风电机组一次调频自适应控制策略研究

风电机组一次调频自适应控制策略研究
摘要：近年来，风能等新能源发展迅猛，风电装机量和发电量增长迅速。

在
新型电力系统中，风电需要参与系统频率调节已经成为业界共识。

随着风电越来
越多地参与电力系统一次调频，为更加准确地进行系统频率动态分析和仿真，风
电调频建模也变得越来越迫切。

关键词：风电机组；一次调频；自适应控制；策略研究
引言
随着风电并网的大规模化，电力系统稳定性受到了严峻的挑战。

尽管风力发
电的社会效益和经济效益可以预期，但是风电受天气状况影响，不确定性、间歇
性强，对保证发电功率与负载功率动态有功平衡造成了很大困难。

同时，由于当
前风力发电大多使用变速风机，广泛通过电力电子器件并入电力系统，转速与频
率解耦，缺乏对电力系统频率变化的快速响应能力，大量并入电网必然会导致系
统惯量水平降低，调频能力下降。

目前，针对风电机组一次调频问题，国内外都
已经有了一些控制方案并进入了实际运用，主要通过增设调频控制环节模拟传统
同步发电机进行频率调整。

为更好地理解与学习不同应用场合下风力发电一次调
频的控制方法与策略，本文对风力发电一次调频领域的国内外研究进展进行综述。

1研究背景
风电机组的日常运维及检修工作价值。

为最大程度发挥出风电项目的运行价值，则需要合理延长风电机组的运行寿命。

为此，则需要开展针对有效的运维检
修管理工作。

笔者认为，风电项目运行过程中，长时间受到极端环境的影响。

若
运维检修不到位，无法及时排除风电机组的运行安全隐患，将对项目的整体运行
可行性造成直接影响。

鉴于风电项目投资较大，为有效控制项目的运行成本，应
当科学开展运维检修工作，有效杜绝大事故的出现，并对小事故进行科学的应对
处理，使得风电机组保持稳定安全运行。

在具体运维检修时，可契合工作需求，
合理运用现代科学技术，助力运维检修水平的提升。

2风电机组一次调频自适应控制策略研究
2.1风电机组备用容量获取
风力发电机组可以通过降载来实现备用容量的获取，并且为了保证风力发电机组和常规发电机组协同进行一次调频时具有类似的特性，需要在风电机组的控制中加入惯性控制环节和下垂控制环节。

当风电机组参与电网一次调频时，电网在扰动状态下产生的波动功率由风电机组和常规机组共同承担，所以需要常规机组承担的备用容量较小，尤其是在风电渗透率较高常规机组占比较小的情况下。

风电机组参与电网一次调频使得备用容量来源更广，保证电网在受到较大扰动时有足够的调频备用，提升电网的频率特性及运行稳定性。

2.2减载控制
减载控制方案通过降低风机对风能的捕获，从而实现风机减载操作，提高风力发电有功备用以供调频使用，主要包括两种控制方法：桨距角控制和超速减载控制。

桨距角控制通过机械装置改变风机叶片的桨距角，直接影响到风能利用系数。

当功率足够且不需要风力发电参与一次调频时，增大桨距角，降低风能利用系数；当电力系统频率降低时，减小桨距角，提高风能利用系数，捕获风能为一次调频提供能量支撑。

2.3虚拟现实VR技术在运维过程中的应用
鉴于风电机组运维相关工作开展的特殊性，为最大程度规避运维事故，可合理应用VR技术进行场景模拟，提升运维管理人员的应急处理能力。

基于VR技术的支持，能够创设沉浸式的虚拟场景，工作人员可通过佩戴VR立体头盔，进而在虚拟场景中进行沉浸式交互体验，有效提升运维人员的工作经验。

例如，在VR 技术的应用下，为运维人员进行事故现场的模拟，使得运维人员能够学习如何快速有效的应对突发事故，避免对风电机组系统造成更大的影响。

如触电事故的场景模拟时，促使运维人员通过对触电事故发生过程的观看，进而了解到违章作业的危险性。

2.4聚合等值基本原则
调频模型最关注的是电磁功率动态，因此等值的基本原则是保证电磁功率等
值准确，即等值机调频过程中的电磁功率和各风机电磁功率之和相等。

风机采用
变桨减载方式参与调频时，通过机械功率变化支撑电磁功率变化，因此，为了保
证电磁功率准确，等值时还需要保证机械功率准确。

下面将按照上述原则确定等
值风机的各个参数。

2.5综合协调控制
为解决风力发电调频功率不足，持续调频时间短与快速调频能力低、经济效
益低的问题，结合虚拟惯性控制、下垂控制、减载控制的优点，提出了综合协调
控制策略。

