谷俊和，劉建平，江　浩

(1.中國電力投資集團(tuán)公司，北京　100033；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京　100084)

Literature Review on the Influence of Wind Power on System Frequency and Frequency Regulation Technologies of Wind PowerGU Junhe1, LIU Jianping1, JIANG Hao2

(1.China Power Investment Corporation, Beijing 100033,China; 2.Department of Electrical Engineering,

Tsinghua University, Beijing 100084, China)

?

風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率影響及風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)綜述

谷俊和1，劉建平1，江浩2

(1.中國電力投資集團(tuán)公司，北京100033；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

Literature Review on the Influence of Wind Power on System Frequency and Frequency Regulation Technologies of Wind PowerGU Junhe1, LIU Jianping1, JIANG Hao2

(1.China Power Investment Corporation, Beijing 100033,China; 2.Department of Electrical Engineering,

Tsinghua University, Beijing 100084, China)

0引言

傳統(tǒng)能源經(jīng)過人類社會(huì)長久的開發(fā)和利用，目前存在兩方面的危機(jī)。其一是其儲(chǔ)量日漸枯竭。如果不能及時(shí)建立新的能源體系，嚴(yán)重的能源短缺將導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)大幅度萎縮，進(jìn)而引發(fā)全球范圍的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，甚至演變?yōu)閾屨际Ｓ嗷茉吹膽?zhàn)爭。其二是傳統(tǒng)化石能源的利用所引發(fā)的環(huán)境問題。傳統(tǒng)化石能源在燃燒時(shí)釋放的氮氧化物、硫化物等均會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅——具體包括局部影響(土地、水源污染)、地區(qū)性影響(酸雨)以及全球性影響(溫室效應(yīng))等[1]。傳統(tǒng)能源所導(dǎo)致的環(huán)境問題在我國尤為突出，其原因是我國目前的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主體，而燃煤所產(chǎn)生的大氣污染和酸沉降對(duì)環(huán)境會(huì)造成十分顯著的破壞。為解決上述兩方面的危機(jī)，需要擺脫對(duì)傳統(tǒng)化石能源的過度依賴，建立以可再生能源為核心的新的能源體系[2]。

在各種能源形式中，電能有其天然的優(yōu)勢(shì)，包括易于生產(chǎn)和輸送，使用方便，應(yīng)用廣泛等。因此，充分利用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源進(jìn)行發(fā)電，是建立以可再生能源為核心的新的能源體系中最為關(guān)鍵的一步。在現(xiàn)有的多種用于發(fā)電的可再生能源中，風(fēng)能發(fā)電最近幾年在全世界范圍得到了空前的發(fā)展[3]。而近年來，我國的風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)更是以超過100%的速度飛速增長，成為了世界范圍內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電容量增長最快的國家之一。截至2011年，我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已躍居世界首位[4]。隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的影響也日益凸顯。由于風(fēng)能的隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)電出力具有波動(dòng)性，在風(fēng)電接入比例較高時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生影響。與此同時(shí)，目前風(fēng)機(jī)一般采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制方式，無法參與系統(tǒng)頻率控制。研究風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，以及如何利用風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)頻率控制，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)來說至關(guān)重要。因此，本文對(duì)現(xiàn)有研究中風(fēng)機(jī)接入對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，以及風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。

