馮琦，周毅博，桂建忠，王瑩，郭雷，王春華

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132000；2.華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東煙臺(tái)265700；3.吉林省電力有限公司電力調(diào)度控制中心，長(zhǎng)春130021）

0 引 言

頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)，其動(dòng)態(tài)行為影響著電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2004年，IEEE/CIGRE將頻率穩(wěn)定、功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定定義為電力系統(tǒng)的三大穩(wěn)定［1-2］。當(dāng)電力系統(tǒng)因擾動(dòng)產(chǎn)生不平衡功率時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)發(fā)生變化，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的有功功率缺額，其頻率將會(huì)急劇下降。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降較大時(shí)，會(huì)使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生裂紋或斷裂，使系統(tǒng)出現(xiàn)“頻率崩潰”及“電壓崩潰”的現(xiàn)象，最后可能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。因此，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是維護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)要求能源結(jié)構(gòu)從化石能源為主轉(zhuǎn)向清潔能源為主，風(fēng)能作為一種具有商業(yè)開發(fā)潛力的清潔能源，目前正得到廣泛的應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比重近年來呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。截止到2014年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到370，000 MW，同比增長(zhǎng) 16.2%［3］。但是，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組的接入會(huì)影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，表現(xiàn)在系統(tǒng)頻率方面，由于風(fēng)電功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性，在高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)下系統(tǒng)遭受的潛在的風(fēng)功率波動(dòng)量增大，降低了系統(tǒng)的頻率質(zhì)量；同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組本身并無慣性，過多的風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)會(huì)降低系統(tǒng)的慣性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生有功缺額擾動(dòng)時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)頻降超過限值，進(jìn)而引發(fā)“頻率崩潰”現(xiàn)象。

維護(hù)高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，不僅需要傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組參與一次調(diào)頻與二次調(diào)頻，而且也需要系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組也能夠參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整。同時(shí)，隨著快速儲(chǔ)能技術(shù)（ESS）的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)在維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定方面也會(huì)發(fā)揮重要作用。本文基于目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率的影響；對(duì)于含大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)頻技術(shù)進(jìn)行了介紹，其中主要包括風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻及儲(chǔ)能技術(shù)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整兩大措施。對(duì)上述所提到的內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。

1 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)頻率影響

在如今的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)主要是由火電、水電等傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，這些機(jī)組的特點(diǎn)是可以控制其發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，使系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)輸出的有功功率與負(fù)荷的有功功率能夠保持平衡，從而維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，并不能夠依據(jù)系統(tǒng)頻率變化調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸入的機(jī)械功率；且風(fēng)電機(jī)組輸出功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性也會(huì)影響系統(tǒng)有功功率的平衡。因此，大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)于系統(tǒng)頻率的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.1 風(fēng)電場(chǎng)外發(fā)生功率擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率影響

對(duì)于高風(fēng)電滲透率的系統(tǒng)，在風(fēng)電場(chǎng)外系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動(dòng)時(shí)，其系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性與系統(tǒng)中所接入的風(fēng)電機(jī)組的種類、風(fēng)電機(jī)組的控制方式等均有關(guān)系。文獻(xiàn)［4］中以法國(guó)科西嘉島的孤島系統(tǒng)為例，研究了具有大規(guī)模分布式電源的電力系統(tǒng)中發(fā)生有功缺額時(shí)的頻率變化情況并且采用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)來抑制發(fā)生有功缺額時(shí)的系統(tǒng)頻率降低。但該文獻(xiàn)沒有改變此孤島系統(tǒng)中接入的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量，因而無法體現(xiàn)出不同風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)的頻率特性。文獻(xiàn)［5］以一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)為例，通過仿真分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的接入對(duì)電力系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)的影響，最后發(fā)現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)滲透率的增加不影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性，除非其取代了傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組。同時(shí)，該文章也分析了恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接入對(duì)于系統(tǒng)頻率的影響。對(duì)于恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)頻率耦合，在發(fā)生有功缺額擾動(dòng)時(shí)會(huì)釋放轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能，對(duì)電網(wǎng)頻率有一定的支撐作用；而雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器與系統(tǒng)解耦，故其對(duì)電網(wǎng)頻率的支撐作用較弱。但是無論何種風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)其替代火電機(jī)組接入到電網(wǎng)中時(shí)，都會(huì)降低系統(tǒng)的整體慣性，不利于系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

