张青峰 姚志强 侯元文

摘 要：由于世界能源危机的影响，风能发电事业获得迅速发展。大规模风电接入极大影响了电力系统的频率稳定性。本文简单阐述了风电机组与电力系统频率调节的要求，然后详细介绍了相应的控制策略。当前，人们可以采用需求侧管理技术与大规模储能技术，提升频率的稳定性。

关键词：电力系统;一次调频;频率调节;控制策略

中图分类号：TM712文献标识码：A文章编号：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

当前，绿色能源开始引起越来越多人的青睐，发展比较迅猛，而最具代表性的当属风力发电。欧美等西方国家起步较早，风力发电技术相对成熟，值得注意的是，随着风电渗透率的逐渐增加，电力系统的稳定性受到严重威胁[1-3]。本文首先总结了全球各地针对风电机组参与调频制定的相关标准，接着总结了国内外的控制措施，以确保电力系统调频稳定。

1 风电机组参与电力系统频率调节的要求

国内外针对该课题展开一系列的研究，积累了大量有益成果。德国在这方面走在世界的前列，该国EON公司提出明确的规定，装机容量超过100MW的发电厂一定要拥有一次调频能力，还明确规定其容量必须不小于额定容量的±2%，下垂特性常数应当是可以调节的，在系统频率到达到准稳态频率偏差±200mHz时，一次调频功率一定要在半分钟时间之内到达最高值，且可以保持不少于15min的输出，除此之外，该公司还规定在上一次调频后的15min之后可以再进行一次调频。

南非对此也做出明确的规定，规定并网的风电场配备满足相关标准的频率响应系统。该系统要有图1所示的频率响应能力。风电场可以设置响应死区（频率偏差保持在0～0.5Hz范围之内），实践中主要是按照电网相关要求来调节;风电场在运行过程中能保持不少于95%的可输出最大功率连续输出;当系统频率大于50.5Hz时，规定其能够以不少于1%额定功率/秒的斜率减少其功率输出;系统频率处于不同的范围时，风电场频率响应系统根据不同的曲线调节其功率输出。

加拿大相关企业规定，如果风电场容量超过10MW，那么一定要安装相应的调频系统。当系统频率出现偏差时，可以有效控制其有功功率，该系统使其拥有与传统同步机组大致相当的惯性3.5s时间常数，在此基础上，还应该保证当整个电网发生频率波动时，风电场可以保持至少10s，以不小于额定功率5%的功率来适当调节系统的频率。

近年来，我国风电装机容量有了很大的发展，风电渗透率在有些风能富集区域已达到相对较高的水平。所以，风电场必须拥有相应的调频能力以及备用的能力，当其有功功率超过总额定出力的20%时，对其中有功出力保持在额定容量的20%以上的全部机组，可以进行有效调节，有效控制电网的有功功率。

2 风电机组参与电力系统频率响应控制策略研究进展

2.1 惯性支撑

风电机组在整个系统中起着非常重要的作用，可以为其提供良好的惯性支撑[4-6]。有学者针对该课题展开研究发现，风电机组虚拟惯性在系统N-1故障中起着良好的作用，可以减小其频率变化速率以及频率最低点，为其频率处于稳定状态提供坚实的保障。还有学者通过切换其功率跟踪曲线，在系统频率突变时为其提供虚拟惯性，仿真结果显示，在风速保持固定的条件下，其具有相对较好的频率响应能力。

风能自身具有一定的波动特点，使得机组的惯性响应能力存在不确定性。在研究过程中，有學者在频率跌落时利用控制叶尖速比的方法为系统提供短时有功支撑，通过相应的仿真测试发现，这个技术可以消除风电并网对频率响应的负面作用。为评估变化风速的风电场可用的虚拟惯性容量，还有学者在研究中提出利用高斯分布来模拟风电功率波动的方法。除此之外，相关专家学者在研究提出了改进型的虚拟惯性控制方案，通过一系列的仿真测试发现，该方法可以实现对系统频率跌落的有效限制，并且能够有效降低频率恢复后的动态波动。

综合相关研究者所述，在系统频率跌落时，风电场的虚拟惯性可以提供有功支撑，对于系统频率的稳定起着重要的作用，是控制系统频率的重要措施之一。

2.2 一次调频

当系统的功率波动时，变速风电机组可以为其提供一次调频服务，并且还是系统频率控制的有效措施之一。有学者在研究过程中分析了PCS与CCS的效率，结果表明，上述两个方法具有相同的效果，二者有机结合能够使风电利用效率增加2%。根据图2控制原理，相关DFIG风电机组能够在很大程度上改善电力系统的频率稳定性。除此之外，还有专家学者在研究中总结了风电机组的时序协调控制策略。

