风电接入对系统频率影响及风电调频技术探讨

风电接入对系统频率影响及风电调频技术探讨

摘要：风能发电典型特点是具有随机性和间歇性，这会导致风电本身出力的随

机波动性，从而对电力系统的频率造成影响。结合现场经验，参考相关理论研究，分析风电各项因素对接入系统带来的影响，探究风电跳频技术，希望为相关人员

提供参考。

关键字：风电接入；系统频率；影响；调频技术

引言

可再生能源替代传统化石能源进行发电，是构建以可再生能源为核心的新的

能源体系中最为关键的一步。在现有可再生能源技术的市场应用和产业中，风能

发电在全世界范围得到了广泛的应用和空前的发展，然而由于风能具有波动性和

随机性,导致风电并网后,对电力系统频率带来的影响。研究风电接入对系统频率

的影响，以及如何利用风机参与系统负荷频率控制,提高反应速度,使系统更快的

进行频率调节，对大规模风电接入的电力系统来说至关重要。

1风电接入对系统频率的影响

1.1风电接入容量对系统频率的影响

对风电接入容量分别为50MW、100MW、150MW、200MW和250MW五个

级别下5％负荷扰动对系统频率变化的影响进行分析。在测试系统下，等值机组

容量随风电容量增大而持续下降，风电场通过调整投运机组数和有功功率控制系

统使其始终处于额定出力状态。在无附加控制下和有惯性响应控制和桨距角控制

下的系统最低频率和稳定频率结果如表1所示。

表1不同风电接入容量下负荷突增时的系统响应

从表1中可以看出，在相同功率扰动下，随着风电容量的增大，系统最低频

率和稳定频率都呈明显的下降趋势，风电大量接入将对系统调频产生影响。在不

采用附加控制时，系统最低频率明显低于采取惯性响应控制和桨距角控制时的结果。采用附加控制后，系统稳定的频率值低于不采用惯性响应控制和桨距角控制

时的结果，主要因为采用惯性响应控制和桨距角控制时，系统稳定后桨距角大于

初始值，使得风机功率系数低于初始值，风机吸收的能量降低。

1.2风电波动性对系统频率的影响

在风电接入时，风速导致有功功率波动对于电网的不确定性的扰动。风速剧

烈变化，系统频率可能会产生较大偏移。高频的风功率波动对系统频率的影响会

被电力系统的自身惯性所衰减；而低频的风功率波动则可以通过AGC抑制其对系

统的影响；对系统频率影响最为显著的是中频的风功率波动（0.2～10Hz）。考虑系统频率偏差不能超过额定频率1％的约束条件，发现由于风速的功率波动大多

都是高频的波动。

当不采用惯性响应控制和桨距角控制时，风速上升导致风机机械功率增加，

并引起转子转速上升。转子转速增大致使风机转矩控制环节有功功率指令增大，

有功功率输出增加，从而系统频率上升。当采用惯性响应控制和桨距角控制时，

风速增大风机功率输出增大，系统频率上升。但是系统频率上升反过来导致惯性

响应环节降低功率指令，减少功率输出。此外风机转速上升，桨距角调节增大使

得风功率系数快速降低，减少了风轮机械功率的上升，风机转速偏差较小。阵风

结束后风速下降，由于桨距角调节滞后于风速变化，风机机械功率和有功功率迅

速减小，系统频率出现短时下降，此后桨距角调节减小，风功率系数恢复，机械

功率逐渐恢复，机械功率逐渐增大，系统频率恢复正常值。

1.3风电机组结构特点对系统频率的影响

按照风力发电机组结构以及控制方法，恒速恒频异步风机和变转子电阻型异

步风机的惯量较小，同时由于机组为异步机，与电网耦合较弱，因此在系统频率

发生扰动时，其所能提供的有功支撑幅度较小，响应较慢。双馈异步风机和永磁

同步风机风机，采用了电力电子装置与电网进行连接，可以实现有功－无功解耦

控制，但在系统频率发生扰动时，无法向系统提供有功支撑。双馈异步和永磁同

步风机采用电力电子装置，与电网耦合特性较弱。随着风电接入比例的增加，会

显著地影响系统惯性，影响系统频率最低值。因此，需要考虑如何利用风机自身

参与系统调频，以解决风电接入后系统的频率问题。

2风电参与调频控制技术

2.1下垂控制

下垂控制借鉴的是传统同步电机中的调速器的控制思想，以系统频率偏差df

作为反馈信号，经过比例放大等环节，产生功率或转矩附加控制信号。风机下垂

控制器在高风速时参与调频，则可以通过调整桨距角以增加风机输入的机械功率，减小风机转子转速的下降。惯性控制的反馈信号是频率变化率，在扰动发生的初

始时刻可以提供较大的有功支撑。

2.2阶跃控制

双馈式感应发电机采用了电力电子装置，可以在短时间内增加输出功率至允

许输出功率的上限。该类型控制器在系统频率变化时，会瞬间增加风机的功率输出，因此又称阶跃控制。与前种控制方法相比，该控制器可以使风机在最短的时

间内将功率出力值提升至上限。为避免风机同时降低有功输出对电网产生二次冲击。阶跃控制是使风电机组在短时间内提供大量有功支撑，但同时会造成风机的

转速迅速下降，从而会导致转子失速；若控制策略不当，在电网频率恢复时风电

机组集体退出调频也会对电网造成二次冲击。

2.3惯性控制

惯性控制是通过改变机组转子侧变流器的电流给定，控制转子速度发生临时

性变化情况下短时吸收或释放风电机组旋转质体所存储的部分动能，响应系统频

率的暂态变化，提供类似于传统机组的转动惯量。传统的同步发电机组在系统频

率下降时，其转速也会下降，因此可以释放一部分动能对系统进行有功支撑。如

果采用附加转矩的惯性控制，有可能造成风机转子出现失速而导致风机失稳，惯

性控制可以有效地改善系统最低／最高点的频率值。在转子惯性控制的方法上，

针对双馈风机，通过增加辅助频率控制，由储存在风机桨叶中的动能提供短时间

功率支撑。在控制逻辑的设计上，实时检测系统的频率变化率，用于惯性响应的

使能，增加了辅助频率控制的风机机组对系统频率支撑效果，使系统的等效惯量

增加，减少了系统在扰动后的频率偏差和频率变化率。但由于转子转速不能长时

间维持在降速或者升速状态，随着转子转速的恢复，有可能造成系统频率的二次

降低或升高。

2.4风机参与二次调频控制技术

风电场自身具备调频功能参与电网的频率调整。在初期，规模总容量不大，

其波动性完全依靠系统中传统机组的调节作用进行平抑，随频率变化自动进行频

率调整。随着风电接入功率的增加，单独依靠传统机组的调节作用将已经无法完

全平抑风电的功率波动。AGC技术的普及，电厂跟踪调度交易机构下发的指令，

实现机组负荷自动调度，满足电力系统频率和联络线功率控制要求参与系统的二