劉洪波，彭曉宇，張 崇，張書鈺

（東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人民的生產(chǎn)生活與能源之間的關(guān)系變得更加密不可分，如今日益嚴(yán)重的能源危機(jī)使得大力開發(fā)利用可再生能源迫在眉睫。近年來，可再生能源發(fā)電技術(shù)被廣泛重視，根據(jù)《國家能源局2021年一季度網(wǎng)上新聞發(fā)布會文字實(shí)錄》［1］，截至2020 年底，全國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量為9.34×108kW，占全部電力裝機(jī)的42.4%。而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)電中最具競爭力、發(fā)展最快的發(fā)電技術(shù)，目前其突出特點(diǎn)在于成本較低并且技術(shù)成熟，可以大規(guī)模開發(fā)利用［2］。2017年，世界風(fēng)電公司排名第一的丹麥維斯塔斯集團(tuán)曾宣布，將聯(lián)合澳大利亞可再生能源公司W(wǎng)indlab 建設(shè)世界首個(gè)公用事業(yè)級風(fēng)光儲綜合利用并網(wǎng)項(xiàng)目［3］；2019 年，針對“三北”高風(fēng)速地區(qū)，世界風(fēng)電公司排名第二的我國金風(fēng)科技公司率先推出應(yīng)對平價(jià)上網(wǎng)的智能風(fēng)電機(jī)組［4］。截至2020 年底，全國風(fēng)電裝機(jī)為2.81×108kW，風(fēng)電發(fā)電量為4.665×1011kW·h，占全部發(fā)電量的6.3%。雖然風(fēng)電具有其獨(dú)特優(yōu)勢，但風(fēng)力發(fā)電也會對電網(wǎng)產(chǎn)生一些“副作用”，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速等氣候條件變化強(qiáng)相關(guān)，因此具有間歇性和隨機(jī)性［5］，由電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率增大所引發(fā)的動態(tài)頻率問題廣受關(guān)注［6］。

本文以風(fēng)電行業(yè)中最常用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（Doubly-Fed Induction Generator）和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG（Permanent Magnetic Synchronous Generator）這2 類變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型為例進(jìn)行風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻控制策略的研究。風(fēng)電機(jī)組通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組無法響應(yīng)頻率變化［7-8］。若大規(guī)模風(fēng)電場并入電網(wǎng)，則本地常規(guī)機(jī)組被風(fēng)機(jī)取代后會導(dǎo)致系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量降低，調(diào)頻能力缺失，使得整個(gè)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性隨之降低［9］。此外，風(fēng)電機(jī)組在控制靈活度、響應(yīng)速度等方面都優(yōu)于常規(guī)火電機(jī)組，但風(fēng)電機(jī)組通常運(yùn)行于最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）模式，風(fēng)電機(jī)組無法提供額外的有功功率快速響應(yīng)和支撐系統(tǒng)頻率變化。

為充分利用風(fēng)力資源為人類服務(wù)，同時(shí)不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略進(jìn)行詳細(xì)的研究。本文首先梳理了風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻所存在的關(guān)鍵問題，其次針對問題分別從風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子超速控制、槳距角控制、虛擬慣量綜合控制、虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG（Virtual Synchronous Generator）控制以及儲能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制這4 個(gè)方面詳細(xì)分析各種風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)的原理、適用范圍、優(yōu)勢、不足和各技術(shù)的發(fā)展趨勢，并基于上述控制分析各控制策略的組合方式；然后分析在風(fēng)電場層面風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻所關(guān)心的問題；最后對風(fēng)電參與電力系統(tǒng)調(diào)頻未來可關(guān)注的問題進(jìn)行了展望。

1 風(fēng)電調(diào)頻關(guān)鍵問題及相關(guān)頻率事故簡析

1.1 系統(tǒng)慣量降低及一次調(diào)頻能力減弱

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的方式主要有以下2 種：慣性響應(yīng)與一次調(diào)頻。慣性響應(yīng)是機(jī)組對系統(tǒng)頻率突然變化所做出的自然反應(yīng)，利用渦輪和發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動能，保持電力需求和機(jī)械輸出之間的平衡，使得機(jī)組速度穩(wěn)定在新的同步速度。目前的電力市場環(huán)境下，電網(wǎng)中風(fēng)電機(jī)組的規(guī)?；尤雽嬉徊糠謧鹘y(tǒng)發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)變流器并網(wǎng)，使得系統(tǒng)慣量水平降低，并且其有功出力無法主動響應(yīng)頻率變化，以至于對頻率穩(wěn)定造成惡性影響［10］。因此，盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身具有慣量，存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，能夠儲存動能，但由于風(fēng)電機(jī)組的電力電子接口使電網(wǎng)頻率屏蔽因電力電子設(shè)備快速響應(yīng)而產(chǎn)生的任何變化，所以它們無法對頻率變化做出自然反應(yīng)［11］。2018 年12 月29 日，全國電網(wǎng)運(yùn)行與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會針對國家標(biāo)準(zhǔn)《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》征求意見，其中包含風(fēng)電場站一次調(diào)頻上升時(shí)間不大于15 s，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于20 s的規(guī)定。2020年7月1日施行的國家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》［12］中要求風(fēng)電場應(yīng)該具有一次調(diào)頻能力并且一次調(diào)頻的優(yōu)先級應(yīng)高于自動發(fā)電控制。

無論是南澳的“9·28”大停電事故［13］還是英國的“8·9”大停電事故［14-15］，均是由于電網(wǎng)中風(fēng)電等新能源的占比較高，尤其是南澳的風(fēng)、光發(fā)電占比接近于50%，導(dǎo)致系統(tǒng)的慣量短缺，而火電機(jī)組缺少足夠調(diào)頻時(shí)間，誘發(fā)了后續(xù)的一系列故障。