1.2 風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響

風(fēng)電機(jī)組不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組，其輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性。隨著系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組的滲透率逐漸增大，風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)頻率的影響也會(huì)越來越顯著。文獻(xiàn)［6］通過傅里葉變換，將時(shí)域狀態(tài)下的功率波動(dòng)轉(zhuǎn)換到復(fù)頻域進(jìn)行分析，將系統(tǒng)中的火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組分別用相應(yīng)的傳遞函數(shù)表示，最后通過一個(gè)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)分析得出：當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)功率波動(dòng)占系統(tǒng)總有功功率的5%時(shí)，其系統(tǒng)頻率最大偏移為1%。但是本文中所采用的是小系統(tǒng)分析，沒有擴(kuò)展到更大的網(wǎng)絡(luò)；而且文中所采用的風(fēng)電功率波動(dòng)為正弦形式，沒有考慮波動(dòng)的隨機(jī)分量。文獻(xiàn)［7］在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，考慮了隨機(jī)的功率波動(dòng)，用功率譜密度的分析方法取代文獻(xiàn)［6］中傳遞函數(shù)來對(duì)隨機(jī)分量進(jìn)行分析，該分析方法適用于高風(fēng)電滲透率下的孤島系統(tǒng)。

從上述文獻(xiàn)的總結(jié)中可見，在高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電是系統(tǒng)的主要發(fā)電形式，過多地風(fēng)電機(jī)組代替系統(tǒng)中的火電機(jī)組會(huì)降低系統(tǒng)慣性，減少系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，同時(shí)高幅度的功率波動(dòng)幅值也會(huì)降低系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。因此，在高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)中提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，需要風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，同時(shí)在系統(tǒng)中添加儲(chǔ)能元件也會(huì)提高系統(tǒng)抗有功功率擾動(dòng)的能力。下文將對(duì)以上兩種方式參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的方法進(jìn)行研究綜述。

2 風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻控制技術(shù)

2.1 虛擬慣量控制技術(shù)

傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間存在耦合關(guān)系，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間滿足如下關(guān)系：

式中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω與電網(wǎng)頻率f之間滿足ω=2πf的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te會(huì)產(chǎn)生式（1）所示的慣性響應(yīng)來阻止系統(tǒng)頻率的快速變化。對(duì)于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器與系統(tǒng)頻率解耦，可以運(yùn)行在異步狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法為系統(tǒng)提供功率支撐。因此，目前有研究者提出虛擬慣量控制技術(shù)，即使風(fēng)電機(jī)組也具有類似于同步發(fā)電機(jī)組的慣性響應(yīng)［8-14］。該控制技術(shù)最早于文獻(xiàn)［8］中被提出，其控制框圖如圖1所示。

圖1 虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of virtual inertia control

從圖1可以看出，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組添加上述控制策略時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)頻率之間的關(guān)系為：

式中TeMPPT為最大風(fēng)功率跟蹤運(yùn)行（MPPT）方式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Tewind為系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組施加上述控制方式，在系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，其實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生慣性響應(yīng)，這與同步發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩的變化形式相似，公式（2）中的參數(shù)Kin相當(dāng)于一個(gè)虛擬的慣性時(shí)間常數(shù)，因此叫虛擬慣量控制。經(jīng)過上述變化，風(fēng)電機(jī)組也具有了一定的慣性，在系統(tǒng)頻率降低時(shí)適當(dāng)?shù)尼尫棚L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