采用小信号增量法针对风电一次调频系统建立了动态响应解析计算模型，并通过与全状态非线性仿真模型对比，验证了方案的准确性，但其仅针对额
定风速以下运行状态，未对额定风速以上情况进行分析。

为使风力发电在全风况
下都具备一次调频能力，在最大功率追踪区使用虚拟惯性与超速减载协调控制方案，在恒转速及恒功率区使用虚拟惯性与桨距角协调控制方案。

但在上述研究中，只考虑到了通过风机转子存储动能为一次调频提供有功支撑，没有考虑到预留有
功备用的优化利用问题。

针对传统风电调频有功备用长期闲置的问题，备用容量
优化配置策略，以日负荷预测曲线为依据，对不同时段的调频基点功率进行调整，从而实现风电调频有功备用容量动态配置，以此确定参考减载功率，使风电在发
电经济性与调峰能力上有了较大改善。

在同一个风电场中，各风机的运行情况不
尽相同，需要根据其调频能力下达调频功率指令，保证在完成调频任务后，风机
能够快速恢复正常运行状态。

通过附加有功功率分配模块将调频功率份额下发至
各风机执行有功控制指令，并将风机运转状态分成3个类别来执行调频任务。

当
风机处于第一类状态，即低于风速切入速度或风速超出切出风速时，风机无法正
常运转，不参与调频；当风机处于第二类状态，即风速高于切入速度但不高时，
风机按最小功率Pmin运行；其他情况下被归为第三类，需要提供的有功功率根
据调频功率参考值及风机短期功率预测值综合分析得到。

通过具体分析风机个体
的运行状态来分配调频功率能够提高风力发电调频能力，此策略对通信技术要求
很高，而且需要增加实现通信要求的设备，增加了风力发电的投资成本。

2.6状态检测决策
状态检修工作开展阶段，应当突出风电机组的运行状态检修决策管理，实现
最终的故障诊断与预测，进而设定针对有效的检修维护技术方案，及时消除风电
机组的运行安全隐患，以保证风电系统的整体运行安全性与可靠性。

为保证相关
工作开展的有效性，应当建构风电系统运行数据库，实现对风电机组运行的全过
程数据采集整理，便于技术人员开展专业的经济技术性分析，从而对检修技术方案、检修周期、检修标准进行合理优化，为后续检修工组的落实提供依据。

3研究展望
新能源发电场站电力电子化程度较高，因此对调频指令响应有较好的速度和
精度，对场站内机组控制能力较高，惯量响应与一次调频在现有研究中逐渐融合，有一体化趋势。

但目前为止，较多对新能源调频的研究都立足于传统同步机的调
频标准，大多方案为模拟同步机调频过程，没有真正发挥出新能源场站的快速频
率响应能力，虽然在诸如惯性系数、下垂系数等变系数控制方案上已有一定成果，但仍有进一步深入研究的空间。

有功备用的优化利用问题是新能源调频的一个重
点问题，对发电效益有较大影响。

尤其是在风电需要一定弃风量来维持足够调频
容量的场景下，在设计惯量响应与一次调频策略时需要考虑到如何使有功备用利
用最优化，尽量降低弃风率，使发电效益最大化。

对风电场站内不同机组的运行
状态进行具体分析，制定出风电机组合理的调频出力深度与出力时间规划能有效
提高风电场站的有功备用容量。

此外，随着储能技术的成熟、储能成本的降低，
通过储能为风电机组提供有功支撑已经成为一种可行方案并有了一定的应用能力。

结语
当然，我国目前风力发电还存在一定的问题，首先我国目前的风力发电产业
链不够完善，从设计、沟通、运输、安装、维护、监测等方面的全过程技术和产
品服务都不够健全，风力发电还处于起步阶段，仍需要更多探索。

其次，风力发
电项目与农村电网改造建设及规划等密不可分。

考虑目前建设风力输电线路项目
需要很高成本投入，对于那些目前还远离中心城市区域的中小型风电项目，如何
进行有效整合解决项目并网初期的巨额资金的投入才是问题产生的一个关键，同
时项目还同样需要充分考虑到其在后期并网实施过程中会经常可能发生的兼容性
问题，如闪变、电压、谐波、频率失真等许多容易发生导致城市电网的运行产生
不大稳定的主要因素，从而还需要企业加大相关技术设备投入。

最后，需要政府进一步研究合理化的风力发电的电力价格。

风力发电设备的研发投入和成本如何核算原材料及电力市场供求量价格等多个因素将会直接关系到今后风力发电系统的建设价格，需要联合多家有关单位参与，共同探讨制定一套合理可行的价格，既要满足投资，又要照顾公众。

参考文献
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