1.2 系統(tǒng)有功備用需求增加

由于風(fēng)電的隨機(jī)性和波動性，系統(tǒng)對于機(jī)組調(diào)節(jié)能力及備用容量的要求逐漸提高，若要消納大規(guī)模風(fēng)電和降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，維持系統(tǒng)具有足夠的旋轉(zhuǎn)備用是重要途徑之一［16-17］。加拿大魁北克電網(wǎng)要求額定容量為10 MW 以上的風(fēng)電場在頻率偏差較大時(shí)提供輔助調(diào)頻服務(wù)，如快速提供持續(xù)10 s 至少5%的備用容量［18］。

為應(yīng)對隨機(jī)負(fù)載變化，傳統(tǒng)電網(wǎng)利用同步發(fā)電機(jī)提供電力儲備，然而近年來，隨著電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率的不斷提高以及風(fēng)電出力的波動，要求風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備類似于同步發(fā)電機(jī)組的功率儲備能力，快速響應(yīng)由擾動和故障所引起的功率不平衡和頻率變化。當(dāng)DFIG 運(yùn)行于MPPT 模式時(shí)，其沒有功率備用，無法向上調(diào)節(jié)功率。若風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，勢必要在有功備用上限與下限之間做好均衡，儲備功率使其具有雙向調(diào)頻能力［19］。

若系統(tǒng)的備用容量不足，系統(tǒng)將不能承受任何的“風(fēng)吹草動”，可能重演“臺灣8·15 大停電”的悲劇。2017 年8 月15 日，臺灣發(fā)生史上最大規(guī)模的停電事故，導(dǎo)致電網(wǎng)瞬時(shí)損失約4.2×106kW 的供電，被“無預(yù)警”停電民眾約690 萬戶。此次事故表面上是人為誤操作所致，實(shí)際卻是由于電力供應(yīng)緊張。這是因?yàn)檫m用于臺灣電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的旋轉(zhuǎn)備用率應(yīng)大于7%，而當(dāng)年8 月臺灣電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用率小于3%，遠(yuǎn)不符合電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求［20］。

針對上述風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻所存在的關(guān)鍵問題，學(xué)者們展開了豐富的研究。下面將簡要分析與總結(jié)在風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場層面學(xué)者們所研究的控制策略。

2 風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略

目前，風(fēng)電機(jī)組主要采用的調(diào)頻方式有2 種。一種是針對風(fēng)電機(jī)組本身的控制方式，另一種是風(fēng)電與儲能系統(tǒng)相結(jié)合的方式，具體如圖1所示。

圖1 風(fēng)電調(diào)頻控制方式Fig.1 Frequency regulation control mode of wind power

2.1 轉(zhuǎn)子超速控制

通常將轉(zhuǎn)子超速控制與槳距角控制統(tǒng)稱為功率備用控制。針對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于MPPT 模式無備用容量的問題，轉(zhuǎn)子超速控制令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行于非MPPT 曲線的另一次優(yōu)點(diǎn)，MPPT 曲線右移，從而使機(jī)組保留一部分的有功備用，以實(shí)現(xiàn)減載，因此也可稱為超速減載方式。

風(fēng)電機(jī)組輸出的機(jī)械功率Pm為：

式中：ρ為空氣密度；S為葉片掃過的面積；CP(λ，β)為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，它是關(guān)于葉尖速比λ與槳距角β的函數(shù)，其中λ為風(fēng)力機(jī)葉片的尖端速度與風(fēng)速的比值，其表達(dá)式如式（2）所示［21］；v為風(fēng)速。

式中：ωr為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；r為風(fēng)力機(jī)半徑。則由式（1）和式（2）可知，在一定的風(fēng)速下，氣象條件變化不大時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率僅由CP決定，某風(fēng)電機(jī)組的CP(λ，β)曲線如圖2所示。

圖2 CP（λ，β）特性曲線Fig.2 Characteristic curves of CP（λ，β）

由圖2 和式（2）可以看出：如果β保持不變，就存在一個(gè)最大的λ值使得風(fēng)機(jī)獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)CPopt進(jìn)而得到最優(yōu)功率；若v發(fā)生變化，只需調(diào)節(jié)ωr使λ保持不變，就能獲得在不同風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)MPPT 曲線［22］。如果采用MPPT 運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生正頻差事件時(shí)風(fēng)機(jī)可以做出響應(yīng)，但發(fā)生負(fù)頻差事件時(shí)，由于難以提供額外的功率則無法參與調(diào)頻，所以必將進(jìn)行減載備用［23］。當(dāng)采用轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行進(jìn)行減載即采用次優(yōu)功率跟蹤方式時(shí)，定義Pdel為有功功率的減載比例，其表達(dá)式為［24］：

式中：Pde、Popt分別為對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的次優(yōu)功率和最優(yōu)功率。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速存在極限，因此文獻(xiàn)［23，25］采用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制時(shí)只考慮了中低風(fēng)速下的情況。文獻(xiàn)［23］采用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制策略，研究了DFIG 在長周期持續(xù)頻率擾動情況下的調(diào)頻能力和效果，同時(shí)也驗(yàn)證了若要預(yù)留功率獲得可向上調(diào)頻功率則會壓縮可向下調(diào)頻功率。文獻(xiàn)［25］提出的變減載率超速控制方法既減少了超速控制成本，又改善了微電網(wǎng)頻率動態(tài)偏差。

在云南的老青山、云臺山等不同地區(qū)，處于多個(gè)復(fù)雜山地地形的風(fēng)電場、幾百臺不同機(jī)型機(jī)組長期現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐表明超速控制對機(jī)組安全運(yùn)行和提高發(fā)電量意義重大［26］，因此，采用合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子超速控制雖然不適用于高風(fēng)速，但是在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都可以應(yīng)用，并且它不需要轉(zhuǎn)動機(jī)械構(gòu)件，所以響應(yīng)頻率變化速度快。為避免風(fēng)機(jī)遭到損壞，當(dāng)風(fēng)速超過閾值時(shí)，需與其他控制方式協(xié)同以保證機(jī)組正常運(yùn)行。