1風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

1.1風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

文獻(xiàn)[5]以時(shí)間區(qū)間長度為標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)電波動(dòng)性分為3類，并分別討論其對(duì)系統(tǒng)頻率的影響：第一類是秒級(jí)到分鐘級(jí)的波動(dòng)，這些波動(dòng)主要影響系統(tǒng)的一次調(diào)頻(Primary Frequency Control)；第二類是分鐘級(jí)到小時(shí)級(jí)的波動(dòng)，這些波動(dòng)主要影響系統(tǒng)的二次調(diào)頻(Secondary Frequency Control)；第三類是小時(shí)級(jí)到天級(jí)的波動(dòng)，這些波動(dòng)主要影響系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃(Daily Scheduling)和機(jī)組組合(Unit Commitment)，需要結(jié)合短期風(fēng)速預(yù)測(cè)合理安排機(jī)組啟停，以保證系統(tǒng)具有充足的備用容量。文獻(xiàn)[6]則在根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)電數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)速以及風(fēng)功率輸出的頻譜特性，并利用掃頻的方法求得電力系統(tǒng)頻率對(duì)功率波動(dòng)的頻率響應(yīng)特性。根據(jù)風(fēng)功率輸出的頻譜，結(jié)合電力系統(tǒng)頻率對(duì)功率波動(dòng)的頻率響應(yīng)特性，得出如下結(jié)論：高頻的風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響會(huì)被電力系統(tǒng)的自身慣性所衰減；而低頻的風(fēng)功率波動(dòng)則可以通過AGC抑制其對(duì)系統(tǒng)的影響；對(duì)系統(tǒng)頻率影響最為顯著的是中頻的風(fēng)功率波動(dòng)(0.2～10Hz)。文獻(xiàn)[7]利用文獻(xiàn)[6]的結(jié)論，考慮系統(tǒng)頻率偏差不能超過額定頻率1%的約束條件，發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)速的功率波動(dòng)大多都是高頻的波動(dòng)，即使風(fēng)電的穿越比例達(dá)到了27.6%，系統(tǒng)頻率的波動(dòng)也不會(huì)超過額定頻率的1%。文獻(xiàn)[8]則在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，具體討論了風(fēng)電場(chǎng)不同控制策略對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，發(fā)現(xiàn)若采用最大功率追蹤的運(yùn)行方式，則風(fēng)機(jī)自身的穩(wěn)定性較好(不易發(fā)生失速)，但對(duì)系統(tǒng)頻率的影響也較大；而若采用恒轉(zhuǎn)矩的控制方式，則可以減小對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速度波動(dòng)較大。

為研究變速恒頻機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)頻率的影響，文獻(xiàn)[9]對(duì)過去僅采用穩(wěn)態(tài)模型和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行頻率偏差評(píng)估的方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了綜合考慮直流潮流，發(fā)電機(jī)及其調(diào)速器的動(dòng)態(tài)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)頻率定義評(píng)估模型。文獻(xiàn)[10]則基于文獻(xiàn)[9]的模型，評(píng)估了并網(wǎng)風(fēng)電對(duì)主要負(fù)荷或傳輸節(jié)點(diǎn)頻率造成的影響，評(píng)估中考慮了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及發(fā)電機(jī)和調(diào)速器的動(dòng)態(tài)特性等因素，能夠適用于多風(fēng)電輸入及多節(jié)點(diǎn)頻率輸出的評(píng)估。

1.2風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中廣泛采用了電力電子裝置。按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)以及控制方法的不同，一般可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為以下4種[11]：恒速恒頻異步風(fēng)機(jī)(Type 1型)、變轉(zhuǎn)子電阻型異步風(fēng)機(jī)(Type 2型)、雙饋異步風(fēng)機(jī)(Type 3型，Doubly Fed Induction Generator，DFIG)和永磁同步風(fēng)機(jī)(Type 4型，Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)。與傳統(tǒng)的同步電機(jī)相比，Type 1和Type 2型風(fēng)機(jī)的慣量較小，同時(shí)由于機(jī)組為異步機(jī)，與電網(wǎng)耦合較弱，因此在系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，其所能提供的有功支撐幅度較小，且響應(yīng)較慢。而目前得到廣泛應(yīng)用的Type 3和Type 4型風(fēng)機(jī)，由于采用了電力電子裝置與電網(wǎng)進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)有功-無功解耦控制，但其在系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，無法向系統(tǒng)提供有功支撐。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]以愛爾蘭電網(wǎng)為例，分析了隨著恒速恒頻異步風(fēng)機(jī)和DFIG接入比例的增加，會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)后系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)(Frequency Nadir)降低，同時(shí)系統(tǒng)初始頻率變化率(Rate Of Change of Frequency， ROCOF)也會(huì)增加。DFIG對(duì)頻率最低點(diǎn)的影響要明顯大于恒速風(fēng)機(jī)，但二者對(duì)ROCOF的影響幾乎沒有差別，都無法及時(shí)提供有功支撐。文獻(xiàn)[14]利用考慮備用容量的調(diào)度模型，研究了愛爾蘭電網(wǎng)在不同風(fēng)電接入比例以及不同HVDC交換功率下，系統(tǒng)ROCOF以及頻率最低點(diǎn)的變化情況。結(jié)論是風(fēng)電接入比例的增加對(duì)系統(tǒng)的頻率控制提出了更高的要求。文獻(xiàn)[15]則考慮了風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)慣量的影響，分析了系統(tǒng)慣量的累積分布函數(shù)，以及系統(tǒng)慣量在一年中的變化情況。發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)電接入比例的增加，系統(tǒng)慣量明顯降低，同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，ROCOF會(huì)越過安全閾值。

