǎn)子速度控制、槳距角控制以及單臺和多臺之間的協(xié)調(diào)控制調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[10]介紹了變速風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻的原理和模型，提出了一種慣性控制比例控制方法進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。通過分析發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻特點(diǎn)，結(jié)合變槳距角控制來整定出風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的頻率控制策略，采用虛擬慣性控制策略來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的調(diào)整[11，12]。文獻(xiàn)[13，14]提出一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出適應(yīng)性較強(qiáng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)頻率控制策略，實(shí)現(xiàn)了DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)子動能和備用功率聯(lián)合超導(dǎo)儲能有功功率控制，由超導(dǎo)儲能快速的功率釋放和吸收調(diào)節(jié)能力為系統(tǒng)提供功率支撐。文獻(xiàn)[15]提出了一種以虛擬慣性頻率控制為基礎(chǔ)，附加了轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)控制，以便使DFIG轉(zhuǎn)速更快地恢復(fù)到最佳狀態(tài)的系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速在高風(fēng)速段時，通過優(yōu)化功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備一定有功裕量，整定出一條次功率曲線來調(diào)整系統(tǒng)頻率[16]。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于約束因子限幅控制的DFIG有功功率平衡抑制控制策略，并且給出了約束因子的選取規(guī)則。

本文通過對比分析不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻的主要形式、調(diào)頻的原理、調(diào)頻的效果，總結(jié)了未來智能電網(wǎng)中風(fēng)電場參與調(diào)頻的關(guān)鍵問題以及未來風(fēng)電場參與電網(wǎng)調(diào)頻的發(fā)展方向。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其基本控制策略

DFIG和PMSG兩種類型的風(fēng)機(jī)目前在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用比較廣泛，其傳統(tǒng)控制多為實(shí)現(xiàn)功率解耦控制。

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、撬棒電路、機(jī)側(cè)變流器、直流連接、直流斬波、網(wǎng)側(cè)變流器、變壓器組成，最后并入電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)側(cè)變流器采用基于定子電壓定向雙閉環(huán)的矢量控制策略，保持定子磁鏈恒定，定子側(cè)有功功率由轉(zhuǎn)子側(cè)電流d軸分量ird進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤；無功功率由轉(zhuǎn)子側(cè)電流q軸分量irq進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了有功和無功功率的解耦控制。

網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量的雙閉環(huán)控制，保持直流側(cè)電壓恒定，網(wǎng)側(cè)有功則由網(wǎng)側(cè)電流d軸分量igd進(jìn)行控制，無功由網(wǎng)側(cè)電流q軸分量igq進(jìn)行控制，網(wǎng)側(cè)有功和無功功率實(shí)現(xiàn)解耦控制，雙變流器控制策略框圖如圖2所示。

圖2 DFIG傳統(tǒng)控制策略

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、直流連接、網(wǎng)側(cè)變流器、變壓器，最后并入電網(wǎng)，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PMSG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

PMSG傳統(tǒng)控制策略是：實(shí)現(xiàn)最大功率輸出和有功無功解耦單位功率因數(shù)運(yùn)行。機(jī)側(cè)變流器采用傳統(tǒng)的定子磁鏈定向雙閉環(huán)矢量控制，零d軸分量控制策略。轉(zhuǎn)矩控制相對簡單，并且永磁體不會退磁。外環(huán)功率跟蹤控制Popt和定子電壓控制來（或轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)）計算電流內(nèi)環(huán)控制的轉(zhuǎn)子側(cè)電流q軸分量isq，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤，如圖4所示。

圖4 機(jī)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)

網(wǎng)側(cè)變流器控制與DFIG控制原理相似，基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略下，風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器可采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

DFIG和PMSG兩種類型的風(fēng)機(jī)在傳統(tǒng)控制策略下沒有對頻率的控制、機(jī)械功率和電磁功率實(shí)現(xiàn)解耦，無法完成系統(tǒng)頻率的調(diào)整。

2 風(fēng)電場調(diào)頻控制技術(shù)