文獻(xiàn)［9］分析了不同種類的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力，本文對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)均施加了虛擬慣量控制，比較其在系統(tǒng)發(fā)生有功缺額擾動(dòng)下慣性響應(yīng)能力。可知雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于變流器的存在，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可下調(diào)量較大，相比于恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)可提供更多的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。仿真證明對(duì)于相同容量的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在相同的有功缺額擾動(dòng)下，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的有功功率支撐量是恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的17.5倍。但該論文并沒有考慮風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制。文獻(xiàn)［10］對(duì)文獻(xiàn)［8］提出的控制方式進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，考慮了風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制等約束條件，使風(fēng)電機(jī)組具有了虛擬慣性，同時(shí)，施加了虛擬慣量控制的風(fēng)電機(jī)組具有比傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組更加快速的慣性響應(yīng)。本文還提出了一種風(fēng)電機(jī)組與傳統(tǒng)同步機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略，即利用風(fēng)電機(jī)組的快速慣性響應(yīng)特性在系統(tǒng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)率先響應(yīng)，充分利用風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中所儲(chǔ)存的動(dòng)能，以此提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

從上述的文獻(xiàn)分析可知，風(fēng)電機(jī)組添加虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制后，在系統(tǒng)發(fā)生頻率跌落時(shí)其電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生慣性響應(yīng)，釋放風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能來維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。其響應(yīng)速度較傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組快。但其電磁轉(zhuǎn)矩的變化受到風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約束條件限制，轉(zhuǎn)子釋放的動(dòng)能有限。此外，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組退出該策略時(shí)，轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)中吸收動(dòng)能，從而造成頻率的二次跌落［14］。因此，對(duì)于該控制策略的使用，還需要與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組相結(jié)合。

2.2 轉(zhuǎn)子超速控制與槳距角控制

風(fēng)電機(jī)組添加虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制技術(shù)后，在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，通過風(fēng)電機(jī)組的電磁功率Pewind發(fā)生慣性響應(yīng)來阻礙系統(tǒng)頻率進(jìn)一步變化，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，但風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率Pmwind在此過程中保持不變。對(duì)于轉(zhuǎn)子超速控制與槳距角控制技術(shù)，則是通過控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或槳距角從而控制風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率Pmwind隨著系統(tǒng)頻率的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，該控制技術(shù)類似于同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器，其控制方式屬于系統(tǒng)的一次調(diào)頻。

對(duì)于未加控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其功率輸出方式大多為最大風(fēng)功率輸出（MPPT），運(yùn)行曲線如圖2所示，根據(jù)運(yùn)行工況不同可分為四個(gè)階段，各階段的最優(yōu)風(fēng)功率與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系為［15］：

圖2 風(fēng)電機(jī)組MPPT運(yùn)行曲線Fig.2 MPPT operation curve of wind turbine generation

由圖2與式（3）可知，在最大功率跟蹤區(qū)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)風(fēng)速的大小使發(fā)電機(jī)輸出功率一直位于最大風(fēng)功率輸出曲線上，隨著風(fēng)速逐漸增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到額定值。到達(dá)功率恒定區(qū)后，風(fēng)電機(jī)組槳距角動(dòng)作，減少風(fēng)力機(jī)風(fēng)能捕獲，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率不超過限值。

轉(zhuǎn)子超速控制的原理是通過控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于最大風(fēng)功率運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組沒有運(yùn)行在最優(yōu)風(fēng)功率點(diǎn)處［16-17］。當(dāng)系統(tǒng)受到有功缺額擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)頻率下降，此時(shí)降低風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使其恢復(fù)到最大功率運(yùn)行點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率Pmwind增大，從而為系統(tǒng)提供一定的有功支撐。

槳距角控制的是根據(jù)系統(tǒng)中頻率的變化來控制風(fēng)力機(jī)葉片的槳距角，從而控制風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率大小，從而參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整［18-19］。對(duì)于風(fēng)力機(jī)，其輸出的機(jī)械功率為［20］：