1.3小結(jié)

由以上兩部分的分析可知，風(fēng)電接入比例增加會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生顯著影響。從風(fēng)能本身的波動(dòng)性方面來說，對(duì)系統(tǒng)頻率影響最為顯著的是其中的中頻波動(dòng)分量(0.2～10Hz)。從風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面來說，由于Type 3和Type 4風(fēng)機(jī)采用電力電子裝置，與電網(wǎng)耦合特性較弱。隨著風(fēng)電接入比例的增加，會(huì)顯著地影響系統(tǒng)慣性，進(jìn)而影響系統(tǒng)頻率最低值。因此，需要考慮如何利用風(fēng)機(jī)自身參與系統(tǒng)調(diào)頻，以解決風(fēng)電接入后系統(tǒng)的頻率問題。

北斗/GPS定位模塊選擇u-blox公司的NEO-M8模塊,該模塊支持GPS/QZSS、GLONASS和北斗定位[19-20],其部分原理圖如圖6所示。

2風(fēng)電參與調(diào)頻控制技術(shù)

電力系統(tǒng)的頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)。保證頻率位于額定值附近，防止頻率的劇烈變化，是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要條件。根據(jù)時(shí)間尺度和控制目標(biāo)的不同，一般把頻率控制分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。其中，一次調(diào)頻和頻率穩(wěn)定密切相關(guān)，二次調(diào)頻在于消除頻率偏差，而三次調(diào)頻主要關(guān)注的系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文主要介紹風(fēng)電參與一次和二次調(diào)頻的研究情況。

2.1風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻控制技術(shù)

Type 3型風(fēng)機(jī)(DFIG)與Type 1和Type 2型風(fēng)機(jī)相比，由于采用了電力電子裝置和解耦控制技術(shù)，具有調(diào)速范圍更廣，控制更為靈活的特點(diǎn)。而與Type 4型風(fēng)機(jī)相比，由于變流器容量只有風(fēng)機(jī)容量的三分之一左右，成本相對(duì)較低。因此Type 3型風(fēng)機(jī)目前得到了廣泛應(yīng)用。但DFIG一般采用的是MPPT控制，在無附加控制的情況下，無法根據(jù)系統(tǒng)頻率變化提供有功支撐。如何合理地設(shè)計(jì)附加控制利用DFIG參與系統(tǒng)調(diào)頻，是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)反饋信號(hào)以及控制器的不同，可將DFIG參與一次調(diào)頻的附加控制器分為慣性控制、下垂控制(或稱比例控制)以及階躍控制，下文將分別進(jìn)行討論。

2.1.1慣性控制

圖1　慣性控制示意圖

2.1.2下垂控制(比例控制)

下垂控制借鑒的是傳統(tǒng)同步電機(jī)中的調(diào)速器的控制思想，以系統(tǒng)頻率偏差df作為反饋信號(hào)，經(jīng)過比例放大等環(huán)節(jié)，從而產(chǎn)生功率或轉(zhuǎn)矩附加控制信號(hào)，如圖2所示。Lopes等在文獻(xiàn)[19]中提出了風(fēng)機(jī)的下垂控制器，若風(fēng)機(jī)在高風(fēng)速時(shí)參與調(diào)頻，則還可以通過調(diào)整槳距角以增加風(fēng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，從而減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降。文獻(xiàn)[20]則根據(jù)風(fēng)速的不同，分別對(duì)低、中、高3種風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)控制模式進(jìn)行了探討，同時(shí)采用的是與風(fēng)機(jī)當(dāng)前減載量相關(guān)的自適應(yīng)下垂控制。孫元章等在文獻(xiàn)[21]中同樣對(duì)3種不同區(qū)間風(fēng)速下風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻進(jìn)行了討論，并根據(jù)風(fēng)速的不同提出了超速與變槳相互協(xié)調(diào)的頻率控制方法。

