第５Ｏ卷 第１０期 ＇Ｉ｝ Ｖ０１．５Ｏ．Ｎｏ．１０ ２０１７正 １０月 ＭＩＣＲ０Ｍ０ＴＯＲＳ ０ｃｔ．２０１７ 风力发电调频策略研究现状分析 程志平，张晗念，徐亚利 （郑州大学电气工程学院，郑州４５０００１） 摘要：风力发电作为清洁能源主要形式之一受到研究人员的重视。本文对目前风力发电控制策略进行梳理，从技 术角度对风力发电系统中的风电机组虚拟惯性控制、超速控制、桨距角控制、协制以及储能参与风电机组调频 的技术等进行总结归纳，并对风电控制系统发展趋势进行分析。 关键词：风电机组；虚拟惯性；超速控制；桨距角控制；储能 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１．６８４８（２０１７）１０．００６９．０７ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＣＨＥＮＧ Ｚｈｉｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｎｎｉａｎ，ＸＵ Ｙａｌｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｃｌｅａｎ ｅｎｅｒｇｙ，ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｈａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｅｒｔｉａ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｏｖｅｒ—ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｔｃ．．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｅｒｔｉａ；ｏｖｅｒ－ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ Ｏ 引 言 机组常用的为变速恒频的双馈风电机组和直驱风电 机组¨ ，工作原理通过电力变换技术调节风电机组 随着风力发电技术的成熟，风电在电力行业的 的输出与电网同步，这种运行方式使得风机输出的 比例越来越高。因为风能间歇性和随机性的特点， 机械功率与系统的电磁功率解耦，风机转速与系统 风电越来越高的渗透率也给电力市场带来一些问题， 频率解耦 ４ Ｊ，无法在频率发生变化时，依靠风机转 主要表现在两个方面。 速为系统频率提供调频支持，且现有风机为了汲取 一是运行成本的增加。风力发电机会取代一部 最大风能，常运行在最大功率追踪点，不能提供有 分常规发电机，而风能的间歇性，使得风力发电机 功备用。因此风电机组无法主动响应系统频率的变 的输出功率具有随机波动性，在风能匮乏的情况下， 化，而频率的稳定是电网电能质量的一项重要指标。 需要启用备用容量来弥补风力发电的不足，这增加 由上述分析，为了降低风电并网对电网频率稳 了备用容量的成本。同时，大规模风电接入电网时 定的影响，风电机组需要承担传统电力机组的辅助 对风电机组的技术要求高，使电网设备升级方面的 调频功能。在调频方面风力发电机主要采用的方法： 投资提高。 虚拟惯性控制，超速控制，桨距角控制等方法。 二是对电网电能质量的影响。随机不稳定的风 风电机组调频技术 能会造成电压和频率的波动，同时也会产生大量谐 波，对电网电能质量造成不良影响，并且在风电渗 １．１虚拟惯性控制 透率高的情况下，这种情况会更加严重。现有风电 虚拟惯性控制是风电机组运行过程中，通过改 收稿日期：２０１７—０４—２７，修回日期：２０１７—０６—１９ 基金项目：河南省高等学校重点科研项目（１７Ａ１２０ｏ１４／１６Ａ１２０ｏ１８）；河南省科技厅科技攻关项目（１５２１０２２１０２４２）。 作者简介：程志平（１９７４），男，副教授，研究方向为电机及其控制。 张晗念（１９９３），女，硕士研究生，研究方向为风力发电控制。 徐亚利（１９９３），女，硕士研究生，研究方向为智能微网控制。 ・７Ｄ・ 搬＇ｌ『机 ５Ｏ卷 变机组转子侧变流器的电流给定，控制转子发生临 时性变化情况下短时释放／吸收风电机组旋转质体所 储存的部分动能，以快速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 Ｊ。常用的虚拟惯 性控制方法有：最大风能追踪的附加频率ＰＤ控 制 墙Ｊ，最大风能追踪曲线优化控制 ，频率一有 功功率下垂系数改进控制 。 。 最大风能追踪的附加频率ＰＤ控制方法以系统频 率．厂的变化量为控制量，如图１所示，当系统频率 发生变化后，风力发电机有功输出发生变化，经过 惯性控制，将输出的附加功率附加到到风机最大风 能追踪的输出功率上，当系统频率降低时，风电机 组通过降低转子转速释放部分旋转动能¨ 。 图１ 最大功翠追踪的附加频翠ＰＤ控制 图中， 一为系统测量， 为参考频率，附加惯 性控制有微分环节和比例环节，整个附加惯性控制 环额外的总功率参考值为 ＝ ＋ （１） 文献［６－７］为了使双馈风电机组具有惯性支持， 利用最大风能追踪的附加惯性控制。其中文献［６］ 通过频率的偏差信号以及转子转速修改控制频率的 比例微分参数，使其适应在不同风速工况下。文献 ［７］中当机械转矩和电磁转矩出现不对应时，转速 控制差值经过ＰＩ（比例积分）调节发电机转速，实现 机械转矩与电磁转矩的平衡，并附加频率控制环节， 当频率发生变化时，通过频率ＰＤ控制（比例微分控 制）在参考功率值上附加一个与系统频率变化相关的 功率，对原来功率控制环节进行修正，使得风电机 组短时增加或者减小输出功率，对系统频率有效响 应。文献［８］指出了用于直驱式风电机组的常规ＰＤ 虚拟惯量控制方法的缺陷：固定的控制参数以及算 法不足以应对所有风速下的频率变化。并给出了ＰＤ 虚拟惯量控制方式相关参数的整定方法，根据不同 风速区机组转子动能和变流器容量对机组调频能力 的不同，引入不同的转子动能评估因子以及变流器 容量因子进行功率协调。 最大风能追踪的附加惯性控制在频率控制策略 中需要降低风电机组的转速来贡献转子动能，那么 最大功率跟踪控制的有功功率却因转速降低而减小， 惯性控制与ＭＰＰＴ存在矛盾，对系统频率调节的稳 定性会造成一定的影响；一些文献根据频率偏差来 优化最大风能追踪曲线进行调频，可以使风电机组 运行在ＭＰＰＴ处，使系统的频率调节更稳定；文献 ［９－１１］在ＭＰＰＴ的基础上，引入与系统频率偏差比 例微分作用量相关的辅助功率，通过检测电网频率 变化来调节最大功率跟踪曲线，释放双馈风电机组 转子的动能，对电网提供动态频率支持。文献［１２］ 指出由直流侧电压的误差信号改变最大功率跟踪曲 线的比例系数，当电网扰动导致直流侧电压增加时， 功率追踪曲线切换，风电机组的电磁功率随着减少， 那么发电机转速增加时，可以获得储存更多的动能。 当直流侧电压下降时，风电机组转速下降释放储存 的动能，使跟踪曲线达到新的稳态。文献［１３］利用 频率的偏差量与变化速率改变最大功率追踪曲线， 获得惯性响应控制。通过双馈机组载荷度的变化， 实现了双馈风机的一次频率控制。 微电网中采用下垂控制来模拟同步发电机的调 频特性，有些文献中对下垂控制进行改进，使风电 机组具有惯性控制。文献［１４］利用同步电机转子的 惯性来保证系统频率的响应，通过对交流微网各同 步发电机下垂控制中的下垂系数进行改进，使之频 率稳态差值减少，并在下垂控制环节中加入一阶惯 性环节，使频率变化率减小。文献［１５］分析对比了 风电机组中虚拟惯量控制与下垂控制的特点，得出 结论为：虚拟惯量控制更能快速消除频率变化，但 下垂控制调频控制具有更小的频率稳态误差值。文 献［１６］针对传统的双馈风电机组的固定的下垂系数 无法根据风速工况调节实时可用容量，无法充分发 挥风电机组的频率响应能力的问题，提出在中低风 速根据机械减载容量和转子动能总和改变下垂系数， 在高风速下根据机械减载容量整定下垂系数的策略。 文献［１７］中提出了基于风电场风速变化的下垂控制 系数的概率模型，使其反映风能的随机变化特性以 及风电场调频能力受风电场随机出力的影响。 在利用虚拟惯性进行调频时，延缓了传统发电 机调速器的响应速度，降低了系统频率的恢复速度， 这使得风力机需要通过持续降低转子转速来提供额 外的功率支撑，这加快了转子转速的下降速度，容 易引起频率的二次下跌。文献［１９］将虚拟惯量控制 辅助功率和风机转速恢复所需消耗的功率补偿到传 统发电机调速器的负荷参考中，从而提高系统频率 的恢复速度，抑制频率二次下跌。文献［２０－２１］利用 风电机组频率．转速协制策略进行调频，其中文 献［２０］中永磁直驱风电机组将频率偏差功率与风轮 １Ｏ期 程志平等：风力发电调频策略研究现状分析 ・７１・ 捕获的风功率一同作为前馈量输入到机侧变流器与 网侧变流器，网测变流器可迅速改变向电网送出的 有功功率，抑制频率的变化的速率，增大系统的惯 性，延长了常规发电厂的频率响应时间。并将转速 控制引入频率控制环，将频率响应阶段与转速恢复 阶段相结合作为控制触发器动作条件，抑制频率的 二次下跌。但文中的频率控制采用的是传统的ＰＩＤ 控制，控制效果受控制器参数的影响非常大，但其 ＰＩＤ参数的调整多依靠经验选取，选取难度较大。 文献［２１］在频率下垂控制中设置高通滤波器（分布 式信号过滤器），其时间常数可以根据不同风况进行 调节，但具体调节方法并未给出。文献［２２］通过改 变ＤＦＩＧ转子磁通的位置向量来减缓发电机输出功率 的临时激增，这有助于减少频率下降过渡时期的损 失。文献［２３］为了避免频率二次下跌，根据双馈风 电机组容量和运行工况调整控制器比例一积分系数， 利用负反馈作用使风电机组随转速下降逐渐退出 调频。 由以上得虚拟惯性控制可迅速向电网释放储存 在风电机组的旋转动能，使风电机组具有类似常规 机组的惯量支持，但还是存在一些缺点： （１）虚拟惯性控制可以提供短暂的惯性支持， 但缺少自适应性，不同的风速状态提供的惯性容量 也是不同的，难以在风速较低和较高的情况下通过 改变转子转速来调节频率。 （２）虚拟惯性控制是持续降低转子转速来提供 额外的功率支持，容易在转速恢复过程中造成频率 二次下跌现象。 １．２超速控制与桨距角控制 上文中的虚拟惯性控制对风电机组进行短暂调 频。长时间调频的方法常用的为超速控制与桨距角 控制，通常被认为是一次调频控制方法 甾］。 超速控制是使转子运行速度超过最大功率追踪 点的速度，当调整转子转速时，可以保留一部分的 有功功率备用，用于频率调节，图２中点ｌ是最大 功率追踪运行点，点２是同一风速下的超速运行点， 如果是风机运行在点２，风机的输出功率小于最大 功率追踪点的功率，保留了一部分的有功备用容量， 如果需要风机的输出功率增加，控制风机的转速下 降至点１与点２的某一处，或者恢复到点１处 。 文献［２５］中在低风速工况下采用超速控制控制 风电机组的有功出力，控制方法为根据减载度计算 双馈风电机组的参考转子转速，通过比例积分控制 Ｐ Ｏ 图２风电机组的转速一功率曲线 器和频率下垂控制器设置调节功率实现减载。文献 ［２６］在额定风速以下先利用超速法实现风机的减载 运行，进而在风机转子侧变化器的有功控制系统中 加入附加频率控制环节。文献［２７］利用超速减载控 制对双馈风电机组调频，电网频率正常时风力机组 运行在超速减载状态，当频率偏差超过控制死区时， 根据当前的转速和扰动量得到转速调节量。文献 ［２８］中为了防止惯性控制调频过程中的频率二次下 跌的现象，在中风速工况下利用惯性控制以及超速 控制相结合调频，先利用超速控制为风电机组留有 部分备用容量，在转子转速达到额定风速之后采用 惯性控制调频。 有上述分析可知超速控制有以下特点： （１）响应速度快，可长时间调频。 （２）因为超速控制的原理是将转子的转速运行 于超过ＭＰＰＴ处的转速，当风速较高时，发电机的 转子转速已经接近转速上限了，因此在高风速的情 况下不适合采用超速控制法调频。 （３）采用超速控制一般都是减载运行状态，这 种降额运行降低了运行效益，且当风速很低时，风 电机组输出的最大跟踪功率也较低，能够预留的有 功备用容量会很小。 上述中超速控制是根据改变转子转速进行调频， 而桨距角控制是通过改变桨距角参与调频。风力涡 轮机捕获的机械能与其桨距角密切相关，风机输出 功率可以由风力涡轮机的桨距角直接控制。与工作 在最大功率追踪状态下相比，增大风力涡轮机的桨 距角可以为系统调频提供备用容量。当系统频率下 降时，减小桨距角，涡轮机将会恢复到最大功率追 踪状态捕获更多的机械能，额外的功率支持可以作 用于系统调频，如图３所示。 ０．６ 图３不同桨距角下风机功率曲线 图中，增大风机桨距角，风机运行点从Ａ点下 ・７２・ 擞电机 ５Ｏ卷 降到Ｂ点，最大追踪功率变小，风机运行在Ｂ点时， 与Ａ点相比具有备用容量，可用于参与系统的频率 控制，当系统频率降低时，可将运行点从Ｂ点变为 Ａ点，使风机增加有功功率，用于系统频率 调节 。 时间常数对实际风电机组桨距角进行控制。文献 一［１１、３５］为了使变速风电机组同时具有惯性支持和 次调频能力，将虚拟惯性控制与桨距角控制相结 合，控制环节三个工作模块，虚拟控制模块、减载 控制模块和一次调频控制模块。减载控制模块根据 已知的减载度设定桨距角，一次调频控制模块根据 改变桨距角可以改变风电机组输出的有功功率， 调整频率，因此可以根据桨距角控制进行调频。文 静调差系数调节风力机的桨距角。文献［３６－３７］将附 加频率ＰＤ控制的虚拟惯量与根据减载度对桨距角进 献［２９］中为了使风电机组获得一定的备用容量对系 统的减载需要进行分析，为了减少桨距角调节的频 行调整的一次调频控制相结合，实现快速调频与长 繁程度，在中高风速下调节桨距角进行调频控制。 时间调频相结合的目的。文献［３８］中根据初始减载 文献［３Ｏ］针对ＤＦＩＧ提出只要求ＤＦＩＧ在高风速段参 与调频，调频方法为根据频率变化值与变化率求得 最大风能系数，再根据桨距角与最大风能系数的简 化线性关系求得相应的桨距角进行一次调频控制， 其中一次调频控制承担功率余量的１％。文献［３１］ 当频率变化量与变化速率超出设定值，同时风速在 额定风速以上时，改变桨距角来调整风电机组的有 功出力。文献［３２］建立以机组运行点相邻时刻转移 时转速和桨距角综合调整量最小为目标函数、以机 组有功平衡和运行点稳定性等为约束条件的非线性 优化模型，并对该模型求解输出转速控制指令与桨 距角控制命令以及应吸收机械功率指令，作为控制 有功出力的输入。 由以上可得桨距角控制的特点为： （１）桨距角控制是通过改变桨距角来改变功率， 转子转速并没有改变，因此系统惯量并没有改变， 而是使风电机组具有一定的有功备用容量来参与调 频，可达到长时间调频的效果。 （２）理论上桨距角控制适用于全风速下，但受 机械特性的影响，桨距角控制响应速度慢，且长时 间磨损会减小使用寿命，一般用于高风速下。 １．３协制 利用虚拟惯量控制只能暂时调频，而超速控制 和桨距角控制可长时间调频，因此有些研究中为了 获得快速响应和长效调频的效果，将超速控制或者 桨距角控制或与虚拟惯性控制相结合．文献［１８、 ３３］将虚拟惯性控制与桨距角控制相协调对风电系统 调频，在双馈风电机组功率的控制环节中附加频率 ＰＤ控制使双馈风电机组具有类似于传统同步发电机 的惯性响应特性，并根据风机出力．桨距角关系选择 桨距角调节范围。文献［３４］建立了含直驱永磁风电 机组的风电系统，在风电机组ＭＰＰＴ控制的基础上 引入与系统偏差比例、微分量相关的附加功率作为 虚拟惯量控制，并通过设定桨距角控制系统的惯性 水平，通过优化调整桨距角与发电机转矩设定值跟 踪减载曲线运行，优先采用超速控制来响应频率变 化，当超速控制无法满足减载度时，再启用桨距角 控制来响应频率变化。 在使用超速控制与桨距角控制时，以上这些研 究并没有根据不同风速做出调整，但实际上超速控 制适用于中低风速的工况下。而桨距角控制是在转 速不变的情况下改变桨距角，理论上适用于各个风 速工况下，但频繁转换桨距角对风轮机磨损大，一 般适用于高风速下。因此在某些研究中根据风速工 况的不同设计不同的控制环节。文献［２５、３９］利用 风电机组的超速控制与桨距角控制进行一次调频。 将超速控制与桨距角相协制，低风速下只使用 超速控制，中风速下桨距角与超速协制，高风 速下桨距角控制。文献［４Ｏ］提出一种变系数虚拟惯 性控制和双馈式感应发电机的一次调频控制相结合 的调频方法。对不同风速下的频率响应特性进行分 析，设计相应的惯性控制参数。其中１０％的风力发 电通过超速控制和桨距角控制，以抵消额外的功率 高峰后的风力发电输出功率的减少。文献［４１］认为 风电场并不适合也没有必要始终参与调频，因此将 风电机组的控制划分为四个阶段：卸载运行段、调 频阶段、最大功率追踪阶段以及脱网阶段。卸载阶 段的系统频率在设定的以内，当系统频率超出 设定的限值的一定范围内，风电机组参与系统调频， 此为调频阶段，且风电机组只在调频阶段参与调频。 调频方法采用转速控制与桨距控制相结合，共同作 用参与电力系统的频率调节。文献［４２—４３］在虚拟惯 量响应控制的基础上设定在额定风速以下是与超速 控制协制，在额定风速以上时与桨距角控制协 调使用。其中文献［４２］用试错法确定了不同风速下 的虚拟惯量控制系数以及风电机组的功频静特性 系数。 由以上得将虚拟惯性控制、超速控制、桨距角 控制组合的协制方法具有以下几个特点： １Ｏ期 程志平等：风力发电调频策略研究现状分析 ・７３・ （１）协制可以将虚拟惯性的快速调频与超 速控制以及桨距角控制长时间调频的优点相结合， 达到快速长效的调频效果。 （２）三者结合的协制可以更好的根据风速 工况进行调频，有更好的自适应性。 补偿系统惯量，利用频率变化率作为反馈输入并调 节惯量常数，使风储联合系统作为一个整体对外提 供有功功率参与电网调频。 还有些文献为了减小储能装置始终参与风电机 组调频任务的运行成本，根据储能装置的荷电状态 决定储能装置是否参与风电机组的调频任务。文献 ［５１］中钒液流电池参与风电系统频率波动控制，以 风功率平滑与频率波动最小为研究目标，提出根据 储能单元的荷电状态反馈的变时间常数的低通滤波 （３）超速控制与桨距角控制需要根据不同的风 速工况，设计不同的控制环节，增加系统的复杂性， 对系统的稳定性造成了一定的影响。且在全风速下 参与系统的一次调频和惯性控制的容量配置难以得 到有效保证。 ２储能参与调频 储能系统具有性能稳定、控制灵活、响应快速 和不受风电机组运行状态约束的特点 ］，在风电机 组或风电场配置一定容量的储能，可以辅助风电参 与系统的频率调节过程。 文献Ｅ４５］中用一个电容储存单元提供风电机组 的虚拟惯性支持。文献［４６］利用调速抽水蓄能发电 机（ＡＳＧ）来控制风电场频率控制的死区。文献［４７］ 建立了含有上网电量收益、辅助服务收益、储能寿 命折损费用的目标函数，以风电最大出力值和风储 总功率限值以及储能充放电功率为约束条件，分析 了储能对风电系统调频表现的影响。 上述研究中风电系统都是依靠储能系统提供惯 性参与调频，储能需要提供全部的备用容量，成本 较高。为了减少储能系统的容量配置，一些文献采 用储能装置与风电机组自身的调频手段相结合的控 制方法进行调频。文献［４４、４８］都采用了虚拟惯性 与储能相结合的控制方式。其中文献［４４］通过增加 频率响应环节对转子惯性和桨距角控制，这两个环 节用两个简化的一阶滞后传递函数表示。文献［４８］ 将转子转速的惯性时间常数随着不同风速变化，保 持转动惯量不变。当频率变化时，风电机组首先响 应风电场惯性需求，后用储能系统弥补风电机组自 身惯性的不足。其容量配置根据非参数核密度估计 方法进行配置。文献［４９－５０］是将风电场机组与储能 装置作为一个整体向系统供电。其中文献［４９］采用 大约风电场额定功率的５％的储能装置，来弥补系 统能量的不平衡。首先采集系统频率偏差信号与频 率变化率信号，采用模糊推理控制器来确定输出风 电一储能系统的输出功率；当系统频率偏差较大或者 频率变化率较大时，尽可能增大储能装置和系统交 换能量；当频率偏差较小或者变化率较小时，减小 储能装置与系统交换能量，这样可以得到同容量同 步发电机相同的虚拟惯量效果。文献［５０］应用储能 原理来平滑功率与采用分段控制频率偏差相结合的 多目标控制方法。文献［５２］中储能单元并不是一直 参与风电系统调频，系统采集有功功率．频率下垂控 制环节的频率偏差，再根据储能单元的荷电状态采 用桨距角控制、储能控制或者传统机组进行调频。 由以上分析可以得出储能参与风电调频的特点： （１）在虚拟惯性或一次调频控制方法加入储能 单元可以获得更好的调频效果，减小了只依靠储能 调频的容量配置，同时还弥补了风电机组自身调频 方法的不足之处，获得更快速有效的有功控制。 （２）储能成本高，与风电机组调频相比，风储 联合调频会增大系统的运行成本，且要考虑储能单 元自身的控制与调频任务之间的协调。 ３未来课题 （１）近年来由于储能的控制灵活性和快速性， 让储能参与风电机组的调频的研究越来越多。要结 合储能系统自身的控制及状态，考虑在不同的风速 状况下的控制分配需求需要进一步研究。同时，寻 求风电调频的约束条件，储能系统的约束条件以及 运行成本，经济效益等多目标函数也值得更深一步 探讨。 （２）近年关于风储调频的研究大多都是单一种 类储能，常见的为蓄电池、超级电容等。由于自身 的缺陷，单一种类的储能单元不能充分发挥其作用， 如：单独使用超级电容参与风电系统调频时，能够 获得很快的响应速度，但在系统稳定运行时，不能 够很好的维护系统的稳定运行；蓄电池容量大，但 频繁的放充会减少电池的使用寿命，单独参与风电 调频的经济效益低。混合储能系统可以弥补单一储 能的缺陷，但也会因此造成储能单元之间与储能和 风电机组之间的能量分配的问题，以及容量配置和 成本问题。在未来风储调频的研究中，混合储能参 与调频也会是一个很有前景的方向。 （３）目前风力发电调频策略的研究主要集中在 风电机组之间协调，对风电机组与传统发电机组之 ・７４・ 截＇ｌ｝如 ５０卷 间的协调调频研究较少。在风电机组参与调频过程 中出现的功率不平衡对传统发电机的影响，以及两 者结合的调频策略和实际运行的经济性都需要进一 步研究。 ４ 结 语 在风电系统频率变化时，利用虚拟惯性控制可 以快速调节电磁功率，控制机组释放或者储存旋转 动能，同时超速控制以及桨距角控制等一次调频控 制方法可改变风电系统有功备用容量，在调频时提 供有功支持。现阶段将虚拟控制与一次调频控制方 法相结合是风电系统常用的调频方法，两者的结合 可以集成快速调节与长时间控制的优点，但同时这 种控制方法也受到风速工况的，控制环节的增 多也增加了系统的复杂性，备用容量可信度等问题 还值得更深入的探究。储能系统参与风电系统调频 可以弥补风机自身调频手段的不足，提高备用容量 可信度以及调节频率的响应速度，因此风储联合调 频是现阶段风电调频控制方法的研究热点，同时也 是未来风电调频研究的主要趋势。但储能与风电机 组的调频分配，如何减少储能系统的容量配置，混 合储能参与调频，以及运行成本经济效益等问题还 需要在未来进一步深入研究。 目前针对变速风电机组的调频研究主要集中在 双馈式风电机组，对直驱永磁式风电机组的研究与 之相比较少，但两者都是利用最大功率追踪控制提 高风能利用率，有功控制原理相同，因此在调频方 法上并无大差别。随着近年该类型的风机装机容量 的增多，基于直驱永磁发电机的风电机组的调频控 制会越来越多。 参考文献 程启明．风力发电系统技术的发展综述［Ｊ］．自动化仪表， ２０１２，３３（１）：２－４． 吴聂根，程小华．变速恒频风力发电技术综述［Ｊ］．微电机， ２００９，４２（８）：６９－７２． 林成武，王凤翔，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制 技术研究［Ｊ］．中国电机工程报，２００３，２３（１１）：１２２－１２５． Ｇｉｌｌｉａｎ Ｌａｌｏｒ，Ａｌａｎ Ｍｕｌｌａｎｅ，Ｍａｒｋ Ｏ’Ｍａｌｌｅｙ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５，２０（４）：１９０５—１９１３． 唐西胜．风力发电的调频技术研究综述［Ｊ］．中国电机工程学 报，２０１４，３４（２５）：４３０３—４３１１． 田新首，王伟胜，迟永宁，等．基于双馈风电机组有效储能的 变参数虚拟惯量控制［Ｊ］．电力系统自化，２０１５，３９（５）： ２０．３３． 关宏亮，迟永宁，王伟胜，等．双馈变速风电机组频率控制的 仿真研究［Ｊ］．电力系统自动化．２００７．３１（０７）：６ｌ一６４ ［８］ 陈宇航，，侍乔明等．一种新型风电虚拟惯量协同控制策 略［Ｊ］．电力系统自动化，２０１５，３９（５）：２７－３２． ［９］李和明，张祥宇，王毅，等．基于功率跟踪优化的双馈风力发 电机组虚拟惯性控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（７）： ３２－３９． ［１０］Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｎｇｙｕ，Ｗａｎｇ Ｙｉ，Ｆｕ Ｙｕａｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｂ— ｔａｉｎｉｎｇ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ＤＦＩＧ—ｂａｓｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］． Ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ，２０１６，１９（２）：３１３－３２８． ［１１］Ｐｅｎｇｆｅｉ Ｌｉ，Ｗｅｉｈａｏ Ｈｕ，Ｒｕｉ Ｈｕ．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＤＦＩＧｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｅｒｔｉａ ａｎｄ Ｐｉｔｃｈ Ｃｏｎｔｍｌ［ｃ］．Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ－Ａｓｉａ（Ｉｓ— ＧＴ－Ａｓｉａ）．ＩＥＥＥ，２０１６：４３０４３５． ［１２］王毅，张祥宇，李和明，等．永磁直驱风电机组对系统功率振 荡的阻尼控制［Ｊ］．电工技术学报，２０１２，２７（１２）：１６２—１６６． ［１３］张志恒．双馈感应风电机组参与系统调频的控制策略研究［Ｄ］． 河北：华北电力大学，２０１４． ［１４］杜威，姜齐荣，陈蛟瑞．微电网电源的虚拟惯性频率控制策略 ［Ｊ］．电力系统自动化，２０１ｌ，３５（２３）：２５－２９． ［１５］Ｍｉｃｈｅｌ Ｒｅｚｋａｌｌａ，ＭａｔｔｉａＭａｒｉｎｅｌｌｉ，Ｍｉｃｈａｅｌ Ｐｅｒｔｌ，ｅｔ ａ１．Ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ Ａ－ ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｅｒｔｉａ ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｕｒｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ ｉｎ ａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｄｏｍｉｎａｔｅｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．２０１６：８９０・８９５． ［１６］潘文霞，全锐，王飞．基于双馈风电机组的变下垂系数控制策 略［Ｊ］．电力系统自动化，２０１５，３９（１１）：１２６—１３１． ［１７］蒋望，卢继平．并网风电场下垂控制系数概率模型研究［Ｊ］．电 网技术，２０１４，３８（１２）：３４３１－３４３５． ［１８］朱晓荣，赵猛，王毅．双馈感应风力发电机组复合频率控制策 略研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０（８）：２０－２４． ［１９］，侍乔明，崔志勇，等．一种风力机虚拟惯量控制与传统 发电机调速控制的协调方法［Ｊ］．电网技术，２０１５，３９（１Ｏ）： ２７９４－２８０１． ［２Ｏ］李立成，叶林．变风速下永磁直驱风电机组频率一转速协制 策略［Ｊ］．电力系统自动化，２０１１，３５（１７）：２６－３０． ［２１］曹军，王虹富，邱家驹．变速恒频双馈风电机组频率控制策略 ［Ｊ］．电力系统自动化，２００９，３３（１３）：７８—８２． ［２２］Ｏ Ａｎａｙａ—Ｌａｒａ，ＦＭ Ｈｕｇｈｅｓ，Ｎ Ｊｅｎｋｉｎｓ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｎｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＤＦＩＧ－ ｂａｓｅｄ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍｓ ｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ［Ｊ］．ＩＥＥ Ｐｒｏｃ．一Ｇｅｎｅｒ．Ｔｒａｎｓｍ．Ｄｉｓｔｉｒｂ，２００６，１５３（２）： １６４．１７０． ［２３］丁磊，尹善耀，王同晓，等．考虑惯性调频的双馈风电机组主 动转速保护控制策略［Ｊ］．电力系统自动化，２０１５，３９（２４）： ２９－３４． ［２４］Ｓｕｎ Ｈａｉ Ｓｈｕｎ，Ｌｉｕ Ｊｕ，Ｗｅｎ Ｊｉｎ Ｙｕ，ｅｔ ａ１．Ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ— ｓｃａｌｅ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２０１３，５８（３６）：４５５７－４５６５． ［２５］张昭隧，孙元章，李国杰，等．超速与变桨协调的双馈风电机 组频率控制［Ｊ］．电力系统自动化，２０１１，３５（１７）：２０－２５． ［２６］曹张洁．双馈感应风电机组参与系统一次调频的控制策略研究 ［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００９． ［２６］丁磊，尹善耀，王同晓，等．结合超速备用和模拟惯性的双馈 风机频率控制策略［Ｊ］．电网技术，２０１５，３９（９）：２３８７－２３９１． ［２７］焦平洋，刘芳，宋蕙慧，等．双馈风电机组参与微网调频的分 ¨１｛１Ｏ期 程志平等：风力发电调频策略研究现状分析 ・７＿５・ 段控制研究［Ｊ］．电测与仪表，２０１６，５３（１２）：６９－７４． ［２８］方凯伦．风电机组参与电力系统频率调整问题研究［Ｄ］ 哈尔 滨：哈尔滨工业大学，２０１６． ［２９］吴子双，于继来，彭喜云．高风速段次优功率追踪方式的风电 调频方法［Ｊ］．电工技术学报，２０１３，２８（５）：１１２・１１９． Ｉｎｅｒｔｉａ ａｎｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２０１６，３１（３）：８３３—８４５． ［４１］林俐，李晓钰，等．基于分段控制的双馈风电机组有功．频率控 制［Ｊ］．中国电力，２０１２，４５（２）：４９－５３． ［４２］李芸．大规模风电场参与调频的控制策略研究［Ｄ］．成都：西 南交通大学，２０１２． ［３０］贺兴安．考虑一次调频需求的风电有功控制研究［Ｄ］．哈尔滨： 哈尔滨工业大学，２０１５． ［４３］赵晶晶，吕雪，等．基于可变系数的双馈风机虚拟惯量与超速 控制协调的风光柴微电网频率调节技术［Ｊ］．电工技术学报， ２０１５。３０（５）：５９－６７． ［３１］米增强，刘力卿，余洋，等．限电弃风工况下双馈风电机组有 功及调频控制策略［Ｊ］．电工技术学报，２０１５，３０（１５）： ８１＿８８． ［４４］苗福丰，唐西胜，齐智平．风储联合调频下的电力系统频率特 性分析［Ｊ］．高电压技术，２０１５，４１（７）：２００９－２０１５． ［４５］Ｇａｎｔｈｉｅｒ Ｄｅｌｉｌｌｅ，Ｂｒｕｎｏ Ｆｒｎｃｏａｉｓ，Ｇｉｌｌｅｓ Ｍａｌａｒａｎｇｅ．Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｒｅ． ｑｕｅｎｅｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｕｐｐｏｒｔ：Ａ Ｖｉｔｕａｒｌ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ［３２］赵猛．变速恒频风力发电机组参与系统调频的控制策略研究 ［Ｄ］．河北：华北电力大学，２０１２． ［３３］侍乔明，，马伟明，等．直驱永磁风电机组虚拟惯量空之 的实验方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１５，３５（０８）： ２０３３－２０４２． Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ ｔｏ Ｉｓｏｌａｔｄ Ｐｏｗｅｒ ｅＳｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］．Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｕｒｏｐｅ，２０１０：１—８． ［３４］付嫒，王毅，张祥宇，等．变速风电机组的惯性与一次调频特 性分析及综合控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１４．３４（２７）： ４７０６—４７１６． ［４６］Ａｔｓｕｓｈｉ Ｔｏｋｉｄａ，Ｓｈｕｙａ Ｔａｂａｒａ，Ｙｕｔａ Ｙｏｓｈｉｄａ，ｅｔ ａ１．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｄｅａｄ Ｂａｎｄ ｂｙ Ａｄｊｕｓｔｂｌａｅ－ｓｐｅｅｄ Ｐｕｍｐｅｄ・ｓｔｏｒａｇｅ Ｇｅｎｅｒ－ ａｔｏｒｆｏｒＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｈＷｉｔｎｄ Ｆａｒｍｓ［Ｃ］．１９ｔｈＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｎ． ｆｅｒｅｎｅｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１６：１－６． ［３５］Ｘｉｎｓｈｏｕ Ｔｉａｎ，Ｗｅｉｓｈｅｎｇ Ｗａｎｇ，ＹａｎＬｉ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ Ｖｉｔｒｕａｌ Ｉｎｅｒｔｉａ ａｎｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ＤＦＩＧｓ Ｂａｓｅｄ ［４７］胡泽春，夏睿，吴林林，等．考虑储能参与调频的风储联合运 行优化策略［Ｊ］．电网技术，２０１６，４ｏ（８）：２２５１－２２５６． ［４８］苗福丰，唐西胜，齐智平．储能参与风电场惯性响应的容量配 置方法［Ｊ］．电力系统自动化，２０１５，３９（２０）：６－１１． ［４９］刘巨，姚伟，文劲宇，等．一种基于储能技术的风电场虚拟惯 量补偿策略［Ｊ］．中国电机工程学报，３５（７）：１５９６．１６００． Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍｓ［Ｃ］．２０１６ ＩＥＥＥ ＰＥＳ Ａｓｉａ—Ｐａｃｉｉｆｃ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｙ ｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１６：２１６９－２１７４ ［３６］Ｂａｄｒｕｌ Ｈ Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙ，Ｈｏｎｇ Ｔ Ｍａ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌｎｔａｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ —ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ２１ ｓｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ， ２００８：１－５． ［５Ｏ］严干贵，王昱博，钟诚，等．风储联合系统调频控制策略研究 ［Ｊ］．电力建设，２０１６，３７（１２）：５５ ６０． ［５１］李玉婷．风储系统功率波动与频率波动综合平抑控制方法的研 究［Ｄ］．沈阳：沈阳工业大学，２０１４． ［５２］ＪｉｅＤａｎｇ，Ｊｏｈｎ Ｓｅｕｓｓ，Ｌｕｖ Ｓｕｎｅｊａ，ｅｔａ１．ＳｅＣ ＦｅｅｄｂａｃｋＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒ ［３８］李超，王洪涛．含大型风电场的弱同步电网协制策略［Ｊ］． 电力自动化设备，２０１５，３５（４）：９６—１０３． ［３９］ｚ Ｓ Ｚｈａｎｇ，Ｙ Ｚ Ｓｕｎ，Ｊ Ｌｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—ｂａｓｅｄ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌｎｔａｓ［Ｊ］． ＩＥＴ Ｒｅｎｅｗ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒ，２０１２，６（１）：３８—４７． Ｗｉｎｄ ａｎｄ ＥＳＳ Ｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｃｔｅｒｏｎｉｃｓ， ［加］Ｚｈａｏ Ｊｉｎｇｊｉｎｇ，ＬｙｕＸｕｅ，Ｆｕ Ｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｇｒｉｄ Ｆｒｅ— ｑｕｅｎｅｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＦＩＧ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ Ｖｉｔｒｕａｌ ２０１４，２（１）：７９－８６．