發(fā)電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻的原理如圖5所示。

其中，ΔPL0為負(fù)荷調(diào)節(jié)功率、ΔPG0為二次調(diào)頻功率、KG為發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率、KL為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率、Δf為電網(wǎng)頻率變化、Ps為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。

圖5 發(fā)電機(jī)調(diào)頻原理圖

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)的頻率調(diào)整，需要對傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略進(jìn)行改進(jìn)，增加附加頻率控制或備用功率控制。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行在額定頻率時，風(fēng)電場輸出有功為P0；當(dāng)負(fù)荷增加，電網(wǎng)頻率降低，需要增加風(fēng)電場輸出功率。當(dāng)負(fù)荷較少，電網(wǎng)頻率升高，需要減少風(fēng)電場機(jī)輸出功率，風(fēng)電場調(diào)頻特性如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場的調(diào)頻特性圖

2.1 虛擬慣量頻率控制方式

利用附加頻率模塊模擬風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)[18]，在系統(tǒng)中增加與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)相似的輔助一次調(diào)頻環(huán)節(jié)，通過增加低通濾波器濾掉高頻分量Washout濾波器[19]除去穩(wěn)態(tài)輸入信號，使比例控制方法具有更好的頻率響應(yīng)特性，如圖7所示。

圖7 附加虛擬慣量頻率控制框圖

當(dāng)電網(wǎng)頻率不變時，附加頻率控制不起作用；當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增大，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率降低，頻率環(huán)節(jié)響應(yīng)增加風(fēng)電機(jī)組的有功輸出，對系統(tǒng)提供功率支撐；當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然降低，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率升高，頻率環(huán)節(jié)響應(yīng)減少風(fēng)電機(jī)組的有功輸出。

2.2 改進(jìn)頻率控制方式

對普通風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量頻率控制頻率環(huán)節(jié)可以增加下垂控制[20]、PD（比例積分控制）、PR（比例諧振控制）、轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)控制[15]、模糊控制[13]等改進(jìn)的頻率控制策略，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)頻率控制框圖

下垂控制可以使不同的風(fēng)電機(jī)組按照自身的功率特性調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的功率；轉(zhuǎn)速延時控制能夠加快轉(zhuǎn)子快速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；模糊控制能夠克服風(fēng)能的隨機(jī)性、不穩(wěn)定因素以及模型參數(shù)復(fù)雜性，保障控制效果更佳。

2.3 轉(zhuǎn)子動能控制（次功率曲線）方式

在傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)組的控制中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)按最大功率跟蹤控制，無法為電網(wǎng)提供系統(tǒng)頻率支撐容量，并且轉(zhuǎn)速ω和電網(wǎng)解耦。根據(jù)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的運(yùn)行工況，把風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制分為最優(yōu)功率運(yùn)行控制、運(yùn)行方式保持控制和次功率控制[16]，控制框圖如圖9所示。

圖9 槳距角控制框圖

在次功率控制運(yùn)行下，風(fēng)力機(jī)組有一定的備用功率，通過改變槳距角[21]能夠增發(fā)或者少發(fā)一部分功率，用于系統(tǒng)的頻率支撐。

2.4 有功備用控制方式

有功備用主要指利用儲能系統(tǒng)來吸收和釋放有功率來平抑系統(tǒng)中的功率波動，為系統(tǒng)提供頻率支撐。儲能系統(tǒng)一般有電池（容量kW～MW級，啟動時間毫秒級，儲能期限數(shù)天～數(shù)周）、飛輪（容量kW級，啟動時間秒級，儲能期限小時級）、超導(dǎo)（容量kW～MW級，啟動時間秒級，儲能期限分鐘級）、超級電容器（F，啟動時間毫秒級，儲能期限數(shù)分鐘級）等儲能系統(tǒng)。

以上4種頻率控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)調(diào)頻控制方式優(yōu)缺點(diǎn)

3 風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)在未來智能電網(wǎng)的應(yīng)用

未來的智能電網(wǎng)包括智能輸電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)和智能微電網(wǎng)，風(fēng)電場將在不同電網(wǎng)層級參與系統(tǒng)的調(diào)頻。