圖2　下垂控制(比例控制)示意圖

由于反饋信號(hào)的不同，慣性控制和下垂控制各有優(yōu)劣。慣性控制的反饋信號(hào)是頻率變化率，因此其在擾動(dòng)發(fā)生的初始時(shí)刻可以提供較大的有功支撐。而與慣性控制相比，下垂控制附加信號(hào)與頻率偏差相關(guān)，因此其能在頻率最低點(diǎn)附近進(jìn)行較強(qiáng)支撐，但控制速度比慣性控制慢。很多文獻(xiàn)將二者結(jié)合起來以設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制器。Ferreira等在文獻(xiàn)[22]中設(shè)計(jì)了慣性控制和下垂控制共同作用的風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制器。邱家駒等在文獻(xiàn)[23]中提出了與文獻(xiàn)[18]相類似的風(fēng)機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)組協(xié)調(diào)控制的方法，其中風(fēng)機(jī)采用的是慣性控制和下垂控制相結(jié)合的控制器。吳政球等在文獻(xiàn)[24]中，比較了慣性控制和比例控制在控制效果和對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響的區(qū)別，提出了根據(jù)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)切換慣性控制和比例控制具體策略以避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子失速。文獻(xiàn)[25]則指出，若在兩種控制相結(jié)合的控制器中采用固定的下垂系數(shù)，可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子失速，在此基礎(chǔ)上給出了基于當(dāng)前風(fēng)機(jī)備用容量和當(dāng)前風(fēng)速的自適應(yīng)下垂系數(shù)調(diào)整方法。文獻(xiàn)[26]中在設(shè)計(jì)控制器時(shí)考慮了風(fēng)機(jī)的初始運(yùn)行點(diǎn)，以及風(fēng)機(jī)出力變化率的限制，并比較了不同出力變化率限值對(duì)風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制效果的影響。

2.1.3階躍控制

以上兩種控制仍然借鑒的是傳統(tǒng)同步電機(jī)控制的思路。事實(shí)上，由于DFIG采用了電力電子裝置，可以在短時(shí)間內(nèi)增加輸出功率至允許輸出功率的上限。由于該類型控制器在系統(tǒng)頻率變化時(shí)，會(huì)瞬間增加風(fēng)機(jī)的功率輸出，因此又稱階躍控制。與前兩種控制方法相比，該控制器可以使風(fēng)機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi)將功率出力值提升至上限。

Ullah等在文獻(xiàn)[27]中分析了不同風(fēng)速情況下風(fēng)機(jī)的功率支撐能力，結(jié)論是風(fēng)機(jī)在任何風(fēng)速下都能提供時(shí)長為10s，幅值為0.1p.u.的功率支撐，并根據(jù)這一結(jié)論設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)調(diào)頻階躍控制器，仿真含風(fēng)電的Hydro-Québec系統(tǒng)，證明了該控制策略的有效性。Ooi等在文獻(xiàn)[28]中考慮了階躍調(diào)頻控制器對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響，避免由于風(fēng)機(jī)提供功率支撐而造成的轉(zhuǎn)子失速。為了避免風(fēng)機(jī)同時(shí)降低有功輸出對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生二次沖擊，階躍調(diào)頻控制器并不是在頻率恢復(fù)后瞬間減小風(fēng)機(jī)的有功出力，而是將功率在30s內(nèi)由最大允許輸出值Pmax逐漸減小至MPPT的功率值。文中的仿真算例為水電和風(fēng)電組成的小系統(tǒng)，通過仿真還發(fā)現(xiàn)若風(fēng)電功率支撐太快太強(qiáng)，會(huì)造成水電機(jī)組調(diào)速器動(dòng)作幅度過小，反而會(huì)對(duì)頻率控制產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)[29]中為解決階躍控制導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組同時(shí)降低出力從而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的二次沖擊問題，以風(fēng)電場(chǎng)提供最大的有功出力為目標(biāo)，同時(shí)考慮風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)的約束，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組時(shí)序協(xié)同控制策略。

需要注意的是，階躍控制能使風(fēng)電機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)提供大量有功支撐，但同時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的迅速下降，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失速；此外，若控制策略不當(dāng)，在電網(wǎng)頻率恢復(fù)時(shí)風(fēng)電機(jī)組集體退出調(diào)頻也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成二次沖擊。如何協(xié)調(diào)各風(fēng)電機(jī)組之間甚至各風(fēng)電場(chǎng)之間的控制策略，仍然有待進(jìn)一步的研究。

2.2風(fēng)機(jī)參與二次調(diào)頻控制技術(shù)

在風(fēng)電發(fā)展的初期，由于其總?cè)萘坎淮?，因此一般將風(fēng)電作為“負(fù)”的負(fù)荷出力，其波動(dòng)性完全依靠系統(tǒng)中傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)節(jié)作用(主要是熱備用)進(jìn)行平抑。然而隨著風(fēng)電接入功率的增加，單獨(dú)依靠傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)節(jié)作用將無法完全平抑風(fēng)電的功率波動(dòng)，因此要求風(fēng)電場(chǎng)也能接收系統(tǒng)AGC指令，參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。

