洪翠，溫步瀛，陳群，江岳文

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州 350012；2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

為保證風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定及電能質(zhì)量，需采取有力措施應(yīng)對風(fēng)能固有隨機特性造成的風(fēng)電場出力不確定性。本文首先以福建省某沿海風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)分析風(fēng)電場的出力，驗證了風(fēng)電場輸出功率的波動性和隨機性。隨后，文章從電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機組2個角度分別考慮了風(fēng)電不確定性的對策，主要包括風(fēng)電出力預(yù)測、儲能手段以及風(fēng)電機組自參與調(diào)頻等。這些措施均可在應(yīng)對風(fēng)電不確定性方面發(fā)揮作用。

1 風(fēng)電場出力特性的分析

1.1 風(fēng)電場出力的波動變化性

福建省某沿海風(fēng)電場共有24臺2 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組，2010年1—6月的小時平均有功出力變化曲線如圖1所示。其中，70%裝機容量及以上出力小時數(shù)606 h，占13.95%；零出力小時數(shù)772 h，占17.78%，風(fēng)電場尖峰出力與零出力所占比例相當(dāng)，可見風(fēng)電場出力具有較大的波動性。圖2所示為該電場出力的幅頻特性曲線，表明了大部分的風(fēng)電出力部分變化屬于低頻慢變化。對于風(fēng)電功率預(yù)測而言，緩慢變化將更有利于變化特性的捕捉，從而獲得較好的預(yù)測結(jié)果。

圖1 風(fēng)電場的小時有功出力曲線Fig.1 Curve of hourly power output in a wind farm

1.2 風(fēng)電場出力的隨機變化性

圖3所示為發(fā)電量相當(dāng)?shù)膬蓚€鄰近日的出力變化曲線。

圖2 風(fēng)電功率振幅頻譜Fig.2 Amplitude frequency spectrum of wind farm power

圖3 鄰近日的有功出力Fig.3 Daily power output of two neighboring days

從圖3中可見，兩曲線的變化具有明顯差異，說明雖然最大風(fēng)能追蹤控制技術(shù)可使風(fēng)力發(fā)電機組獲得最佳的能效利用，但風(fēng)能固有的不確定性仍會使得風(fēng)力發(fā)電機組的出力呈現(xiàn)出隨機多變的不穩(wěn)定特性。

2 風(fēng)電出力不確定性影響的應(yīng)對措施

應(yīng)對風(fēng)電出力的不確定性，可將風(fēng)電出力并入電力負(fù)荷后從電網(wǎng)角度出發(fā)考慮相應(yīng)措施，亦可從風(fēng)電場自身出發(fā)，參與系統(tǒng)調(diào)頻，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

2.1 風(fēng)電出力不確定性對電力負(fù)荷的影響

盡管風(fēng)電發(fā)展迅猛，但其裝機容量及規(guī)模仍遠小于常規(guī)的水、火電。本文考慮將風(fēng)電場出力并入電力系統(tǒng)負(fù)荷，從電力負(fù)荷特性中體現(xiàn)其隨機性與波動性。

風(fēng)電功率并入之后對電力負(fù)荷造成的影響主要包括最大、最小負(fù)荷點[1]以及峰谷差值的變化[1-2]，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電占最大負(fù)荷的比例越大時影響亦越大。在滿足必要安全裕度的前提下，電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)主要是應(yīng)對系統(tǒng)負(fù)荷波動。優(yōu)良的負(fù)荷特性應(yīng)具有較小的峰谷差，這將更有利于減少系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量，提高調(diào)峰電源的利用效率。

某風(fēng)電場一般出力日的有功功率變化曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場一般日有功出力曲線Fig.4 Power output curve of the usual day in wind farm

可見，風(fēng)電功率出力的高峰時段與電力系統(tǒng)日負(fù)荷特性的高峰時段（上午8:00～11:00；下午18:00～22:00）并不相關(guān)，體現(xiàn)了較為明顯的反調(diào)峰特性。一些地區(qū)，全年出現(xiàn)反調(diào)峰的天數(shù)可占全年天數(shù)的35.6%～46.6%，反調(diào)峰容量可達到風(fēng)電裝機容量的30%～50%[3]。反調(diào)峰的現(xiàn)象導(dǎo)致風(fēng)電并入后的等效負(fù)荷峰谷差變大，惡化了電力系統(tǒng)負(fù)荷變化特性。

2.2 電網(wǎng)對于風(fēng)電出力不確定性的應(yīng)對措施

風(fēng)電功率并入電力負(fù)荷后，為應(yīng)對風(fēng)電出力不確定性，電網(wǎng)一方面可通過風(fēng)電功率預(yù)測提前預(yù)知未來的風(fēng)電出力情況，使調(diào)度運行部門更合理地安排旋轉(zhuǎn)備用容量、有效地實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度；另一方面應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)膬δ艽胧?，在?fù)荷低谷階段將風(fēng)電功率輸出過剩的部分通過能量轉(zhuǎn)換實施存儲，儲存的能量待高峰負(fù)荷時再進行釋放，以提高電力系統(tǒng)風(fēng)電以及火電、核電等其他電源的利用率，從而達到降低成本提高整個電力系統(tǒng)效益的目的。