3.1 輸電網(wǎng)層級

風(fēng)電場在輸電網(wǎng)層級參與調(diào)頻可以完成系統(tǒng)的一次調(diào)頻、也可以完成系統(tǒng)的三次調(diào)頻。利用通信技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)時檢測電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)頻要求，調(diào)整不同風(fēng)電場的出力。風(fēng)電場在輸電網(wǎng)層次參與電網(wǎng)調(diào)頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 輸電網(wǎng)層級調(diào)頻

3.2 配電網(wǎng)層級

在風(fēng)電場大量集中接入的配電網(wǎng)，風(fēng)電場將有能力參與配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率調(diào)整。根據(jù)風(fēng)電場接入的容量和位置，以及未來大量電動汽車接入配電網(wǎng)可以作為有功功率備用。利用風(fēng)電場自身調(diào)頻特性，結(jié)合電動汽車作為儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合來參與配電網(wǎng)的頻率調(diào)整。風(fēng)電場結(jié)合電動汽車參與配電網(wǎng)頻率調(diào)整的結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 配電網(wǎng)層級調(diào)頻

3.3 微電網(wǎng)層級

微電網(wǎng)由于電網(wǎng)容量小，發(fā)展迅速。微電網(wǎng)中主要包括分布式電源、儲能系統(tǒng)、以及各類負(fù)荷等。微電網(wǎng)中可以利用本文提到的虛擬慣量頻率控制、改進(jìn)頻率控制、次功率控制、有功備用控制等方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的支撐，加強(qiáng)對新型電力電子類負(fù)荷的調(diào)控，減少負(fù)荷投入和退出時對系統(tǒng)頻率的影響。

4 結(jié)束語

風(fēng)電場將在未來智能電網(wǎng)調(diào)頻方面有很大的應(yīng)用前景，雖然目前國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對風(fēng)電場調(diào)頻技術(shù)做了一些方面的研究，但尚有很多問題沒有解決，有待進(jìn)一步的研究。

a）不同類型風(fēng)電機(jī)組的頻率控制策略中參數(shù)優(yōu)化問題。

b）風(fēng)場機(jī)組層面、風(fēng)電場層面以及電網(wǎng)層面的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略；不同風(fēng)機(jī)、不同風(fēng)電場調(diào)頻能力的協(xié)調(diào)配合。

c）風(fēng)電場參與電網(wǎng)調(diào)頻的可靠性、可控性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)險性等多因子的綜合評估。

d）風(fēng)電場調(diào)頻技術(shù)在輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、微電網(wǎng)方面的調(diào)頻功能定位、調(diào)頻容量比例以及其調(diào)頻輔助功能的市場定價等問題。

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Application of Wind Farms Frequency Modulation Techniques in Smart Grid in the Future

ZHAO Jiaxing,GAO Wei,SHANGGUAN Mingxia
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

Most of the renewable energy power generation systems possess the characteristics of randomness and intermittence,while wind power generation has the characteristics of large development scale,large grid-connection capacity and wide distribution.Large-scale wind power accessing to the grid will cause the decrease of the rotary inertia of the grid itself,adversely affecting the frequency stability of power grid.The control strategies of the wind farms involved in the power grid frequency regulation are mainly studied and summarized. The main forms,frequency modulation principle and frequency modulation effect of different wind turbines are analyzed and compared.The key technologies of wind farm participating in power grid frequency modulation in smart grid and the main research contents and development direction of wind farm participation in grid frequency modulation in the future are put forward.

wind farms;frequency modulation techniques;smart grid;virtual inertial frequency control;pitch control;multi-objective coordinated control;energy storage system

TM732；TM614

A

1671-0320（2017）01-0001-05

2016-09-07，

2016-10-19

趙嘉興（1970），男，山西太原人，2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事智能電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和電網(wǎng)信息通信管理及運(yùn)行工作;高偉（1982），男，山西柳林人，2003年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)，高級工程師，從事電網(wǎng)通信管理與運(yùn)行工作;上官明霞（1981），女，山西陽城人，2002年畢業(yè)于東北大學(xué)秦皇島分校軟件工程專業(yè)，高級工程師，從事智能電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行管理工作。