由于風(fēng)機(jī)一般運(yùn)行在MPPT模式，因此在二次調(diào)頻中風(fēng)機(jī)一般只具備向下調(diào)節(jié)的能力。與一次調(diào)頻有所不同，二次調(diào)頻需要長時(shí)間的功率輸出。因此如果想發(fā)揮風(fēng)機(jī)上調(diào)的能力，則需要風(fēng)機(jī)工作在減載運(yùn)行(Deloading)的狀態(tài)。對(duì)Type 3型風(fēng)機(jī)而言，目前減載的主要方法包括超速法和變槳法[21]，二者分別通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角達(dá)到減載的目的，其對(duì)比如表1所示。

表1　風(fēng)機(jī)參與二次調(diào)頻的超速法和變槳法比較

文獻(xiàn)[30]中考慮如何使風(fēng)電場(chǎng)的有功和無功出力最大化地匹配電網(wǎng)調(diào)度員下發(fā)的有功和無功指令。文獻(xiàn)[31]考慮了不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的控制策略，使風(fēng)機(jī)能像傳統(tǒng)機(jī)組一樣，接受AGC系統(tǒng)的調(diào)度指令，參與系統(tǒng)二次調(diào)頻。然而需要指出的是，對(duì)大型互聯(lián)電網(wǎng)而言，由于備用容量一般較為充足，同時(shí)考慮到風(fēng)機(jī)參與二次調(diào)頻需要進(jìn)行減載，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及受風(fēng)速影響，風(fēng)電場(chǎng)可信容量一般較低。因此，在一般情況下并不需要全部風(fēng)機(jī)均參與二次調(diào)頻。然而對(duì)于風(fēng)電接入比例較高的電力系統(tǒng)，需要考慮進(jìn)行風(fēng)電功率平滑控制及適當(dāng)進(jìn)行風(fēng)電減載運(yùn)行，以減輕系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。

3總結(jié)與展望

隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電接入比例的不斷增加，風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響也日益凸顯。本文主要總結(jié)了兩方面內(nèi)容，即風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響，以及如何設(shè)計(jì)附加控制器使風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻，主要是一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。前者是風(fēng)電接入給電力系統(tǒng)帶來的問題，而后者則是利用風(fēng)機(jī)本身對(duì)該問題加以解決。相信隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)可接納的可再生能源的比例會(huì)越來越高，能源問題也會(huì)得到相對(duì)完善的解決。

參考文獻(xiàn)

[1]霍雅勒．化石能源的環(huán)境影響及其政策選擇[J]． 中國能源，2000，23(5)：17-21．

[2]江澤民．對(duì)中國能源問題的思考[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(3):345-359．

[3]World Wind Energy Association．World Wind Energy Report 2010[EB/OL]． [2011-04-08]．http://www.wwindea.org/home/images/stories/pdfs/worldwindenergyreport2010_c.pdf.

[4]李俊峰．2012中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[R]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2013．

[5]Parsons B，Milligan M，Zavadil B．Grid impacts of wind power: a summary of recent studies in the United States [J]. Wind Energy,2004，7(2)：87-108．

[6]Banakar H，Luo C L，Ooi B T．Impacts of wind power minute-to-minute variations on power system operation [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2008，23(1)：150-160．

[7]Luo C L，F(xiàn)ar H G，Banakar H．Estimation of wind penetration as limited by frequency deviation [J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2007， 22(3)：783-791．

[8]Luo C L，F(xiàn)ar H G，Banakar H． Strategies to smooth wind power fluctuations of wind turbine generator [J]．IEEE Transactions on Energy Conversion,2007， 22(2)：341-349．

[9]Lin J，Li G J，Sun Y Z．A dynamic model to evaluate the node frequency deviation caused by wind power fluctuation [C]．Proceedings of International Conference on UHV Transmission．Beijing：2009．

[10]林今， 孫元章，李國杰，黎雄．采用變速恒頻機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)有功功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率影響的動(dòng)態(tài)評(píng)估模型[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010，30(2)：14-18．

[11]Akhmatov V．Analysis of dynamic behaviour of electric power systems with large amount of wind power [D]．Denmark：DTU．2003．

[12]Lalor G，Mullane A，O’Malley M． Frequency control and wind turbine technologies [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2005，20(4)：1905-1913．