2.2.1 以提高出力預(yù)測精度應(yīng)對風(fēng)電不確定

多數(shù)風(fēng)電功率預(yù)測研究集中在中、短期預(yù)測[4]，主要包括基于數(shù)字天氣預(yù)報（NWP）及基于歷史數(shù)據(jù)2類預(yù)測方法。

準(zhǔn)確有效的風(fēng)電功率預(yù)測可以提高風(fēng)電注入功率水平、可為電網(wǎng)的運行調(diào)度提供可靠依據(jù)，并可有效地降低風(fēng)力發(fā)電的成本，減輕風(fēng)力發(fā)電可能對電網(wǎng)造成的不良影響。不過，無論采用哪種方法或是技術(shù)，由于風(fēng)電本身所特有的隨機以及波動特性，風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果仍均存在一定的預(yù)測誤差，參見圖5。

具備有效風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)時的風(fēng)電場實際出力表示為：

圖5 風(fēng)電場的日有功出力預(yù)測Fig.5 Daily power output prediction in wind farm

式中，Pf為風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果；ΔP為對應(yīng)于Pf的預(yù)測偏差功率，它是一個隨機變化量；。風(fēng)電功率預(yù)測將風(fēng)電出力的不確定性轉(zhuǎn)化成為預(yù)測誤差的不確定性?？赏ㄟ^提高預(yù)測精度以及預(yù)測誤差的穩(wěn)定性以達到改善風(fēng)電的隨機性的目的，從而有效應(yīng)對風(fēng)電的不確定特性。

雖然可以通過誤差修正的措施有效提高風(fēng)電功率預(yù)測的精度[5]，但誤差并不會消除，單純依靠風(fēng)電功率預(yù)測難以從根本上解決風(fēng)電所具有的隨機性。

2.2.2 以儲能措施應(yīng)對風(fēng)電不確定

當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電功率超過電網(wǎng)可為其提供的調(diào)峰極限，電網(wǎng)將難以平衡風(fēng)電出力，從而造成頻率越限，嚴(yán)重時將導(dǎo)致電網(wǎng)解列[1]。應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)哪芰看鎯κ侄巫鳛檩o助措施，考慮儲能平衡后的風(fēng)電注入功率為：

式中，Ps為儲能單元的充放電功率（Ps＞0時單元放電；Ps＜0時單元充電）。合理控制儲能單元，即可調(diào)節(jié)風(fēng)電注入電網(wǎng)功率Pin，平衡由于風(fēng)電的隨機波動性對于系統(tǒng)調(diào)峰等方面的影響。

但是，由于風(fēng)電功率的反調(diào)峰特性也并非一直存在[3]，以儲能手段應(yīng)對風(fēng)電不確定性時，仍存在如何合理選取儲能容量大小的問題。此外，各類儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度也是影響合適的儲能方式選定的因素，此時可參考頻域分析的結(jié)論考慮采用適合的儲能系統(tǒng)。

2.3 風(fēng)電自身參與調(diào)頻穩(wěn)定系統(tǒng)頻率

當(dāng)電力系統(tǒng)頻率變化時，頻率隨時間變化的過程主要決定于有功功率缺額的大小與系統(tǒng)中所有轉(zhuǎn)動部分的機械慣性。常規(guī)機組容量被風(fēng)電機組替代后可能使得電力系統(tǒng)的慣量有所下降，對電網(wǎng)的頻率控制產(chǎn)生不利影響[6]。原因在于作為風(fēng)力發(fā)電主流機型之一的雙饋變速風(fēng)力發(fā)電機組，其控制策略使其機械功率與系統(tǒng)的機械功率解耦，失去了對系統(tǒng)頻率的快速響應(yīng)?？赏ㄟ^對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組上附加控制環(huán)節(jié)，使風(fēng)電機組具有一定的慣性，響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

常規(guī)機組的功頻靜態(tài)特性系數(shù)K*為：

于是，ΔP*=K*Δ f，因此可在雙饋機組功率控制環(huán)節(jié)中附加一個隨頻率變化的功率參考值，使風(fēng)電機組模擬常規(guī)機組的慣性，通過控制轉(zhuǎn)子動能以實現(xiàn)頻率控制[7]，響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化。控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 附加頻率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組功率控制框圖Fig.6 Control block diagram with frequency control added to power control in DFIG

或者在傳統(tǒng)槳距角控制中增加一個隨頻率變化的槳距角參考值，使得系統(tǒng)頻率變化時，通過控制槳葉節(jié)距來控制發(fā)電機有功，進而參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，實現(xiàn)頻率控制[8]?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)如圖7所示。