2.2 槳距角控制

由2.1 節(jié)可知，CP(λ，β)為關(guān)于葉尖速比λ與槳距角β的函數(shù)，當(dāng)β不變時(shí)，通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)而可改變?nèi)~尖速比進(jìn)行超速減載控制。同樣地，當(dāng)λ保持不變時(shí)，可以通過改變β的大小使風(fēng)機(jī)吸收的機(jī)械功率增大或減小。由圖2 可以看出，對于同一λ，β值越大則吸收的能量越小，風(fēng)機(jī)運(yùn)行將偏離MPPT曲線，實(shí)現(xiàn)減載備用。

將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域［27-28］分為五部分，關(guān)注的風(fēng)速通常有以下3 個(gè)：切入風(fēng)速vin、額定風(fēng)速ve和切出風(fēng)速vout。①啟動區(qū)。v∈[0，vin)，風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)斷開。②CP恒定區(qū)。v∈[vin，ve)，機(jī)組隨風(fēng)速變化采用低于額定轉(zhuǎn)速的變速運(yùn)行，此時(shí)的槳距角保持在0°。③轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。風(fēng)速未達(dá)到額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速控制使機(jī)組始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，無需調(diào)節(jié)槳距角。④功率恒定區(qū)。v∈[ve，vout)，隨著風(fēng)速的增加，需引入槳距角控制使輸出功率不超過額定功率。⑤保護(hù)區(qū)。v∈[vout，+∞)，槳距角調(diào)整為90°，風(fēng)電系統(tǒng)不工作。正常情況下，槳距角控制的轉(zhuǎn)速目標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速［29］，并且槳距角控制調(diào)節(jié)范圍很廣，可實(shí)現(xiàn)全風(fēng)速段的控制。

槳距角控制在頻率調(diào)節(jié)過程中的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示［30］，槳距角β與電網(wǎng)頻率f呈正相關(guān)。對于槳距角控制器，傳統(tǒng)控制器采用比例-積分-微分（PID）控制技術(shù)，數(shù)年來研究頗多的改進(jìn)方法是將模糊控制算法與PID 控制相結(jié)合［31-32］，目前，文獻(xiàn)［33-35］還提出了將自適應(yīng)模糊控制算法與PID 控制相結(jié)合，使得控制系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，可靠性、精度更高，更靈活。未來，將有望繼續(xù)開發(fā)新的算法技術(shù)改進(jìn)控制方法，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。

圖3 槳距角控制基本框圖Fig.3 Basic block diagram of pitch angle control

采用槳距角控制捕捉風(fēng)能效率高，尤其在風(fēng)速較高時(shí)風(fēng)能利用率較高且輸出功率平穩(wěn)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械部件，所以響應(yīng)速度較慢。當(dāng)風(fēng)速由低風(fēng)速迅速變化到高風(fēng)速時(shí)，變槳控制系統(tǒng)性能會下降，綜合負(fù)功率誤差形成的負(fù)槳距角需要正功率誤差經(jīng)過很長時(shí)間才能抵消［36］。因?yàn)闄C(jī)械部件對頻率突變無法及時(shí)做出響應(yīng)，所以大多將槳距角控制用于額定風(fēng)速以上的情況［37］。文獻(xiàn)［38］采用槳距角或轉(zhuǎn)速控制改造了陜北某風(fēng)電場一次調(diào)頻功能，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)組頻繁參與一次調(diào)頻會增大機(jī)組振動，加劇機(jī)組變槳系統(tǒng)磨損。因此若單獨(dú)使用槳距角控制實(shí)現(xiàn)全風(fēng)速段的頻率調(diào)節(jié)，會致使槳距頻繁變化，加劇機(jī)組機(jī)械磨損，增加維護(hù)成本且縮短使用壽命。綜上，槳距角控制最好與其他控制方式相結(jié)合。

功率備用控制的2種控制方式均運(yùn)行于非MPPT模式，必定使風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性稍差。為保證機(jī)組能響應(yīng)電網(wǎng)發(fā)生的正負(fù)頻差事件，目前只針對風(fēng)電機(jī)組本身實(shí)施控制時(shí)，采用減載運(yùn)行是無可厚非的。減載為系統(tǒng)留有部分備用可以有效避免切機(jī)的情況，且能實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性［39］。值得注意的是，風(fēng)電機(jī)組備用功率越大，在頻率響應(yīng)的過程中輸出功率可能就越大，但風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速易達(dá)到極限［40］，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)實(shí)際需求權(quán)衡備用容量。

2.3 虛擬慣量綜合控制

隨著系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率的持續(xù)增加，有必要深入研究如何改善風(fēng)電機(jī)組“零慣量”特性。虛擬慣量控制通過模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量特性，將電網(wǎng)頻率變化率引入控制環(huán)節(jié)，若電網(wǎng)頻率跌落，則增大DFIG有功參考值，將轉(zhuǎn)子動能釋放出來調(diào)節(jié)頻率［41］。通常DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在0.8～1.2 p.u.范圍內(nèi)，所以采用虛擬慣量控制的轉(zhuǎn)子動能可得到充分利用［42］。

通常將慣量控制和下垂控制統(tǒng)稱為虛擬慣量綜合控制，因目前大多應(yīng)用二者的結(jié)合，因此本文只綜述虛擬慣量綜合控制相關(guān)內(nèi)容。傳統(tǒng)虛擬慣量綜合控制在MPPT 基礎(chǔ)上附加有功增量ΔP，系統(tǒng)頻率突變時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率不突變，而發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率因ΔP改變，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的同時(shí)釋放或吸收動能，頻率變化被抑制［43］。ΔP的計(jì)算公式如下：