式中ρ為空氣密度（kg/m3）；A為風(fēng)力機(jī)葉片掃過的面積（m2）；v是風(fēng)速（m/s）；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，表征這風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的大小，其數(shù)值與葉尖速比λ與槳距角β有關(guān)。在相同的葉尖速比下，增大風(fēng)力機(jī)葉片槳距角β，會(huì)降低該風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp進(jìn)而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率減少。文獻(xiàn)［19］提出了根據(jù)系統(tǒng)頻率變化控制風(fēng)機(jī)槳距角，進(jìn)而改變風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率來對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)整的控制策略，其控制框圖如圖3所示。

在圖3中，Δβ0為風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)所預(yù)留的槳距角大小，βr為實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中槳距角的大小，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生有功缺額擾動(dòng)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的頻降Δf計(jì)算出風(fēng)力機(jī)槳距角的減少量Δβ，從而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率增加，向系統(tǒng)中提供有功功率進(jìn)行參與系統(tǒng)頻率調(diào)整。

圖3 槳距角控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure block diagram of virtual pitch angel control

轉(zhuǎn)子超速控制與槳距角控制均是在系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率進(jìn)而改變其輸出功率來對(duì)頻率變化進(jìn)行調(diào)整，但是對(duì)于上述兩種控制策略下風(fēng)電機(jī)組輸出功率的變化過程卻各不相同，下面針對(duì)圖4風(fēng)電機(jī)組功率輸出曲線分析上述兩種控制技術(shù)在進(jìn)行系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)風(fēng)功率的變化情況。

圖4 轉(zhuǎn)子超速控制與槳距角控制功率變化過程Fig.4 Power change process under rotor over speed and pitch angel controls

圖4為風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤運(yùn)行曲線，在風(fēng)速為v1時(shí)，未加控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)風(fēng)功率點(diǎn)A點(diǎn)處，此時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ωr1，若風(fēng)電機(jī)組添加轉(zhuǎn)子超速控制后，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加至ωr2，其風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)沿風(fēng)速曲線到達(dá)B點(diǎn)；若對(duì)風(fēng)電機(jī)組施加槳距角控制后，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn)下方的C點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持ωr1不變。在系統(tǒng)發(fā)生有功缺額擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)頻率降低，此時(shí)，受轉(zhuǎn)子超速控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)從B點(diǎn)沿該風(fēng)速下的功率輸出曲線向A點(diǎn)移動(dòng)；受槳距角控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)從C點(diǎn)向正上方的最優(yōu)風(fēng)功率運(yùn)行點(diǎn)A移動(dòng)，此過程中風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率均增加，向系統(tǒng)提供有功支撐，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)正常值。

2.3 協(xié)調(diào)控制

轉(zhuǎn)子超速控制及槳距角控制均是通過改變風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率來進(jìn)行系統(tǒng)頻率調(diào)整，但由于其控制原理不同，因此上述兩種控制手段的適用情景也不盡相同。對(duì)于轉(zhuǎn)子超速控制，其通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率，響應(yīng)速度較槳距角控制快。但在運(yùn)行過程中風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要高于最大風(fēng)功率時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于額定值，此時(shí)再增加風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的超速控制則不適用［21］。而對(duì)于槳距角控制，可以實(shí)現(xiàn)全風(fēng)速的控制，可調(diào)范圍大，但是其調(diào)節(jié)原理是依靠風(fēng)力機(jī)的機(jī)械部件，響應(yīng)速度慢，且容易造成葉片的機(jī)械磨損，減少風(fēng)力機(jī)的使用壽命［22］。因此，在實(shí)際的運(yùn)行控制中，需要針對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同的運(yùn)行工況對(duì)各種控制技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

