烏　彤　宋金鑫　高　偉 蔡曉峰 / 沈陽華創(chuàng)風能有限公司

淺析風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應及控制策略

烏彤宋金鑫高偉 蔡曉峰 / 沈陽華創(chuàng)風能有限公司

頻率穩(wěn)定是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要保障，頻率出現(xiàn)偏移會對系統(tǒng)設備的正常運行造成嚴重影響，甚至會引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰等事故。因此，加強對風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應特性的深入了解，并對其進行具體分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。據(jù)此，本文對風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應及控制策略進行了具體分析。

風電并網(wǎng)系統(tǒng)；頻率響應；控制策略

一、基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風電場頻率響應分析

（一）基于直流潮流的風電并網(wǎng)系統(tǒng)模型簡化

1.DFIG機組模型簡化。

雙饋感應發(fā)電機組作為變速恒頻發(fā)電機組，其具有變速運行特性，可以在較大的風速范圍內(nèi)實現(xiàn)對風能的最大化利用。DFIG通過背靠背的PWM功率變換器接入電網(wǎng)，風機機械功率和系統(tǒng)電磁功率耦控制、風機轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率實現(xiàn)了解耦控制。現(xiàn)在兆瓦級的風電機組主要采用DFIG，隨著DFIG機組的大量并網(wǎng)運行，在發(fā)生風速變動較大爬坡事件時，必然會對系統(tǒng)頻率的頻率響應特性造成影響，因此對DFIG進行模型簡化，如圖1所示。

2.直流潮流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型簡化。

為了解風電場并網(wǎng)后的系統(tǒng)頻率的變化特性，在空濾頻率對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)失控分布特性的同時，忽略無功-電壓動態(tài)變化，采用基于直流潮流的頻率響應模型對有功-頻率動態(tài)變化情況進行分析。采用直流潮流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型必須滿足三個假設條件，即假設各支點電壓幅值的標幺值為1.0；忽略支路電阻、充電電容和并聯(lián)補償?shù)纫蛩?；支路兩?jié)點之間的電壓相角差很小，可以近似得sinθij≈ θi- θj。對于傳統(tǒng)潮流計算，支路模型一般采用如圖2模型進行計算。

圖1　雙饋感應發(fā)電機的簡化模型

圖2　π形支路模型示意圖

3.基于直流潮流的頻率響應模型。

根據(jù)各元件的簡化模型，能夠得到基于直流潮流的頻率響應模型。發(fā)電機組模型是各機組向網(wǎng)絡注入功率，為各機組端電壓相角。而負荷模型是各非發(fā)電機節(jié)點向網(wǎng)絡注入功率，為各非發(fā)電機節(jié)點的母線相角，從而形成基于直流潮流的頻率響應模型，如圖3所示。

圖3　基于直流潮流的頻率響應模型

（二）基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風電場頻率響應推理系統(tǒng)

1.輸入變量的確定。

模糊邏輯系統(tǒng)能夠通過給定的系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)建立相對應的非線性關(guān)系，其對參數(shù)變化的線性或非線性對象有著很強的魯棒性。對隨機或未知的輸入變量，模糊邏輯系統(tǒng)由于具有輸入和輸出的非線性映射特性，所以能夠更好地應用在風電場并網(wǎng)系統(tǒng)的多變量和非線性的復雜系統(tǒng)中。

2.模糊邏輯系統(tǒng)的組成。

模糊邏輯系統(tǒng)主要是由模糊集合論和信息處理技術(shù)結(jié)合形成的，是利用模糊概念和模糊邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)。其中常用的主要有純模糊邏輯系統(tǒng)、高木-關(guān)野模糊邏輯系統(tǒng)、具有模糊產(chǎn)生器和模糊消除器的模糊邏輯系統(tǒng)。

3.自適應模糊邏輯推理系統(tǒng)。

為了使模糊邏輯系統(tǒng)可以正確反映風電并網(wǎng)系統(tǒng)的隨機性和不確定性，引入控制器調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)對不確定項的逼近精度。可以根據(jù)系統(tǒng)的功率波動值，把系統(tǒng)分為多個類似的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的劃分根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)的實際情況來決定。