式中：KP為比例系數(shù)；Δf為系統(tǒng)頻率變化量；KD為微分系數(shù)。可通過改變KP與KD的值來改變ΔP的大小，進(jìn)而影響機(jī)組慣性支撐能力和調(diào)頻后轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。目前，較多采用的是基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣量綜合控制，它根據(jù)Δf切換功率跟蹤曲線來快速調(diào)節(jié)機(jī)組有功，調(diào)節(jié)后的有功及系數(shù)分別如式（5）和式（6）所示［44-45］。

式中：kVIC為功率跟蹤優(yōu)化曲線的比例系數(shù)，其取值大小與頻率變化前風(fēng)力機(jī)角速度ωr0、Δf和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)a有關(guān)；kopt為MPPT 曲線的比例系數(shù)；P*VIC為功率跟蹤優(yōu)化下的有功參考；Pmax為輸出有功功率限幅值；ω0為切入電角速度；ω1為進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)的初始電角速度；ωmax為電角速度限幅值。風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量綜合控制框圖如圖4 所示，高通濾波器只允許頻率的暫態(tài)分量通過，低通濾波器用于避免頻率測量時(shí)噪聲的干擾［40］。

圖4 風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量綜合控制框圖Fig.4 Block diagram of combined virtual inertia control for wind turbine

目前，專家學(xué)者們在虛擬慣量綜合控制方面已展開了豐富的研究。文獻(xiàn)［46］提出采用一種虛擬電容控制策略來提供更多的虛擬慣性，PMSG 利用轉(zhuǎn)子動能提供快速的功率支撐，類似于同步機(jī)慣性響應(yīng)。文獻(xiàn)［47］利用有限轉(zhuǎn)子動能，提出基于選擇函數(shù)的虛擬慣量綜合控制方法，從而增加系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量和改善系統(tǒng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性。同槳距角控制相似，學(xué)者們將模糊控制引入虛擬慣量控制［48-49］，文獻(xiàn)［48］同時(shí)將DFIG 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和連接在變換器之間的超級電容器作為虛擬慣量源，采用自適應(yīng)模糊控制策略迅速提供有功支持且頻率誤差減小后快速恢復(fù)到MPPT 狀態(tài)。文獻(xiàn)［49］整定了慣性控制參數(shù)并驗(yàn)證了在不同的風(fēng)電滲透率下所提出的模糊自適應(yīng)虛擬慣量控制魯棒性較好。

文獻(xiàn)［50］依托麗江電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證了虛擬慣量綜合控制的可行性，虛擬慣量綜合控制能夠在系統(tǒng)頻率變化時(shí)迅速做出響應(yīng)，提供有功支撐后轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能保持長時(shí)間升速或降速，轉(zhuǎn)子在慣性響應(yīng)之后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中會釋放或吸收部分能量，致使系統(tǒng)頻率二次升高或降低，因此需要嚴(yán)格限制機(jī)組的慣性響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，一般設(shè)置為10 s［51］。針對此問題，學(xué)者從調(diào)頻動態(tài)交互全過程出發(fā)，研究采用一定的控制措施來抑制頻率二次跌落［52］。雖然轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化，但畢竟提供的有功功率有限，因此還需與其他控制方式相結(jié)合。此外，在虛擬慣量綜合控制方法中有多個(gè)控制參數(shù)，尚需研究如何根據(jù)實(shí)際需求科學(xué)整定控制參數(shù)。

2.4 VSG控制

自2007 年首次提出虛擬同步機(jī)概念以來［53］，學(xué)者們對其展開了豐富的研究，它類似于同步機(jī)，可作為VSG 或虛擬同步電動機(jī)VSM（Virtual Synchronous Motor）運(yùn)行，VSG 主要面向電源側(cè)應(yīng)用，VSM 面向負(fù)荷側(cè)。2016 年，國家電網(wǎng)公司在張北開展風(fēng)光儲虛擬同步機(jī)示范工程建設(shè)［54］；2020 年7 月21 日發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)《虛擬同步機(jī) 第1 部分：總則》［55］提出：虛擬同步機(jī)調(diào)頻死區(qū)絕對值宜在0.033～0.1 Hz 范圍內(nèi)，風(fēng)電虛擬同步機(jī)調(diào)頻啟動時(shí)間應(yīng)不大于500 ms，響應(yīng)時(shí)間不大于5 s，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于10 s。

虛擬同步機(jī)技術(shù)常指通過模擬同步機(jī)機(jī)電暫態(tài)特性，令變流器控制環(huán)節(jié)采用同步機(jī)機(jī)電暫態(tài)方程，使得采用該技術(shù)并網(wǎng)運(yùn)行裝置具備同步機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的慣量、阻尼、有功調(diào)頻等運(yùn)行外特性的技術(shù)。虛擬同步機(jī)具有一條交流母線和一條直流母線，且具有同步機(jī)內(nèi)部機(jī)理和外部特性的交直變流器，可通過在其直流母線配置儲能系統(tǒng)來提供必要慣量［56］。

大多數(shù)VSG控制策略的目標(biāo)為給系統(tǒng)提供與同步機(jī)相似的頻率響應(yīng)特性，DFIG 系統(tǒng)中常見的VSG控制策略有預(yù)留容量的改進(jìn)MPPT 控制、基于同步機(jī)動能方程的虛擬慣量控制、基于直流電壓的慣量支撐控制等［57］。VSG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示［58］。

根據(jù)圖5，計(jì)及同步機(jī)機(jī)械與電磁方程，若將

圖5 VSG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 Topological structure of VSG system

VSG模擬成傳統(tǒng)同步機(jī)，則VSG的機(jī)械方程為：

式中：J為同步機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；ω為同步機(jī)機(jī)械角速度；Tm、Te和Td分別為同步機(jī)機(jī)械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)；ω′為電網(wǎng)同步角速度。J使得機(jī)組在頻率動態(tài)變化過程中具有了慣性，J越大，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間越長；D使得其具有阻尼電網(wǎng)功率振蕩的能力，D越大，動態(tài)響應(yīng)振蕩幅值的衰減速度越快。

考慮VSG典型并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌瑒t其電磁方程為：

式中：L為同步機(jī)同步電感；eabc為VSG電勢；uabc為同步機(jī)機(jī)端電壓；R為同步機(jī)同步電阻；iabc為VSG輸出電流。

以DFIG 為例，其VSG 改造控制框圖如圖6 所示［59］，通過在主控系統(tǒng)或變流器控制中加入VSG 實(shí)現(xiàn)快速釋放轉(zhuǎn)子動能的作用。與虛擬慣量控制易發(fā)生的頻率二次跌落問題不同的是，VSG 控制不過度提取風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子能量，能避免因轉(zhuǎn)速過度降低而導(dǎo)致頻率的二次跌落，并且當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率提高時(shí)，VSG控制提供的有功支撐效果更加顯著，彌補(bǔ)了機(jī)組單獨(dú)使用虛擬慣量控制的不足。文獻(xiàn)［60］根據(jù)H2和H∞范數(shù)定量地分析了同步機(jī)和虛擬同步機(jī)頻率響應(yīng)的特性，發(fā)現(xiàn)通過合理配置虛擬同步機(jī)的虛擬慣量與電氣阻尼可以使其頻率響應(yīng)特性優(yōu)于同步機(jī)。文獻(xiàn)［61］總結(jié)了同步機(jī)轉(zhuǎn)子慣量與阻尼系數(shù)對頻率穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合力學(xué)原理證明了VSG 的虛擬慣量可以實(shí)時(shí)變化。文獻(xiàn)［62］提出了協(xié)調(diào)VSG轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略：若VSG 轉(zhuǎn)子角速度變化率較大，則增大轉(zhuǎn)動慣量；若角速度偏離量較大，則增大阻尼系數(shù)，從而抑制頻率過快變化和發(fā)生過大偏移。

圖6 DFIG的VSG改造控制框圖Fig.6 Improved control block diagram of VSG for DFIG

虛擬同步機(jī)技術(shù)能夠?yàn)轱L(fēng)能并網(wǎng)友好接入提供電網(wǎng)接口，VSG 控制通過模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子慣性和阻尼特性，改善了逆變器運(yùn)行特性，能夠抑制頻率的快速變化，在一定程度上抵御負(fù)載擾動。與傳統(tǒng)電源相比，VSG更加靈活，因其具有有功／無功解耦控制及四象限控制能力，轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程參數(shù)都是虛擬量，因此不受物理特性約束，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。

然而虛擬同步機(jī)技術(shù)仍存在一些問題值得關(guān)注，關(guān)于VSG 控制系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化問題，目前沒有一個(gè)系統(tǒng)的VSG 控制適用于所有的電網(wǎng)運(yùn)行條件，傳統(tǒng)電力電子裝置控制參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)化指南不適用于VSG，需從控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、管理標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究［63］。由于VSG 應(yīng)用的是電力電子器件控制，電力電子裝置的過壓和過流耐受能力弱，因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，需保證裝置的安全運(yùn)行。由于VSG 與同步機(jī)具有相似的機(jī)電暫態(tài)特性，因此還存在著參數(shù)配置較為復(fù)雜、如何合理配置儲能單元以及多逆變器耦合產(chǎn)生振蕩等問題。

2.5 儲能系統(tǒng)參與風(fēng)電調(diào)頻

《電力儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研判》［64］報(bào)告顯示：2010 年12 月美國能源部發(fā)布的《電力系統(tǒng)對大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用需求》報(bào)告中，按照當(dāng)今系統(tǒng)的技術(shù)需求特征將儲能應(yīng)用模式分為系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰、電能質(zhì)量改善、輔助動態(tài)調(diào)節(jié)、可靠性服務(wù)等17 項(xiàng)。儲能的技術(shù)分類如圖7 所示，按照電能存儲方式可將儲能分為物理、電磁場和電化學(xué)儲能3類。

圖7 儲能技術(shù)分類Fig.7 Classification of energy storage technology

儲能的工作原理包含電能存儲和電能變換兩部分。電能存儲環(huán)節(jié)利用充放電控制器及能量存儲本體實(shí)現(xiàn)不同類型能量的存儲和釋放；電能變換環(huán)節(jié)利用電力電子裝置進(jìn)行電能和接入系統(tǒng)之間的能量交換。當(dāng)系統(tǒng)缺乏電能時(shí)，儲能元件經(jīng)電能變換環(huán)節(jié)輸出電能至系統(tǒng)，同時(shí)減少電能存儲環(huán)節(jié)能量；當(dāng)系統(tǒng)電能多余時(shí)，通過電能變換環(huán)節(jié)存儲電能，增加電能存儲環(huán)節(jié)能量［65］。儲能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合進(jìn)行調(diào)頻，二者分別經(jīng)過電力電子元件、變壓器與電網(wǎng)相連［66］。