上文介紹的三種風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)中，根據(jù)不同調(diào)頻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，在發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，隨著風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)速與擾動(dòng)時(shí)間的不同，在不同情況下的最優(yōu)調(diào)頻技術(shù)選擇如圖5所示。首先依據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速的不同，在低風(fēng)速時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)子超速控制；在高風(fēng)速時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行槳距角控制，以上兩種控制手段使風(fēng)電機(jī)組為系統(tǒng)提供了一定的備用容量。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率缺額時(shí)，在擾動(dòng)發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)風(fēng)電機(jī)組采用虛擬慣量控制，使輸出功率對(duì)系統(tǒng)頻率變化做出相應(yīng)，一段時(shí)間后若擾動(dòng)仍未消除或系統(tǒng)頻率偏移超出限值時(shí)，則通過轉(zhuǎn)子超速控制或槳距角控制釋放風(fēng)電機(jī)組中儲(chǔ)存的備用容量，對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 不同運(yùn)行情況下風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)選擇Fig.5 Choice of frequency control technology under different operation conditions

國(guó)內(nèi)外對(duì)各種調(diào)頻技術(shù)協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)速與故障時(shí)間來協(xié)調(diào)控制［23-26］，例如文獻(xiàn)［23］設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組在高、中、低風(fēng)速下的調(diào)頻控制策略，并計(jì)算了各臺(tái)機(jī)組有功增量與調(diào)頻可持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系來評(píng)估系統(tǒng)中各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力。在實(shí)際運(yùn)行中依據(jù)風(fēng)電機(jī)組所處運(yùn)行風(fēng)速選擇控制策略，依照各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻能力安排各臺(tái)機(jī)組退出調(diào)頻時(shí)刻，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［24］運(yùn)用智能算法對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在調(diào)頻過程中的功率調(diào)整量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而確定每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在參與調(diào)頻過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或槳距角的變化量，對(duì)各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行頻率調(diào)整的協(xié)調(diào)控制。

3 儲(chǔ)能技術(shù)參與系統(tǒng)調(diào)頻

隨著目前儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)的成本逐漸降低，應(yīng)用更為廣泛。在含有大規(guī)模風(fēng)電的系統(tǒng)中，除了讓風(fēng)電場(chǎng)本身承擔(dān)一定的調(diào)頻任務(wù)外，通過儲(chǔ)能元件維持系統(tǒng)中有功功率的平衡，也可以提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

圖6 儲(chǔ)能元件平抑風(fēng)功率波動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of calming wind power fluctuations by using energy storage technology

圖6為儲(chǔ)能元件參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的示意圖，由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，系統(tǒng)中常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)組不能跟隨風(fēng)力發(fā)電有功出力的快速變化，因此，儲(chǔ)能技術(shù)平滑了系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，較少了系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的出力變化頻率（如圖6陰影部分所示）。目前所研究的儲(chǔ)能技術(shù)從運(yùn)行性質(zhì)上主要可分為電源側(cè)儲(chǔ)能及負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能。

3.1 電源側(cè)儲(chǔ)能

電源側(cè)儲(chǔ)能是指儲(chǔ)能元件通過與風(fēng)力發(fā)電等分布式電源結(jié)合，平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)，平滑分布式電源的功率曲線，以提高分布式電源的接入能力。在電力系統(tǒng)中，常用的快速儲(chǔ)能裝置例如電池儲(chǔ)能（鉛酸電池、液流電池）、飛輪儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能等均是電源側(cè)儲(chǔ)能［27］，其可以處于充電與放電兩種狀態(tài)，具有響應(yīng)快速，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是其目前造價(jià)仍然較高，儲(chǔ)能裝置的配置容量有限。