[13]Doherty R，Mullane A，Nolan G．An assessment of the impact of wind generation on system frequency control [J]．IEEE Transactions on Power Systems, 2010，25(1)：452-460．

[14]Ruttledge L，Miller N W，O’Sullivan J，F(xiàn)lynn D．Frequency response of power systems with variable speed wind turbines [J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy,2012，4(3)：683-691．

[15]Ekanayake J，Jenkins N．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．

[16]關(guān)宏亮，遲永寧，王偉勝，等．雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組頻率控制的仿真研究[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007，31(7)：61-65．

[18]Mauricio J M，Marano A，Gómez-Expósito A，et al．Frequency regulation contribution through variable-speed wind energy conversion systems [J] ．IEEE Transactions on Power Systems,2009， 24(1)：173-180．

[19]Almeida R G，Lopes J A．Participation of doubly fed induction wind generators in system frequency regulation [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2007，22(3)：944-950．

[20]Chang-Chien L R，Lin W T，Yin Y C．Enhancing frequency response control by DFIGs in the high wind penetrated power systems [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2011，26(2)：710-718．

[21]張昭遂，孫元章，李國杰，等．超速與變槳協(xié)調(diào)的雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011，35(17)：20-25．

[22]Morren J，Haan S W H，Kling W L，F(xiàn)erreira J A．Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2006，21(1)：433-434．

[23]曹軍，王虹富，邱家駒．變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009，33(13)：78-82．

[24]鄒賢求，吳政球，陳波，等．變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略的改進(jìn)[J]． 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011，23(3)：63-68．

[25]Vidyanandan K V，Senroy N．Primary frequency regulation by deloaded wind turbines using variable droop [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2013， 28(2)：837-846．

[26]Wang Y，Delille G，Bayem H，et al．High wind power penetration in isolated power systems—assessment of wind inertial and primary frequency responses [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2013，28(3)：2412-2420．

[27]Ullah N R，Thiringer T，Karlsson D．Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines—potential and applications [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2008，23(2)：601-612．

[28]Keung P K，Li P，Banakar H，Ooi B T．Kinetic energy of wind-turbine generators for system frequency support [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2009，24(1)：279-287．

[29]何成明，王洪濤，孫華東，陳得志．變速風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻特性分析及風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序協(xié)同控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013，37(9)：1-6．

[30]Almeida R G，Castronuovo E D，Lopes J A．Optimum generation control in wind parks when carrying out system operator requests [J]．IEEE Transactions on Power Systems,2006，21(2)：718-725．

[31]Chang-Chien L R，Yin Y C．Strategies for Operating Wind Power in a Similar Manner of Conventional Power Plant [J]．IEEE Transactions on Energy Conversion,2009，24(4)：926-934．

谷俊和(1961—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，E-mail:gujunhe@gmail.com；

劉建平(1965—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，E-mail:liujianping@gmail.com；

江浩(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，E-mail:h-jiang10@mails.tsinghua.edu.cn。

(責(zé)任編輯：林海文)

摘要：隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電接入比例的不斷提高，風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響日益凸顯。風(fēng)電的一個(gè)典型特點(diǎn)是風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電本身出力的波動(dòng)性，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)的頻率造成影響。本文從風(fēng)電本身的波動(dòng)性及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的特殊性兩方面，對(duì)已有研究進(jìn)行綜述，闡述風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻(主要是一次調(diào)頻和二次調(diào)頻)的具體方法進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；頻率；頻率控制；一次調(diào)頻；二次調(diào)頻

Abstract：Renewable energy, especially wind energy, has developed rapidly in recent years, which will substitute the conventional fossil fuel energy. The impacts of wind power on power system become more and more evident with the increasing percentage of wind power in power systems. The stochastic and intermittent properties of wind energy cause the wind power fluctuation, which further impact system frequency. In this paper, the current research on the impacts of wind power on power systems are reviewed from following two aspects, the fluctuation of wind power and the particularity of equipments of wind generation. Based on this, the detail approaches for regulating system frequency, mainly primary and secondary frequency regulation, are concluded.

Keywords：wind power; frequency; frequency control；primary frequecy regulation;secondary frequency regulation

作者簡介：

收稿日期：2014-05-05

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2012AA050218,2014AA051901);國家自然科學(xué)基金(51207077，51261130472)；中國-丹麥可再生能源發(fā)展項(xiàng)目(2014DFG62670)

文章編號(hào)：1007-2322(2015)01-0046-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM761