風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略對(duì)比研究

陳天嘯

（大唐江蘇發(fā)電有限公司新能源分公司）

1 研究背景

人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步程度均都離不開對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)能源的充分利用，而正是由于我國化石能源儲(chǔ)量的持續(xù)迅速減少、全球環(huán)境形勢日趨緊張惡化、全球氣溫快速變暖加速等許多嚴(yán)峻問題，導(dǎo)致對(duì)傳統(tǒng)重要戰(zhàn)略能源產(chǎn)品的持續(xù)高效開發(fā)應(yīng)用也面臨前所未有的困難與和制約。

風(fēng)能資源因具備其開發(fā)技術(shù)研究最完善成熟、開發(fā)可利用資源規(guī)模潛力最大等優(yōu)勢，在各類清潔能源中廣泛被人們選擇利用。2016年，全球風(fēng)電累計(jì)新增風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過54GW，累計(jì)裝機(jī)容量則達(dá)到486.8GW［1］。中國從2005年開始至2016年間風(fēng)電工業(yè)發(fā)展總體呈現(xiàn)行業(yè)發(fā)展相當(dāng)迅速，累計(jì)完成裝機(jī)容量呈現(xiàn)出逐年平穩(wěn)上升運(yùn)行的趨勢，新增總裝機(jī)容量在2008年后仍然保持較高水平。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量為1930萬kW，占世界風(fēng)電新增裝機(jī)容量的42.7%，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.49億kW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9%，年發(fā)電量為2410億kWh，風(fēng)電滲透率達(dá)4%［1］。國家能源局在2016年11月底印發(fā)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃提出，到2020年我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)2.1億kW，年發(fā)電量在4200億kWh以上，風(fēng)電滲透率達(dá)到6%［2］。

2 研究意義及現(xiàn)狀

中國一直積極致力于探討通過調(diào)整優(yōu)化社會(huì)能源結(jié)構(gòu)來逐步改善城市環(huán)境污染，風(fēng)電技術(shù)成熟度更高，儲(chǔ)量日益豐富，已初步成為全球化石燃料發(fā)電供應(yīng)系統(tǒng)的清潔替代能源的首選。我國目前風(fēng)電事業(yè)發(fā)展較迅速，2008年以來，每年風(fēng)電項(xiàng)目新增風(fēng)電裝機(jī)容量也一直保持較高水平。

然而，風(fēng)電功率輸出由于受許多自然條件共同影響，表現(xiàn)出隨機(jī)性大和波動(dòng)性高的突出特點(diǎn)。為進(jìn)一步保證我國電力系統(tǒng)與主負(fù)荷電網(wǎng)系統(tǒng)安全高效穩(wěn)定正常運(yùn)行，風(fēng)電場地普遍還存在大規(guī)模棄風(fēng)發(fā)電現(xiàn)象，且在南方部分省份已經(jīng)十分嚴(yán)重。

在盡可能保證發(fā)電機(jī)組自身可靠穩(wěn)定高效運(yùn)行特性的基礎(chǔ)前提下，風(fēng)電機(jī)組本身應(yīng)具備其他常規(guī)機(jī)組應(yīng)有的環(huán)境友好化特性，為整個(gè)電網(wǎng)服務(wù)提供環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)支持，特別是大型風(fēng)電機(jī)組自身應(yīng)具有提供其他常規(guī)能源系統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)電和綜合輔助能源服務(wù)保障能力，而絕對(duì)不是由一開始就已經(jīng)把大型風(fēng)電機(jī)組開發(fā)成作為某一種近乎穩(wěn)定運(yùn)行的有功備用電源設(shè)備來直接參與整個(gè)電網(wǎng)業(yè)務(wù)的運(yùn)行［2］。

風(fēng)電輸出條件的嚴(yán)重波動(dòng)性特征和高隨機(jī)性也是容易導(dǎo)致人工棄風(fēng)發(fā)電現(xiàn)象持續(xù)增加的一個(gè)重要原因。風(fēng)電并網(wǎng)容量雖不斷快速增加，但由于風(fēng)電信號(hào)輸出波形的高度隨機(jī)性特征和高波動(dòng)性特點(diǎn)［3-4］，導(dǎo)致風(fēng)電線路潮流劇烈波動(dòng)、系統(tǒng)低頻振蕩，進(jìn)而最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)頻率高度不連續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

