面向新型電力系統(tǒng)的風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)分析

唐 堅(jiān)，蘇劍濤，姚禹歌，唐慶宏，吳玉新，岳光溪

（1.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084； 2.龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程技術(shù)有限公司，北京 100034）

受風(fēng)速固有特征的影響，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)隨機(jī)性。為了高效地捕獲風(fēng)能、增強(qiáng)發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用最大功率跟蹤控制（maximum power point tracking，MPPT），即由風(fēng)況決定輸出功率。MPPT控制下的輸出功率與電力系統(tǒng)頻率呈復(fù)雜的非線性關(guān)系，將削弱電力系統(tǒng)抵御波動(dòng)的能力，為電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)。頻率是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定，尤其是頻率的跌落會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定和電力設(shè)備的安全，這也是制約風(fēng)電等新能源發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵性問題。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)內(nèi)，風(fēng)電主要提供高效的電能變化，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量和發(fā)電量較低，不承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻的任務(wù)；而在“高比例新能源”、“高比例電力電子化”的新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電將作為主要成員，其裝機(jī)容量和發(fā)電量均會(huì)大幅提升。因此，在新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電將承擔(dān)重要的電網(wǎng)調(diào)頻任務(wù)，主動(dòng)協(xié)同新能源發(fā)電，保障電力系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行[1-2]。

實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與其他新型電力系統(tǒng)成員進(jìn)行互動(dòng)調(diào)頻，對(duì)于未來我國能源轉(zhuǎn)型有重要意義，也是目前的研究熱點(diǎn)之一。因此，本文將從風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻技術(shù)、風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻技術(shù)及風(fēng)電建模及驗(yàn)證研究等3個(gè)方面進(jìn)行綜述，并對(duì)基于未來新型發(fā)系統(tǒng)的風(fēng)電調(diào)頻發(fā)展進(jìn)行展望。

1 風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)

目前，風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的運(yùn)行控制手段主要有轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制、功率備用控制和轉(zhuǎn)子動(dòng)能與功率備用聯(lián)合控制。

1.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制

轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制利用機(jī)組轉(zhuǎn)子內(nèi)儲(chǔ)存的動(dòng)能，通過控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)組與電網(wǎng)的有功交換，從而參與電力系統(tǒng)調(diào)頻[3-4]。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制是電磁響應(yīng)過程，可提供毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制可在52 s內(nèi)，為外部系統(tǒng)提供額定容量10%的功率輸出[5]。

由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與電網(wǎng)的頻率變化解耦，因此風(fēng)電機(jī)組需要進(jìn)行虛擬慣性控制，即模擬同步機(jī)組的慣性響應(yīng)過程，以響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。通過在控制回路中引入和頻率變化有關(guān)的控制環(huán)節(jié)，利用頻率的偏差計(jì)算有用功的變化，代入轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的調(diào)頻環(huán)節(jié)[6-8]。

然而，受轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)動(dòng)能的限制，轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制無法應(yīng)對(duì)較大的負(fù)荷變化。同時(shí)，轉(zhuǎn)子動(dòng)能的有功交換會(huì)使風(fēng)機(jī)偏離MPPT運(yùn)行，而且風(fēng)機(jī)在退出調(diào)頻狀態(tài)時(shí)需吸納部分風(fēng)能提升轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步降低了發(fā)電能力，可能引發(fā)系統(tǒng)頻率的二次跌落[9]。

1.2 功率備用控制

同步機(jī)組在轉(zhuǎn)子動(dòng)能耗盡后，可利用鍋爐蓄熱等能量并配合燃料的投入，為電網(wǎng)提供持續(xù)的調(diào)頻功率輸出。同樣地，當(dāng)面對(duì)較大的負(fù)荷變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組也可利用減載運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組所預(yù)留的功率容量持續(xù)參與系統(tǒng)調(diào)頻，也即風(fēng)電機(jī)組的功率備用控制。然而，該控制方法需要機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間減載運(yùn)行，偏離MPPT，降低了發(fā)電能力，影響運(yùn)營收益，且風(fēng)力資源的不確定使得減載量難以確定[10-11]。