二、基于風電場-儲能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

（一）風電場儲能系統(tǒng)

1.現(xiàn)代儲能技術(shù)。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，風電并網(wǎng)系統(tǒng)利用同步發(fā)電機組提供和風電同等容量的旋轉(zhuǎn)備用會造成巨大的浪費。因為儲能系統(tǒng)具有快速響應速度和高效的能量轉(zhuǎn)換效率，在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng)，能夠有效改善風電功率的波動性，從而有利于提高發(fā)電系統(tǒng)向用戶提供用電的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)安全運行的穩(wěn)定性。并且，將儲能系統(tǒng)切實應用到風電場，既能夠抑制功率波動、縮減輸電、轉(zhuǎn)移時間，又能夠合理有效控制參與率?，F(xiàn)在使用的主要儲能方式有通過機械儲能方式、電磁儲能方式和化學儲能方式。

2.儲能系統(tǒng)接入方式。

就現(xiàn)階段儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，儲能系統(tǒng)接入風電場的方式主要分為散儲能和集中儲能兩種方式。其中分散儲能方式主要是將儲能裝置安裝到每臺風機的終端，其是以平抑單臺風機輸出功率波動為主要目標，對應配置的儲能系統(tǒng)容量和功率相對較小，能夠充分發(fā)揮儲能裝置的功率調(diào)節(jié)作用。而集中儲能方式是將儲能系統(tǒng)安裝在風電場出口母線處，其主要控制整個風電場的輸出功率。

3.儲能系統(tǒng)充放電模型。

根據(jù)風電的隨機和快速變化特性，合理利用儲能系統(tǒng)和風電場協(xié)調(diào)配合為并網(wǎng)系統(tǒng)提供調(diào)頻功能已經(jīng)成為未來發(fā)展的必然趨勢。目前適用于風電場儲能系統(tǒng)的主要有電池儲能、飛輪儲能、超導儲能和超級電容器儲能。儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)運行過程一直處于充放電不斷變化的狀態(tài)。現(xiàn)階段還沒有適用于儲能系統(tǒng)的、準確的充放電控制模型，儲能元件的剩余電量受自放電率和充放電率的影響。

（二）基于風電場-儲能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

1.風電場等效慣性時間常數(shù)對于系統(tǒng)頻率響應的影響。

傳統(tǒng)發(fā)電機組是由具有旋轉(zhuǎn)慣量的機械部件所組成的，發(fā)電機轉(zhuǎn)速與發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量之間密不可分。對于風電場并網(wǎng)系統(tǒng)，風力發(fā)電機組的出力是由風速決定的，風速的隨機變化特性不僅會使風電場的有功出力出現(xiàn)波動，還會導致風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)隨時發(fā)生變化。風力發(fā)電機組受風速大小決定切入或切出運行，這使得整個風電場的慣性常數(shù)也會隨時發(fā)生變化。

2.風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制策略。

在風電并網(wǎng)容量達到一定程度時，必須切實考慮風電場對并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應特性的影響。利用等值下垂控制系數(shù)模型，風電場參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻，微系統(tǒng)提供有功支持。但是，風電場的調(diào)頻能力會受風速的影響而導致其穩(wěn)定性降低。因此，可以充分利用儲能系統(tǒng)的快速響應特性，彌補風電場的不足，并與風電場相協(xié)調(diào)、相配合，積極參與到風電場的頻率控制中去。風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制示意圖如圖6。

圖4　風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制示意圖

三、結(jié)語

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)復雜程度的不斷提高，尤其是風電并網(wǎng)的發(fā)展，使得系統(tǒng)的不確定性和非線性迅速增加，在很大程度上很容易誘發(fā)頻率失穩(wěn)事故的發(fā)生，從而對電力系統(tǒng)的安全運行造成嚴重影響。相信在控制策略的不斷完善下，我國風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性勢必會得到有效提升。

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