面對(duì)當(dāng)前上述重大挑戰(zhàn)和緊迫需要，研究探討如何有效優(yōu)化或改良我國風(fēng)電機(jī)組一次功率調(diào)頻特性，使各類風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的風(fēng)電輸出功率曲線平滑，提高各類風(fēng)電設(shè)計(jì)對(duì)整體電力系統(tǒng)穩(wěn)定的支撐能力，從而最終使國內(nèi)電力系統(tǒng)運(yùn)行在國內(nèi)外風(fēng)電裝機(jī)容量大規(guī)模快速并網(wǎng)增長的大發(fā)展趨勢中得以逐步獲得適應(yīng)，在持續(xù)增強(qiáng)整體電力系統(tǒng)正常運(yùn)行過程的安全性能力和總體可靠性質(zhì)量等關(guān)鍵問題方面，具有重要意義。

3 控制策略的對(duì)比研究

3.1 國內(nèi)外成果綜述

在風(fēng)電場參與發(fā)電系統(tǒng)二次調(diào)頻運(yùn)行的控制及其策略方面，大多學(xué)者的控制理論或研究方向集中表現(xiàn)在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的慣性控制研究和一次調(diào)頻運(yùn)行控制分析兩個(gè)大方面。文獻(xiàn)［5-6］系統(tǒng)總結(jié)研究轉(zhuǎn)子超速控制、慣性調(diào)頻控制策略和變槳速控制這三種較為全面成熟完善的新型風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻振動(dòng)控制策略，可以得到以下結(jié)論：隨著風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展，越來越要求風(fēng)電具備傳統(tǒng)電源的輔助功能，特別是主動(dòng)控制和調(diào)頻功能來適應(yīng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)比較見下表，儲(chǔ)能參與風(fēng)電調(diào)頻的效果見下圖。

圖 儲(chǔ)能參與風(fēng)電調(diào)頻的效果示意圖

其中，慣性調(diào)速控制的策略是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)能量的輸入或輸出功率達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)總輸出及功率分配的目標(biāo)［7-12］，而轉(zhuǎn)子超速控制的策略［13-15］與變槳距控制策略［15］是通過改變風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率輸出量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出功率，通過對(duì)比分析在采用不同頻率控制調(diào)頻策略前提下實(shí)現(xiàn)的風(fēng)機(jī)能量的流動(dòng)調(diào)控原理，和實(shí)驗(yàn)資料對(duì)比，可以明確看出，慣性調(diào)頻控制調(diào)頻策略實(shí)現(xiàn)的控制響應(yīng)速度達(dá)到最快，變槳調(diào)頻控制調(diào)頻策略達(dá)到的調(diào)節(jié)響應(yīng)能力也最強(qiáng)。

3.2 控制策略對(duì)比

上海電機(jī)學(xué)院等［16］認(rèn)識(shí)到基于現(xiàn)有的單一儲(chǔ)能有一定的局限性，難以參與系統(tǒng)調(diào)頻發(fā)揮穩(wěn)定作用，而混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效結(jié)合兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)的各自優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一儲(chǔ)能的不足，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。為了使大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率穩(wěn)定，提出了基于SMES和BESS的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入方案及其控制結(jié)構(gòu)。深入探究加入ESS系統(tǒng)前后，系統(tǒng)頻率變化以及頻率變化率。仿真結(jié)果表明，ESS可以改善大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后造成的抗擾動(dòng)能力下降，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，頻率能更快地恢復(fù)到正常運(yùn)行水平。