功率備用控制的具體方法主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、槳距角控制和槳距角與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制相似，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，然而一般只適用于中低風(fēng)速。變槳距角控制適用的風(fēng)況條件較廣，但是該控制方法屬于機(jī)械響應(yīng)，需要較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，并且頻繁變槳引發(fā)疲勞載荷問題，會(huì)加劇設(shè)備機(jī)械損耗[12-13]。二者的協(xié)調(diào)控制由風(fēng)況決定，中低風(fēng)速下優(yōu)先采用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，高風(fēng)速下采用槳距角控制，避免頻繁變槳操作[14]。

1.3 轉(zhuǎn)子動(dòng)能與功率備用聯(lián)合控制

轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制可快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，功率備用控制能夠提供持續(xù)的有功容量，兩者聯(lián)合控制能夠有效避免單一控制模式的不足，進(jìn)一步提高風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)特性[15-16]。聯(lián)合控制中需要合理的控制策略，避免轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中的功率跌落[17-19]，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率的快速穩(wěn)定響應(yīng)[20-21]，優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速[22]。

在某些特定工況下，風(fēng)電機(jī)組相比于火電機(jī)組將具備更強(qiáng)的頻率調(diào)節(jié)能力[23]，但聯(lián)合控制會(huì)增大控制的復(fù)雜程度和協(xié)調(diào)難度。

2 風(fēng)電場(chǎng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)

“聯(lián)片開發(fā)，集中送出”是我國風(fēng)電開發(fā)的特有模式。大型風(fēng)電場(chǎng)通常集中安裝數(shù)十到數(shù)百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，其所輸出的功率通過共同節(jié)點(diǎn)集中并入電網(wǎng)。因此，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的影響更多體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)整體對(duì)電網(wǎng)的影響。

2.1 風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻控制

在電網(wǎng)發(fā)生頻率偏移時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的功率響應(yīng)需要分配到不同的風(fēng)電機(jī)組；同時(shí)，在發(fā)生調(diào)節(jié)動(dòng)作時(shí)不同的風(fēng)電機(jī)組需要協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)頻效果。

風(fēng)電場(chǎng)依據(jù)風(fēng)場(chǎng)信息分配調(diào)頻功率的方法通常以風(fēng)速作為調(diào)頻功率分配的指標(biāo)，風(fēng)速與機(jī)組所承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)的功率大小成正相關(guān)[24-26]。但風(fēng)電機(jī)組所處位置的風(fēng)速通常變化頻繁，且同機(jī)組功率輸出值與風(fēng)速不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此該調(diào)頻策略的工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組也可以通過實(shí)時(shí)感知自身及周邊風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，自主實(shí)現(xiàn)功率分配[27-30]。

風(fēng)電調(diào)頻是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率輸出的疊加。這一過程要求眾多風(fēng)電機(jī)組協(xié)同運(yùn)行，同步投入調(diào)頻動(dòng)作，最大化調(diào)頻效果，在調(diào)頻過程中或退出調(diào)頻時(shí)，處于不同工況的機(jī)組有序動(dòng)作，避免或緩解二次跌落等問題的發(fā)生[31-33]。受所在地區(qū)風(fēng)況的影響，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)是秒級(jí)變化，不同機(jī)組間的協(xié)同需要感知周圍機(jī)組的變化，產(chǎn)生大量的信息交換，這將大幅增加風(fēng)場(chǎng)信息系統(tǒng)的通訊負(fù)擔(dān)。

2.2 儲(chǔ)能等輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)風(fēng)電調(diào)頻

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，易改變調(diào)節(jié)方向等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。多種不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)均可在1 s內(nèi)完成自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）調(diào)度指令，是傳統(tǒng)火電機(jī)組響應(yīng)速度的數(shù)十倍。因此，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組相結(jié)合，以風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的形式參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可賦予低慣性的風(fēng)電機(jī)組更強(qiáng)的頻率響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。雖然，目前已經(jīng)有多種風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略，但是儲(chǔ)能設(shè)備參與風(fēng)電調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性亟需提高[34-40]。技術(shù)層面上，考慮到風(fēng)速變化和頻率越限的隨機(jī)性，儲(chǔ)能設(shè)備種類的選取和容量的配置仍需進(jìn)一步研究。

隨著風(fēng)電調(diào)頻經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的進(jìn)步，一些新的調(diào)頻方法和控制算法被提出，為風(fēng)電調(diào)頻控制引入了新的思路，但是這些方法和算法顯著增大了風(fēng)電調(diào)頻控制的復(fù)雜程度，需要進(jìn)一步驗(yàn)證其適用性[41-42]。

3 風(fēng)電模型及驗(yàn)證

風(fēng)電參與電網(wǎng)調(diào)頻依托于相關(guān)模型的建立，模型的準(zhǔn)確性與適用性對(duì)于風(fēng)電參與電網(wǎng)調(diào)頻至關(guān)重要。風(fēng)電調(diào)頻控制策略的制定需要借助風(fēng)電機(jī)組模型、風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型和風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻模型。

3.1 風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要部件包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、變流器和控制器。風(fēng)電機(jī)組的建模思路是通過設(shè)定風(fēng)機(jī)功率特性曲線來描述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)機(jī)輸出功率之間的關(guān)系，通過設(shè)定傳動(dòng)鏈的機(jī)械特性來描述風(fēng)輪機(jī)械特性，形成完整的風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。模型中應(yīng)將描述電機(jī)特性的關(guān)鍵參數(shù)（如電阻、電感等）作為變量，進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組功率輸出的關(guān)系。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模已較為成熟，雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的機(jī)械、發(fā)電機(jī)、變流器的建模過程在文獻(xiàn)[43-45]中詳細(xì)敘述，其中涉及的建模方法沿用至今。在此基礎(chǔ)上，封裝好的風(fēng)機(jī)模型也已經(jīng)完整嵌入到MATLAB/Simulink和PSASP等主流仿真軟件中。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)等值模型

實(shí)際的電力系統(tǒng)非常復(fù)雜，1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)往往擁有幾十甚至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組往往分布較廣，因此同一時(shí)刻在同一風(fēng)場(chǎng)中的不同風(fēng)機(jī)會(huì)面臨不同的風(fēng)況。此外，分期建設(shè)的風(fēng)場(chǎng)可能會(huì)采購不同容量、不同品牌的風(fēng)機(jī)，這些都會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組間的功率差異。若針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中每臺(tái)機(jī)組的控制系統(tǒng)建立詳細(xì)的仿真模型，會(huì)面臨極大的計(jì)算規(guī)模，計(jì)算效率極低，因此有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模分析研究[46]。

等值建模中最簡(jiǎn)單的方法是用1臺(tái)特定風(fēng)機(jī)代表1個(gè)風(fēng)場(chǎng)的單機(jī)等值建模法。這種方法過度簡(jiǎn)化了模型，其仿真結(jié)果與真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)相差較遠(yuǎn)[47-48]。為提升仿真的效果，可以采用多機(jī)等值的方法，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組的特征將其分群聚類，對(duì)不同的聚類子群分別建模。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同機(jī)組有效分群聚類是多機(jī)等值建模的關(guān)鍵。傳統(tǒng)研究中多采用知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方式，即依據(jù)來流風(fēng)速大小[49]、機(jī)組地理位置[50]、槳距角動(dòng)作情況[51]等單一條件特征劃分機(jī)組。知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方法雖然克服了單機(jī)等值的缺點(diǎn)，但采用單一指標(biāo)對(duì)風(fēng)電機(jī)組聚類，無法全面反應(yīng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)之間的差異，效果不甚理想。近年來，一些研究將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方法結(jié)合，利用數(shù)據(jù)聚類算法，根據(jù)風(fēng)機(jī)組的多維特征數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，從而提升多機(jī)等值的效果。文獻(xiàn)[48]提出了基于改進(jìn)K-means算法的等值建模方法，以風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速、輸出功率及轉(zhuǎn)差率作為聚類指標(biāo)劃分機(jī)組。文獻(xiàn)[52]提出了基于Fuzzy C-means算法的多機(jī)等值建模方法，并進(jìn)一步在聚類中綜合考慮了風(fēng)速的權(quán)值以及場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組的位置、運(yùn)行特性、控制延遲等差異。除此之外，DBSCAN算法[53]、層次聚類算法[54]等聚類算法也都曾被用在風(fēng)電場(chǎng)等值建模中。已有文獻(xiàn)應(yīng)用聚類算法進(jìn)行等值建模時(shí)都對(duì)經(jīng)典的聚類模型做了不同程度的改進(jìn)，這些改進(jìn)主要分為2類：一類是改進(jìn)聚類的指標(biāo)，除根據(jù)電機(jī)機(jī)理來篩選風(fēng)速、運(yùn)行狀態(tài)參量等特征指標(biāo)外，也有研究用主成分分析法（principal component analysis，PCA） 對(duì)特征指標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理，降低數(shù)據(jù)的冗余性同時(shí)提升聚類的效果[55]；另一類是改進(jìn)聚類模型的參數(shù)，通過修改特征的距離度量方法[56]或特征權(quán)重[52]等算法參數(shù)，達(dá)到提升等值建模效果。

3.3 風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)頻模型

目前，關(guān)于風(fēng)電一次調(diào)頻的研究多為針對(duì)風(fēng)機(jī)控制策略方面的理論研究，通過仿真驗(yàn)證判斷策略的有效性。

文獻(xiàn)[57]研究了轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的策略優(yōu)化，使用的仿真系統(tǒng)包含1臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1個(gè)負(fù)荷。系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)發(fā)電功率占比20%，系統(tǒng)遭受的功率缺額擾動(dòng)為總發(fā)電功率的10%。該研究通過對(duì)比加入控制策略前后的頻率波動(dòng)，驗(yàn)證了研究結(jié)論的有效性。

文獻(xiàn)[58]研究了調(diào)頻控制參數(shù)對(duì)調(diào)頻的影響，使用的仿真系統(tǒng)包含1臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1個(gè)負(fù)荷。系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)發(fā)電功率占比21.08%，負(fù)荷波動(dòng)為10%。該研究通過比較不同調(diào)頻控制參數(shù)在一次調(diào)頻中的效果，驗(yàn)證了文中關(guān)于調(diào)頻參數(shù)取值范圍的理論推導(dǎo)。

文獻(xiàn)[59]從一次調(diào)頻以及頻率約束角度討論風(fēng)電占比極值。該研究采用IEEE經(jīng)典9節(jié)點(diǎn)模型，系統(tǒng)包含3臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、1臺(tái)風(fēng)機(jī)和3組負(fù)荷，仿真過程中風(fēng)速恒定為9 m/s。文章通過設(shè)計(jì)不同風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻控制系數(shù)場(chǎng)景仿真、不同負(fù)荷變化水平場(chǎng)景仿真、不同風(fēng)機(jī)減載比例場(chǎng)景仿真，來驗(yàn)證文章關(guān)于風(fēng)電占比極限理論推導(dǎo)的正確性。

文獻(xiàn)[60]對(duì)已有模型進(jìn)行了風(fēng)況方面的改進(jìn)，將某風(fēng)電場(chǎng)24 h風(fēng)況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入模型中對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻進(jìn)行仿真，使用的仿真系統(tǒng)包含 1臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1個(gè)負(fù)荷，系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)容量占比為1/7。仿真結(jié)果表明在長(zhǎng)周期持續(xù)頻率擾動(dòng)中，具備調(diào)頻能力的風(fēng)電機(jī)組可以有效改變系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

不同于大多數(shù)研究所采用的純數(shù)字系統(tǒng)，文 獻(xiàn)[5]搭建了能夠反映風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)、機(jī)械和發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)特性的Bladed和MATLAB聯(lián)合仿真系統(tǒng)。在Bladed仿真系統(tǒng)中搭建了包括風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪、傳動(dòng)鏈等在內(nèi)的氣動(dòng)、機(jī)械部分的仿真模型，能夠準(zhǔn)確反映調(diào)頻過程中風(fēng)輪氣動(dòng)特性及慣性儲(chǔ)能；在MATLAB/Simulink軟件中建立能夠反映變流器、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)電氣部分的電磁暫態(tài)仿真模型。該研究不僅利用仿真來驗(yàn)證調(diào)頻策略，還對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

雖然，上述研究采用了高效的仿真模型，并均通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了研究結(jié)論，但是在所使用的模型中，多利用小容量同步機(jī)代替電網(wǎng)，通過調(diào)整同步機(jī)與風(fēng)機(jī)的容量比來改變系統(tǒng)中風(fēng)電的比例，通過負(fù)載波動(dòng)來制造1個(gè)0.3～0.6 Hz的頻率擾動(dòng)。上述簡(jiǎn)化方法雖然有利于模型的建立與求解，但是與實(shí)際的大型風(fēng)電場(chǎng)有較大差異，無法體現(xiàn)出大型風(fēng)電場(chǎng)中的運(yùn)行復(fù)雜性，不利于風(fēng)電調(diào)頻策略的制定，因此無法確定上述模型能否適用于實(shí)際的電力系統(tǒng)中。

4 風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題

國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電參與電力系統(tǒng)調(diào)頻已有了大量的討論，設(shè)計(jì)了不同的風(fēng)電調(diào)頻控制策略，并進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證與效果分析。但風(fēng)電參與調(diào)頻在實(shí)際生產(chǎn)過程中的實(shí)踐相對(duì)較少，與規(guī)?；瘧?yīng)用還有一定的距離，還有以下3個(gè)方面的諸多問題需要進(jìn)一步研究。

4.1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性低

相比于傳統(tǒng)的火電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較低，其運(yùn)行頻率也具有較高的不確定性。圖1中機(jī)組為額定功率為1 500 kW的雙饋機(jī)組，在同一風(fēng)速下功率的波動(dòng)范圍可超過1 000 kW，因此其運(yùn)行頻率與風(fēng)況也絕非是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。風(fēng)電機(jī)組自身頻率的大幅波動(dòng)，使得風(fēng)電系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制過程更加復(fù)雜。同時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制、功率備用控制或二者聯(lián)合控制的調(diào)頻過程中均要頻繁地偏離MPPT運(yùn)行方式，這將降低機(jī)組運(yùn)行的安全裕度，增加設(shè)備運(yùn)行中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和單機(jī)組調(diào)頻安全性的提升將是風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)中的基礎(chǔ)。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)中機(jī)組間運(yùn)行工況差異大

風(fēng)電參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的本質(zhì)是風(fēng)電機(jī)組群對(duì)電網(wǎng)的整體效應(yīng)。圖1為某風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率的散點(diǎn)圖，圖2為該風(fēng)場(chǎng)134臺(tái)風(fēng)電機(jī)組4個(gè)時(shí)刻的功率分布。然而如圖2所示，同一風(fēng)場(chǎng)的134臺(tái)風(fēng)電機(jī)組雖然均為額定功率1 500 kW的雙饋機(jī)組，但是其工作狀態(tài)在時(shí)間和空間上存在較大的差異，甚至可能同時(shí)存在0功率運(yùn)行和額定功率運(yùn)行的機(jī)組。并且考慮到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)況是秒級(jí)變化的，因此風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行信息不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤與交互。因此，在工程實(shí)踐中，不易獲得風(fēng)電場(chǎng)中最佳的功率分配，也難以通過風(fēng)場(chǎng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)頻效果。而雖然采用儲(chǔ)能等電力電子輔助設(shè)備參于調(diào)頻可增強(qiáng)調(diào)節(jié)效果，但是其經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步分析。