電源側(cè)儲(chǔ)能目前在國(guó)內(nèi)外研究較為成熟，該類儲(chǔ)能元件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是與系統(tǒng)中的可再生能源發(fā)電結(jié)合，例如風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)等，因此，目前對(duì)于此類儲(chǔ)能元件的研究主要集中在儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究上［28-33］，包括單個(gè)儲(chǔ)能元件充放電控制策略的研究以及多個(gè)儲(chǔ)能元件之間充放電協(xié)調(diào)控制策略的研究。文獻(xiàn)［28］依據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC），設(shè)定儲(chǔ)能元件在不同荷電狀態(tài)下的動(dòng)作情況，并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)有功出力的變化設(shè)定本地風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略，提高了儲(chǔ)能容量的利用效率。文獻(xiàn)［29］提出了各個(gè)儲(chǔ)能元件之間的協(xié)調(diào)控制策略。依據(jù)每個(gè)儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)確定每個(gè)儲(chǔ)能元件的充放電動(dòng)作后，再依據(jù)儲(chǔ)能元件中的剩余能量對(duì)每個(gè)儲(chǔ)能元件的充放電功率進(jìn)行分配，在所建立的分配模型中考慮了最大充放電功率的約束。

3.2 負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能

負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能是指利用系統(tǒng)中的一些特殊負(fù)荷（如電解鋁負(fù)荷），其負(fù)荷可以在一定的時(shí)間內(nèi)自由調(diào)整而不影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行。在系統(tǒng)頻率發(fā)生跌落時(shí)通過降低該類型負(fù)荷的有功功率來使頻率恢復(fù)正常值的調(diào)頻方法。由于在正常運(yùn)行情況下能量?jī)?chǔ)存在負(fù)荷中，在頻率調(diào)整過程中改變的是系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，因此該種儲(chǔ)能方式也叫做負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能。

文獻(xiàn)［34］提出了改變負(fù)荷曲線的系統(tǒng)頻率控制方法，其中本文所控制的負(fù)荷為電解鋁負(fù)荷，基于該負(fù)荷特性提出了一種系統(tǒng)頻率與該類負(fù)荷母線電壓之間的正反饋控制策略，并運(yùn)用在蒙東地區(qū)高風(fēng)電滲透率的孤立電網(wǎng)中，有效地解決了該電網(wǎng)頻率波動(dòng)性的問題。

電解鋁負(fù)荷是一種恒電流的熱蓄能負(fù)荷，其中負(fù)荷功率可以在25%的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，并可以持續(xù)運(yùn)行4小時(shí)而不損壞電解槽。其負(fù)荷的等效電路圖如圖7所示。

圖7 電解鋁負(fù)荷等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of the electrolytic aluminum load

從圖7中可見，電網(wǎng)一次側(cè)交流電壓VAH通過變壓器降壓后，再經(jīng)過整流電路形成直流電壓VB給電解鋁負(fù)荷供電，電解鋁負(fù)荷相當(dāng)于純電阻負(fù)載。電解鋁負(fù)荷的功率與其端電壓VB的關(guān)系式為：

電網(wǎng)一次側(cè)交流電壓VAH與電解鋁負(fù)荷的端電壓VB之間也可通過圖7中的橋式整流電路建立線性關(guān)系，故可通過改變電解鋁負(fù)荷母線的一次側(cè)交流電壓VAH的大小來控制電解鋁負(fù)荷PLoad的變化，即：

在建立式（6）的關(guān)系后，文獻(xiàn)［33］提出的小系統(tǒng)中系統(tǒng)有功不平衡量△P與系統(tǒng)頻率偏差△f之間的關(guān)系模型來確定系統(tǒng)頻率在變化△f時(shí)所需調(diào)節(jié)的電解鋁負(fù)荷變化量△PLoad的大小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，利用廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wams）提供的系統(tǒng)實(shí)時(shí)頻率變化數(shù)據(jù)△f來在線計(jì)算△PLoad，并依據(jù)公式（6）調(diào)節(jié)負(fù)荷母線的電壓以使電解鋁負(fù)荷在電網(wǎng)的頻率變化過程中提供功率支撐，進(jìn)而平抑系統(tǒng)中的功率波動(dòng)。

通過調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)響應(yīng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率，其可調(diào)節(jié)功率較大，動(dòng)作速率快，可以在不外加儲(chǔ)能元件的條件下在系統(tǒng)頻率降低時(shí)提供用功功率支撐，其頻率調(diào)節(jié)成本低。但負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能需受負(fù)荷種類的約束，且負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)間有限，適用于短期的系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。該類型的調(diào)頻技術(shù)可以有效的處理系統(tǒng)頻率快速下降的事件，而對(duì)于系統(tǒng)頻率上升的時(shí)間則難以應(yīng)付。