文獻(xiàn)［17-18］中關(guān)于通過增加輔助設(shè)備來提高風(fēng)電調(diào)頻能力的研究主要集中在增加儲(chǔ)能裝置來平滑風(fēng)電輸出波動(dòng)，提高風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力。儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)控制靈活、響應(yīng)快、穩(wěn)定可控的能源，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)合，通過改進(jìn)原有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得更好的頻率調(diào)節(jié)能力，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能電源輔助風(fēng)電調(diào)頻的原理是，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，迅速釋放自身能量，支持系統(tǒng)頻率；當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)，迅速吸收多余能量，減緩頻率偏差。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的推廣與發(fā)展，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻已成為儲(chǔ)能的熱門應(yīng)用之一，許多專家學(xué)者指出，儲(chǔ)能電池是與傳統(tǒng)電源共同參與調(diào)頻的有效途徑。文獻(xiàn)［19］研究指出，儲(chǔ)能電源設(shè)備響應(yīng)調(diào)頻調(diào)度命令的速率極快，通常是火電機(jī)組的60倍以上，通過與火電機(jī)組共同參與調(diào)頻，大大增強(qiáng)了一次調(diào)頻的能力。

文獻(xiàn)［20］研究大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的一次調(diào)頻問題，同時(shí)分析大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響，提出針對(duì)電網(wǎng)的儲(chǔ)能VSG輔助風(fēng)電參與一次調(diào)頻的最優(yōu)控制策略，并選擇適合電網(wǎng)一次調(diào)頻的儲(chǔ)能類型，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。在風(fēng)電滲透率達(dá)到0.3條件下，最大動(dòng)態(tài)頻率偏差的絕對(duì)值可達(dá)0.2213Hz，超出電力系統(tǒng)對(duì)頻率的規(guī)定要求。所以儲(chǔ)能電源的加入尤為必要，隨著儲(chǔ)能電源的加入，將區(qū)域電網(wǎng)的最大動(dòng)態(tài)頻率偏差拉回到0.2Hz以內(nèi)，提高頻率指標(biāo)，提示了系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力，大大減輕火電調(diào)頻機(jī)組運(yùn)行的負(fù)擔(dān)。研究表明，文獻(xiàn)［21］針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)可能導(dǎo)致的日內(nèi)調(diào)頻儲(chǔ)備不足，考慮常規(guī)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組同時(shí)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，并進(jìn)一步探討電力資源的快速啟動(dòng)能力。研究結(jié)果表明，該調(diào)度模型可以進(jìn)一步支持常規(guī)機(jī)組的一次調(diào)頻，同時(shí)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和各種高風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)情況下的暫態(tài)頻率安全性。為了與實(shí)際問題相結(jié)合，值得進(jìn)一步研究風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組共享備用的情況。

4 結(jié)束語

當(dāng)然，我國目前風(fēng)力發(fā)電還存在一定的問題［22］，首先我國目前的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，從設(shè)計(jì)、溝通、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、監(jiān)測等方面的全過程技術(shù)和產(chǎn)品服務(wù)都不夠健全，風(fēng)力發(fā)電還處于起步階段，仍需要更多探索。其次，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目與農(nóng)村電網(wǎng)改造建設(shè)及規(guī)劃等密不可分?？紤]目前建設(shè)風(fēng)力輸電線路項(xiàng)目需要很高成本投入，對(duì)于那些目前還遠(yuǎn)離中心城市區(qū)域的中小型風(fēng)電項(xiàng)目，如何進(jìn)行有效整合解決項(xiàng)目并網(wǎng)初期的巨額資金的投入才是問題產(chǎn)生的一個(gè)關(guān)鍵，同時(shí)項(xiàng)目還同樣需要充分考慮到其在后期并網(wǎng)實(shí)施過程中會(huì)經(jīng)常可能發(fā)生的兼容性問題，如閃變、電壓、諧波、頻率失真等許多容易發(fā)生導(dǎo)致城市電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生不大穩(wěn)定的主要因素，從而還需要企業(yè)加大相關(guān)技術(shù)設(shè)備投入。最后，需要政府進(jìn)一步研究合理化的風(fēng)力發(fā)電的電力價(jià)格。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的研發(fā)投入和成本如何核算原材料及電力市場供求量價(jià)格等多個(gè)因素將會(huì)直接關(guān)系到今后風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)價(jià)格，需要聯(lián)合多家有關(guān)單位參與，共同探討制定一套合理可行的價(jià)格，既要滿足投資，又要照顧公眾。