4.3 現(xiàn)有風(fēng)電調(diào)頻模型與策略的局限性

未來我國風(fēng)電裝機(jī)比例將持續(xù)提高，因此需要進(jìn)一步高效且準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電生產(chǎn)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響，相關(guān)模型的優(yōu)化對(duì)于風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略的研究多基于風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)特性建立風(fēng)速功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同實(shí)際工況有一定的差異，調(diào)頻效果有待實(shí)踐驗(yàn)證。而風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型及其調(diào)頻模型的運(yùn)算效率和準(zhǔn)確度往往呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如何將二者兼顧一直以來都是建模過程中的一大難題。目前風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用的模型多采用了大量的等值簡(jiǎn)化處理，模型中復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)可化簡(jiǎn)為相同參數(shù)機(jī)組運(yùn)行的簡(jiǎn)單疊加。雖然這樣的簡(jiǎn)化模型可以有效地節(jié)約計(jì)算資源，但是與實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)，對(duì)于復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)可能會(huì)造成仿真結(jié)果的較大誤差，不利于調(diào)頻策略的確定。通過該簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證的風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)，其在實(shí)際調(diào)頻過程中的適用性需要進(jìn)一步分析。

受到風(fēng)能間歇性的影響，風(fēng)電機(jī)組在環(huán)境無風(fēng)時(shí)不具備參與電網(wǎng)調(diào)頻的能力。而在相關(guān)研究中，當(dāng)風(fēng)電不參與調(diào)頻時(shí)，仿真系統(tǒng)仍能出現(xiàn)擾動(dòng)并導(dǎo)致頻率超限，偏離實(shí)際運(yùn)行情況。為突出相關(guān)策略的調(diào)頻效果，模型中設(shè)置的擾動(dòng)大多能造成5%以上的功率缺額或超過0.05 Hz以上的頻率變化。然而我國實(shí)際發(fā)生的大高頻率擾動(dòng)事件多發(fā)生在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，在這些地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)比例相對(duì)較小，風(fēng)電參與調(diào)頻對(duì)于電網(wǎng)的影響較小。這些都體現(xiàn)出了現(xiàn)有模型與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的差異，依托于模型得到的策略與結(jié)論的工程意義有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此相關(guān)模型的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)于風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)至關(guān)重要。

5 風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)展望

電力系統(tǒng)的“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子裝備）化趨勢(shì)越來越明顯，基于常規(guī)同步機(jī)組構(gòu)建的電力系統(tǒng)平衡模式受到?jīng)_擊。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量的日益擴(kuò)大，運(yùn)用于風(fēng)電機(jī)組細(xì)微的技術(shù)差異，對(duì)電網(wǎng)的影響有可能形成累加，甚至耦合放大形成連鎖效應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)的工程實(shí)踐與技術(shù)推廣，還需進(jìn)行以下研究。

1）風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較低是制約風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，因此應(yīng)利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，研究風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特征。在已有的簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)矯正設(shè)定，建立更接近實(shí)際大型風(fēng)場(chǎng)的模型，并制定相應(yīng)的調(diào)頻策略。

2）廣泛開展現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐。當(dāng)前風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)研究?jī)H在仿真實(shí)驗(yàn)中獲得了較為理想的成果，但相關(guān)技術(shù)成果缺少在實(shí)際電網(wǎng)中的驗(yàn)證，因此這些成果能否從仿真實(shí)驗(yàn)推廣至實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中仍是未知的。同樣，對(duì)于模型的發(fā)展和相應(yīng)調(diào)頻策略的改進(jìn)，也需要工業(yè)實(shí)踐的檢驗(yàn)。

3）非線性運(yùn)行特征使得風(fēng)電機(jī)組在某些特定條件下有良好的調(diào)節(jié)潛力。因此，應(yīng)分析風(fēng)電成為主力電源后電力系統(tǒng)的特性，考慮不同數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組組合實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的整體影響，結(jié)合智能化信息化電力系統(tǒng)的建設(shè)，調(diào)整或構(gòu)建新的能量平衡策略。

4）隨著風(fēng)電機(jī)組數(shù)量及地理分布廣闊性的增加，風(fēng)電機(jī)組整體的功率波動(dòng)性和隨機(jī)性減弱（圖3），其對(duì)系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。脫離單個(gè)機(jī)組與風(fēng)場(chǎng)的限定，在更大范圍內(nèi)研究風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)頻率的影響，有機(jī)會(huì)開發(fā)出新的風(fēng)電調(diào)頻技術(shù)或策略。