在儲能與風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻方面，文獻(xiàn)［67］考慮運(yùn)行成本最小化、凈負(fù)荷變化和最大發(fā)電機(jī)停運(yùn)等因素，驗(yàn)證了儲能能充分響應(yīng)一次頻率，并且得出風(fēng)能加入系統(tǒng)時(shí)運(yùn)行成本會降低的結(jié)論。文獻(xiàn)［68］提出了一種協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)與快速儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)反饋下垂技術(shù)，有效地彌補(bǔ)了由于高風(fēng)穿透引起的高頻波動問題，且保證了連續(xù)的頻率支持。通過模糊算法改進(jìn)儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻的研究頗多。文獻(xiàn)［69］設(shè)計(jì)了模糊邏輯控制器，首先確定儲能系統(tǒng)的額定功率和容量，令額定功率盡可能接近其理論最小值，彌補(bǔ)了風(fēng)電場短時(shí)調(diào)頻能力不足的問題。文獻(xiàn)［70］提出基于模糊邏輯的儲能與風(fēng)電場聯(lián)合調(diào)頻，消除了風(fēng)能卸載的不靈活性，使所需的存儲容量最小且最佳利用了風(fēng)電場和存儲單元的能量。

儲能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)功率、頻率變化，而且能夠雙向調(diào)節(jié)功率，控制靈活，性能穩(wěn)定，控制精度高。在技術(shù)可行性方面，儲能比傳統(tǒng)調(diào)頻電源更高效［71］。儲能可以解決風(fēng)機(jī)調(diào)頻的盲區(qū)和備用容量缺失等問題，降低成本和風(fēng)電機(jī)組折舊，同時(shí)可以提高能源互聯(lián)網(wǎng)多能源間的配合度和綜合利用效率，弱化制約關(guān)系。

文獻(xiàn)［72］通過對比得出配置儲能投資額可接受且僅需一次性投入的結(jié)論，并且所提出的風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略減少了26%的儲能容量配置，提高了經(jīng)濟(jì)性。但儲能系統(tǒng)需要系統(tǒng)額外增加設(shè)備，若配置不當(dāng)，反而損害經(jīng)濟(jì)性，并且還要考慮安全性與環(huán)境污染問題。

目前儲能系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，如何兼顧傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)與儲能，研究設(shè)計(jì)得到合理、自適應(yīng)性強(qiáng)的協(xié)調(diào)控制策略成為未來風(fēng)電參與系統(tǒng)頻率控制的研究方向。另外，無論從技術(shù)還是算法上改進(jìn)更新儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻的參與度，研究更加適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的新型儲能設(shè)備，如何在保障穩(wěn)定的前提下使得利益最大化，也是需要解決的問題。

2.6 多控制策略組合控制

由2.1—2.5節(jié)對轉(zhuǎn)子超速控制、槳距角控制、虛擬慣量綜合控制和VSG 控制這4 種控制策略以及風(fēng)儲聯(lián)合控制的綜述，得到各控制策略優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢如表1 所示。由表可以看出，每種控制方式各有利弊，可以優(yōu)勢互補(bǔ)。因此，將多種控制策略相結(jié)合進(jìn)行調(diào)頻是很有必要的。

在基于改進(jìn)轉(zhuǎn)子超速控制、槳距角控制和虛擬慣量綜合控制的組合控制方式方面，文獻(xiàn)［73］提出了一種槳距角與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速協(xié)同頻率調(diào)節(jié)控制機(jī)制，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最大化的同時(shí)減小槳距變化。文獻(xiàn)［74］在中低風(fēng)速時(shí)超速減載，高風(fēng)速時(shí)使用槳距角控制，與虛擬慣量綜合控制相配合，實(shí)現(xiàn)了不同風(fēng)速的限功率運(yùn)行，通過設(shè)置不同風(fēng)速下的減載系數(shù)有效減少了棄風(fēng)。

在儲能系統(tǒng)與上述3 種控制策略組合參與風(fēng)電調(diào)頻方面，文獻(xiàn)［75］提出風(fēng)儲聯(lián)合的調(diào)頻策略，基于限轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)，由儲能為風(fēng)機(jī)提供后續(xù)支撐改善頻率二次跌落問題。還有基于變功率點(diǎn)跟蹤與超級電容器儲能的協(xié)調(diào)控制，通過改進(jìn)MPPT 模式，當(dāng)發(fā)生負(fù)荷減小的擾動時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)深度優(yōu)于傳統(tǒng)超速減載控制，頻率調(diào)節(jié)能力提高；在發(fā)生負(fù)荷增加的擾動時(shí)，儲能裝置參與系統(tǒng)調(diào)頻，為風(fēng)電場提供備用容量，實(shí)現(xiàn)在全工況下均具有一次頻率調(diào)節(jié)能力且DFIG不損失發(fā)電效益［76］。

綜上所述，中低風(fēng)速下一般采用轉(zhuǎn)子超速減載控制，理論上槳距角控制適用于全風(fēng)速，但一般只將其用于高風(fēng)速區(qū)。對于虛擬慣量關(guān)注的易造成頻率二次跌落問題，儲能系統(tǒng)可以提供支撐；對于儲能關(guān)注的經(jīng)濟(jì)問題，將儲能與風(fēng)機(jī)自身的控制相結(jié)合，將會均衡備用容量與儲能配置問題，提高經(jīng)濟(jì)性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如何將上述控制策略有效結(jié)合，解決各控制之間的矛盾以及發(fā)揮各自優(yōu)勢將是未來值得研究的課題。

3 風(fēng)電場調(diào)頻控制策略

2020年9月7日，國家能源局華中監(jiān)管局發(fā)布的《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》［77］指出：30 MW及以上風(fēng)電場必須具有一次調(diào)頻功能。上述所提控制策略主要集中在機(jī)組的層面上，目前在仿真時(shí)所使用的多臺機(jī)組也大多由1 臺機(jī)組等值，然而即使在同一風(fēng)電場，某時(shí)刻不同機(jī)組瞬時(shí)風(fēng)速也相差較大［78］，因此根據(jù)實(shí)際情況考慮風(fēng)電場內(nèi)部數(shù)臺風(fēng)電機(jī)組之間的控制策略是很有必要的［79］。風(fēng)電場參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)，需要考慮風(fēng)電場中風(fēng)速、復(fù)雜的運(yùn)行條件、頻率控制要求的多樣化，以及各機(jī)組頻率控制能力和控制策略的不同等因素［80］。目前主要聚焦的是基于機(jī)組分群的風(fēng)電場內(nèi)部機(jī)組間功率協(xié)調(diào)分配及轉(zhuǎn)速恢復(fù)協(xié)調(diào)控制［81-82］。在系統(tǒng)層面關(guān)注的是風(fēng)電場與風(fēng)電場或火電機(jī)組間的配合。