4 未來研究方向

未來的電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的消耗化石能源的火電機(jī)組將逐步被使用清潔能源的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等所取代，系統(tǒng)的風(fēng)電滲透率逐漸增高，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于維護(hù)高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)下的頻率穩(wěn)定的研究上，已經(jīng)提出了多種調(diào)頻方法，在上述的文獻(xiàn)綜述中，其調(diào)頻手段主要分為風(fēng)電機(jī)組本身參與調(diào)頻和儲(chǔ)能技術(shù)參與系統(tǒng)調(diào)頻兩種手段。針對(duì)以上兩種調(diào)頻方式，未來的研究方向也十分廣泛。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)本身參與系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外已提出多種調(diào)頻手段。在現(xiàn)有的調(diào)頻手段中，為了給系統(tǒng)提供一定的有功備用容量，均會(huì)使風(fēng)電機(jī)組處于減載運(yùn)行狀態(tài)，過多的風(fēng)電機(jī)組處于減載運(yùn)行時(shí)會(huì)造成風(fēng)能的浪費(fèi)。因此，在未來含大規(guī)模風(fēng)電的系統(tǒng)中，需要根據(jù)不統(tǒng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況設(shè)定不同的調(diào)頻備用容量及控制策略，在能保證一定的備用容量的前提下優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的減載量，同時(shí)，在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)及擾動(dòng)消除后各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略的設(shè)計(jì)也是未來研究的方向。

對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)，受儲(chǔ)能元件造價(jià)的限制，目前在電力系統(tǒng)中的配置容量有限。未來在工程上仍需研發(fā)低成本，大容量的儲(chǔ)能技術(shù)。在技術(shù)層面上，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究，除了元件自身充放電控制策略的設(shè)計(jì)與儲(chǔ)能元件間協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)的研究外，結(jié)合電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（例如Wams數(shù)據(jù)等）在線控制系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的工作狀態(tài)，會(huì)成為以后研究的熱點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)層面上，考慮儲(chǔ)能成本的儲(chǔ)能元件的容量配置，儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻的效用評(píng)估及定價(jià)補(bǔ)償方法也成為了未來研究的方向。

5 結(jié)束語

隨著系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)組逐步被風(fēng)電機(jī)組所取代，系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率增高，頻繁大幅度的風(fēng)功率波動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定；同時(shí)，系統(tǒng)中火電機(jī)組的退出降低了系統(tǒng)慣性，在發(fā)生功率不平衡擾動(dòng)時(shí)更易造成系統(tǒng)頻率超出限值。

在對(duì)高風(fēng)電滲透率的系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)主要有兩種方法，一是使系統(tǒng)中的風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻，二是利用儲(chǔ)能元件參與系統(tǒng)調(diào)頻。其中，風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略，文中總結(jié)出三種控制方法——虛擬慣量控制、轉(zhuǎn)子超速控制以及槳距角控制，但是上述三種調(diào)頻策略各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行中需要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況來進(jìn)行選擇與協(xié)調(diào)控制。對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的介紹，文中將其分成兩類，即電源側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)和負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)，其中電源側(cè)儲(chǔ)能可以吸收和釋放功率，對(duì)于頻率的上升和下降現(xiàn)象均可調(diào)節(jié)，但目前收儲(chǔ)能元件的造價(jià)限制其容量配置和效用評(píng)估需要進(jìn)一步的研究；負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能是通過暫時(shí)降低相關(guān)負(fù)荷的大小使下降的頻率恢復(fù)正常值，但是對(duì)系統(tǒng)頻率上升的事件貢獻(xiàn)不大。總之，以上兩種控制技術(shù)的使用，均可以改善電力系統(tǒng)的頻率特性，提高系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力。