综上所述，其基本上利用各种方法来弃风，从而实现一次调频，以充分确保机组具有一定的有功备用容量。日后在提供相同的备用容量的条件下，怎样最大限度地降低弃风电量，进一步改善经济效益，是摆在业界专家学者面前的一个重大问题。

2.3 惯性支撑与一次调频相结合

国内外针对二者结合对电力系统频率稳定性的影响进行了大量研究。有学者在研究中发现，二者结合应用于电力系统中，当系统频率处于稳定状态或跌落时，可以提供良好的频率支撑，还可以提升其风电接纳能力。还有专家在研究中通过变桨技术提出可整定风电机组静调差系数的频率控制策略，在此基础上，结合虚拟惯性，以获得更加有效的综合控制效果。仿真测试发现，该方法可以明显改善系统内在静态或者是小扰动条件下的频率稳定性。

综合前人所述，风电场中，二者有机结合能够为整个系统提供良好的有功功率调节，可以为系统频率保持稳定状态提供保障，是风电场为电力系统提供调频辅助功能的有效措施。

3 储能及需求侧管理技术的影响

大规模储能系统具有能量的时空平移能力，到现在为止，业界应用最为广泛的技术有以下几种：飞轮、超级电容器、锂电池储能等。上述方法均具备比较突出的优越性，如较快的响应速度，较高的稳定性等，能够配合风电机组实现对电力系统频率的调节，显著改善机组的频率响应能力。

有专家学者在研究过程中发现，应用储能可以提高含大规模风电电力系统的频率响应能力。还有学者总结了基于模糊控制策略的AGC调频模型，通过相应的仿真测试发现，该方法可以在短时间之内对负荷扰动作出响应，降低了电力系统的频率偏差，还明显改善了电力系统AGC调频能力。除此之外，还有专家提出了频率响应的相关指标，深入探讨了孤岛电力系统的频率特点，提出通过超级电容器储能来为系统提供快速反应的“虚拟惯性”，避免系统频率减小至低频减载阈值，进而改善其频率稳定性。还有学者在研究中提出各种技术来控制电力电子装置以实现辅助调频等服务。

需求侧管理同样被应用于风电机组的调频中，并且取得非常不错的效果。有学者在研究中探讨了它和虚拟惯性二者结合在调节一次频率中的作用，结果发现，二者结合可以有效改善电网频率的稳定性。还有专家在研究中构建起大规模风电接入下的电力系统频率响应模型，运用低压低频减载的需求侧响应控制方法，实现对电网频率调节的有效控制。除此之外，有人在研究过程中对动态需求控制效益进行量化分析，为实现系统的一次调频，他们总结了控制制冷设备的优化控制算法，通过相应的仿真测试发现，在高风电渗透率下的电力系统中，DD所起到的效果更佳，从而为电网调频提供了新的思路。

4 结语

近年来，随着世界各国石油和煤炭消耗的增多，资源枯竭问题也愈发严重，引发了一系列的环境问题。在这种形势下，国内外纷纷开始探索各种新能源，尤其是绿色能源，这就使得风力发电越来越受到人们的重视。笔者主要总结了西方国家对于发电机组频的要求，接着探讨了规模风电功率并网的影响，研究了惯性支撑、一次调频及两者有机结合三种控制策略。同时，分析了大规模储能技术及需求侧管理技术的国内外研究进展，可以确定的是，日后储能技术的成本必然会逐渐减少，因此，该方法肯定会受到人们的重视，随着研究的不断深入，其会体现出更高的理论与实践价值。

参考文献：

[1]冯喜超.高风电渗透率下面向电网调频的储能系统优化配置[D].吉林：东北电力大学，2016.

[2]王琦，郭钰锋，万杰，等.适用于高风电渗透率电力系统的火电机组一次调频策略[J].中国电机工程学报，2018（4）：974-984.

[3]王瑞峰，高磊，谌杰.高风电渗透率下变速风电机组参与系统频率调整策略[J].电力系统自动化，2019（15）：101-108.

[4]汪海蛟.含高滲透率风电的电力系统频率控制[D].杭州：浙江大学，2014.

[5]于汀.风电高渗透率下中长期时间尺度系统频率波动仿真研究[J].电网与清洁能源，2014（1）：87-93.

[6]许瑞庆.高风电渗透率下双馈风机参与系统调频的控制策略研究[D].北京：华北电力大学，2017.