3.1 風(fēng)電場內(nèi)部機(jī)組間功率協(xié)調(diào)分配問題

目前在陸地上使用的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量通常為1.5～6 MW，由上百臺風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場滲透性很強(qiáng)，在同一時(shí)刻每臺機(jī)組所能提供的調(diào)頻能力是不同的。因此，若想獲得整個(gè)風(fēng)電場較好的功率外特性，就需要考慮風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組之間的功率協(xié)調(diào)分配問題。功率分配的目的是根據(jù)系統(tǒng)需求和風(fēng)電場期望輸出功率來指定場內(nèi)各機(jī)組的參考功率。

文獻(xiàn)［83］提出了一種風(fēng)電場分布式協(xié)調(diào)控制框架，充分利用了所有機(jī)組的動能，減少了風(fēng)能的損失，采用超線性收斂的分布式牛頓法進(jìn)行快速功率分配，并引入能量狀態(tài)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了各臺機(jī)組之間功率的合理分配。文獻(xiàn)［84］基于系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的需求提出一種功率偏差控制優(yōu)化策略，這不僅提供了所需的功率偏差，還只涉及風(fēng)電場的一部分而非所有機(jī)組，涉及的機(jī)組受到功率限制，其余的機(jī)組保持MPPT模式運(yùn)行，該策略既提高了電源控制的質(zhì)量又降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。上述文獻(xiàn)在滿足系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求的基礎(chǔ)上，合理分配風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組，避免了機(jī)組功率的浪費(fèi)。文獻(xiàn)［85］在考慮功率的基礎(chǔ)上，還考慮了風(fēng)速這一因素，提出在多風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組群的頻率多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，使得風(fēng)電場不僅具備良好的調(diào)頻能力，還有效抑制了頻率二次跌落。

3.2 風(fēng)電場內(nèi)部機(jī)組間轉(zhuǎn)速恢復(fù)協(xié)調(diào)問題

風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻結(jié)束后，若同時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)模式，這將很可能致使系統(tǒng)頻率二次跌落。因此，不僅要在系統(tǒng)具有調(diào)頻需求時(shí)風(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組有序提供支撐，調(diào)頻結(jié)束后，機(jī)組有序退出運(yùn)行也至關(guān)重要。

為此，文獻(xiàn)［86］提出風(fēng)電場轉(zhuǎn)速延時(shí)恢復(fù)及基于風(fēng)速的機(jī)組優(yōu)化分組策略，根據(jù)機(jī)組所處風(fēng)速段將機(jī)組分組，通過設(shè)置延時(shí)使得處于不同狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)刻也不同，風(fēng)電機(jī)組能夠依次退出運(yùn)行?？紤]到風(fēng)電場的仿真建模難度，對風(fēng)機(jī)給定轉(zhuǎn)速恢復(fù)延時(shí)，不適用于機(jī)組數(shù)量較多的風(fēng)電場，因此風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組根據(jù)風(fēng)速等因素的變化進(jìn)行合理分群、實(shí)時(shí)分群也關(guān)乎調(diào)頻的效果。文獻(xiàn)［51］認(rèn)為風(fēng)速測量誤差較大，因此提出基于轉(zhuǎn)速分組的風(fēng)電場調(diào)頻策略，然后動態(tài)調(diào)節(jié)各機(jī)組的慣量響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，使得各機(jī)組有序退出運(yùn)行。文獻(xiàn)［87］基于PMSG 調(diào)頻能力，引入調(diào)頻能力系數(shù)和協(xié)同系數(shù)，按能分配風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率，并采用補(bǔ)償函數(shù)使得風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速平滑恢復(fù)，避免了轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起的系統(tǒng)頻率二次跌落及復(fù)雜的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)序安排問題。

3.3 風(fēng)電場與風(fēng)電場或火電機(jī)組配合問題

從一個(gè)風(fēng)電場的層面而言，風(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組調(diào)頻功率、轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間都需協(xié)調(diào)分配。從整個(gè)電力系統(tǒng)的層面而言，系統(tǒng)中各風(fēng)電場之間、風(fēng)電場與火電機(jī)組之間更需合理規(guī)劃。文獻(xiàn)［88］以各風(fēng)電場距故障點(diǎn)最短電氣距離和實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)備用容量作為影響因子協(xié)調(diào)各風(fēng)電場參與調(diào)頻，當(dāng)監(jiān)測到存在有功缺額時(shí)，判斷風(fēng)電場是否參與調(diào)頻，若參與則根據(jù)影響因子選取風(fēng)電場，并計(jì)算緊急升／降功率容量，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)風(fēng)電場之間的配合。

雖然目前電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電占比不斷提高，但更多的是起到輔助調(diào)頻的作用，這是因?yàn)楫?dāng)今火電機(jī)組依然是調(diào)頻主力［79］。由于風(fēng)的間歇性，風(fēng)電能否穩(wěn)定調(diào)頻是對電網(wǎng)的重要挑戰(zhàn)，然而火電的響應(yīng)速度較慢，因此協(xié)調(diào)這2 個(gè)發(fā)電源受到關(guān)注［89］。文獻(xiàn)［90］提出大型風(fēng)火機(jī)組變頻控制方案并且建立數(shù)學(xué)模型，調(diào)度中心根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化情況及風(fēng)火電場運(yùn)行狀態(tài)，將系統(tǒng)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)分配，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在全風(fēng)速工況情況下參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。目前在研究風(fēng)電場參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)多將調(diào)頻系統(tǒng)分層處理［51，80，91］，統(tǒng)籌規(guī)劃，分別優(yōu)化。文獻(xiàn)［92］將系統(tǒng)分為3 層，考慮風(fēng)電與火電各自的調(diào)頻特性，主要采用火電機(jī)組調(diào)頻，輔以風(fēng)電機(jī)組。其根據(jù)火電廠出力確定風(fēng)電場功率，并且考慮了風(fēng)電場的分組優(yōu)化、功率分配與轉(zhuǎn)速恢復(fù)問題，充分發(fā)揮了風(fēng)電場的調(diào)頻作用，以滿足系統(tǒng)需求。