圖7 附加頻率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組槳距角控制框圖Fig.7 Control block diagram with frequency control added to pitch angle control in DFIG

綜合應(yīng)用上述兩種措施進行了系統(tǒng)頻率變化時的響應(yīng)特性仿真分析研究，增加頻率控制環(huán)節(jié)前后的系統(tǒng)頻率變化特性曲線對比如圖8所示。為了清晰看出風(fēng)電機組的調(diào)頻特性，擾動信號取為了階躍信號。可見，當(dāng)系統(tǒng)頻率波動時，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子控制和槳距角控制環(huán)節(jié)中附加頻率控制環(huán)節(jié)可有效地提高風(fēng)電場的頻率響應(yīng)能力，穩(wěn)定了系統(tǒng)頻率。

因此，當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電功率超過電網(wǎng)可為其提供的調(diào)峰極限，使得電網(wǎng)將難以平衡風(fēng)電出力而造成頻率越限時，除可采用前述儲能措施進行平衡之外，通過對風(fēng)電機組的有效控制，風(fēng)電場自身直接參與系統(tǒng)調(diào)頻，也能減少風(fēng)電不確定性對于系統(tǒng)造成的影響。

圖8 增加頻率控制環(huán)節(jié)前后的系統(tǒng)頻率特性曲線Fig.8 Curve of system frequency before and after frequency control added

3 結(jié)語

受風(fēng)能固有隨機特性的影響，風(fēng)電場有功出力的變化波動性大且沒有什么確定的變化規(guī)律。大量風(fēng)電功率注入電力網(wǎng)后，風(fēng)電出力的波動性、隨機性等不確定特性對于電力系統(tǒng)運行、頻率穩(wěn)定及經(jīng)濟調(diào)度等方面均有影響。準(zhǔn)確有效的風(fēng)電功率預(yù)測、合理適當(dāng)?shù)膬δ芤约帮L(fēng)電機組自參與調(diào)頻等措施均可有效地應(yīng)對風(fēng)電出力不確定性對于電力系統(tǒng)所造成的影響。這些措施的合理應(yīng)用，可從一定程度上解決風(fēng)電功率的不確定性，提高風(fēng)電功率的利用率、減少棄風(fēng)減發(fā)的幾率。

[1] 魏磊，張琳，姜寧，等.包含風(fēng)電的電力系統(tǒng)調(diào)峰能力計算方法探討[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，36（8）:59-63.WEI Lei，ZHANG Lin，JIANG Ning，et al.Discussion on computing methodsfor peak load regulation ability of power systemconnectedwithlarge-scalewindfarms[J].PowerSystem and Clean Energy，2010，36（8）:59-63（in Chinese）.

[2] 段忠峰，沙志成，董霜.山東地區(qū)風(fēng)電場功率特性及其負(fù)荷相關(guān)性分析[J].中國勘察設(shè)計，2012（2）:68-72.DUAN Zhong-feng， SHA Zhi-cheng， DONG Shuang.Analysis method of representative year for wind energy resource of wind farm[J].China Exploration&Design，2012（2）:68-72（in Chinese）.

[3] 林章歲，羅利群.福建省風(fēng)電出力特性及其對電網(wǎng)的影響分析[J].電力建設(shè)，2011，32（12）:18-23.LIN Zhang-sui，LUO Li-qun.Analysis of wind power output characteristicsin fujian and its impacton power grid[J].Electric Power Construction，2011，32（12）：18-23（in Chinese）.

[4] 王麗婕，廖曉鐘，高陽，等.風(fēng)電場發(fā)電功率的建模和預(yù)測研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（13）:118-121.WANG Li-jie，LIAO Xiao-zhong，GAO Yang，et al.Summarization of modeling and prediction of wind power generation[J].Power System Protection and Control，2009，37（13）:118-121（in Chinese）.

[5] 袁鐵江，晁勤，李義巖，等.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度中風(fēng)電場出力的短期預(yù)測模型[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（13）:23-27.YUAN Tie-jiang，CHAO Qin，LI Yi-yan，et al.Shortterm wind power output forecasting model for economic dispatch of power system[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（13）:23-27（in Chinese）.

[6] 關(guān)宏亮，遲永寧，王偉勝，等．雙饋變速風(fēng)電機組頻率控制的仿真研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（7）:61-65.GUAN Hong-liang，CHI Yong-ning，WANG Wei-sheng，et al.Simulation on frequency controlof doubly fed induction generator based wind turbine[J].Automation of Electric Power System，2007，31（7）:61-65（in Chinese）.

[7]JANAKA Ekanayake，NICK Jenkins.Comparison of the response of doubly-fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19（4）:800-802.

[8]HOLDSWORTH L，EKANAYAKE J B，JENKINS N.Power system frequency response from fixed speed and doubly fed induction generator-based wind turbines[J].Wind Energy，2003，7（1）:21-25.