4 風(fēng)電參與電力系統(tǒng)調(diào)頻展望

電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率的不斷提高，對電網(wǎng)而言既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，研究系統(tǒng)的頻率特性應(yīng)充分考慮現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。風(fēng)電的接入使得電網(wǎng)對化石能源的依賴降低，隨之而來的是如何將風(fēng)電融入已經(jīng)建成的大電網(wǎng)中。想要替代傳統(tǒng)火電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組不僅要能發(fā)電，還要具備相似的慣量和能夠響應(yīng)頻率變化的能力。對于風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻問題的研究，國內(nèi)外學(xué)者們已研究得很透徹，但仍存在一些問題值得關(guān)注。

4.1 基于風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻的問題

技術(shù)性問題：協(xié)同多種儲能技術(shù)，基于系統(tǒng)調(diào)頻需求聯(lián)合風(fēng)電機(jī)組與儲能系統(tǒng)。雖然本文并未對所有儲能技術(shù)的應(yīng)用場景、適用范圍等進(jìn)行詳細(xì)的描述，但儲能技術(shù)各有特點(diǎn)，利用多種儲能技術(shù)協(xié)同可以進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，避免單一儲能方式的局限性。另外，在進(jìn)行風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)需求、風(fēng)電機(jī)組控制能力與儲能系統(tǒng)狀態(tài)。這不僅要確保系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)聯(lián)合系統(tǒng)所能提供的支撐足夠大，還要保證在系統(tǒng)故障消除后聯(lián)合系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)對系統(tǒng)的沖擊盡量小，因此儲能系統(tǒng)的投入時(shí)機(jī)、出力深度等與風(fēng)電機(jī)組的控制息息相關(guān)。

經(jīng)濟(jì)性問題：保證系統(tǒng)可靠持續(xù)供給良好電能的同時(shí)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。想要制定經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻策略，需要綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的備用容量和儲能容量配置的大小，還要考慮儲能系統(tǒng)的安裝、維護(hù)，是否有更加新型、更加經(jīng)濟(jì)的儲能設(shè)備等用來縮小成本。另外還應(yīng)與電力市場的相關(guān)理論進(jìn)行結(jié)合，完善運(yùn)營模式，提高收益。

4.2 基于風(fēng)電場控制的問題

由上述對風(fēng)電場層面參與系統(tǒng)的調(diào)頻研究可知，單純將風(fēng)電場等值為1 臺機(jī)組是不符合實(shí)際的。目前我國棄風(fēng)情況仍然嚴(yán)重，如何提高風(fēng)電的利用率也是關(guān)乎電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的重要問題。風(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組所處環(huán)境相差較大，因此，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組之間的協(xié)調(diào)配合尤為重要，需要考慮更加貼合風(fēng)電場實(shí)際情況的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，包括建立哪種風(fēng)電場模型，風(fēng)電機(jī)組如何分組，根據(jù)什么判定條件進(jìn)行機(jī)組出力之間的轉(zhuǎn)換，如何讓機(jī)組有序退出對電網(wǎng)的沖擊最小等。在風(fēng)電場層面對各臺機(jī)組統(tǒng)籌規(guī)劃，合理分配，減少棄風(fēng)以提高經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)行更加深入的研究。

目前新能源發(fā)電還未能獨(dú)當(dāng)一面，基于風(fēng)電場層面與傳統(tǒng)火電機(jī)組之間的協(xié)調(diào)問題，大多是需要站在調(diào)度部門的角度，在系統(tǒng)有調(diào)頻需求時(shí)，將需求分配給各機(jī)組，因此，調(diào)度中心對系統(tǒng)故障響應(yīng)的快速性、實(shí)時(shí)性對于電網(wǎng)而言意義重大。調(diào)度中心應(yīng)充分認(rèn)知各風(fēng)電場、火電機(jī)組的調(diào)頻能力和現(xiàn)行狀態(tài)等，以便在故障發(fā)生瞬間做出響應(yīng)。在協(xié)調(diào)風(fēng)電場、火電機(jī)組和調(diào)度中心配合的全過程中，通信系統(tǒng)也起著至關(guān)重要的作用，因此還需充分考慮通信系統(tǒng)的發(fā)展。

5 結(jié)論

隨著電力網(wǎng)的逐漸擴(kuò)大以及風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展，風(fēng)電等可再生能源的接入給系統(tǒng)帶來了多種問題。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的控制策略、與儲能或火電機(jī)組之間協(xié)調(diào)配合問題值得關(guān)注。本文在充分認(rèn)識風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻必要性與局限性的基礎(chǔ)上，分析風(fēng)電機(jī)組自身的轉(zhuǎn)子超速控制、槳距角控制、虛擬慣量綜合控制和VSG 控制，以及儲能與風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制各自原理及優(yōu)缺點(diǎn)，分別給出了未來可關(guān)注的研究方向。還針對幾種控制策略的組合控制，風(fēng)電場與風(fēng)電場或火電機(jī)組間的協(xié)調(diào)配合，提出風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻是未來值得研究的課題。另外，本文所提出的問題也為以后的研究提供了參考。