風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟和最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一。2017年中國風(fēng)電新增1 503萬kW，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.840 3億kW，按照國家能源局“十三五”規(guī)劃，到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將超過2.1億kW。風(fēng)電發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率不斷升高，2017年我國風(fēng)電滲透率已達(dá)到9.2%。

然而，由于風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，且又不具備傳統(tǒng)同步機(jī)的調(diào)頻能力，大規(guī)模高滲透率風(fēng)電并網(wǎng)不利于電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。為此，世界主要風(fēng)電發(fā)達(dá)國家與地區(qū)均通過并網(wǎng)導(dǎo)則對風(fēng)電的調(diào)頻能力進(jìn)行了規(guī)范，并提出了明確的要求。

目前，雙饋風(fēng)機(jī)是大型風(fēng)電場的主流機(jī)型。在傳統(tǒng)控制模式下，雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）在最大功率跟蹤模式，只具備向下的調(diào)頻能力（支撐系統(tǒng)的正頻差事件），無法像傳統(tǒng)同步機(jī)一樣進(jìn)行雙向的功率調(diào)節(jié)。

目前，雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的方法主要有三種：虛擬慣性控制、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和槳距角控制。文獻(xiàn)[4]研究了風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性控制方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的虛擬慣性響應(yīng)，減小了系統(tǒng)頻率變化，提高系統(tǒng)頻率的暫態(tài)穩(wěn)定性，但是風(fēng)電機(jī)組尚未預(yù)留有功備用，沒有持續(xù)的有功功率為系統(tǒng)提供頻率支撐。

文獻(xiàn)[5-8]以單個(gè)的頻率擾動(dòng)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速控制策略能夠有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一次調(diào)頻，且避免了傳統(tǒng)慣性調(diào)節(jié)控制只能參與短期調(diào)頻且容易引發(fā)頻率二次跌落的問題。文獻(xiàn)[9-11]研究了變速風(fēng)電機(jī)組槳距角調(diào)節(jié)的頻率控制方法，并驗(yàn)證了方法的有效性。

虛擬慣性控制利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供慣性響應(yīng)，具有快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的優(yōu)點(diǎn)，但在慣性響應(yīng)后風(fēng)電功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的降低而低于初始值，增加了系統(tǒng)額外調(diào)頻的有功需求。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制是基于變流器的控制技術(shù)，控制速度較槳距角控制快，但受額定轉(zhuǎn)速限制有控制盲區(qū)，適用于額定風(fēng)速以下。

槳距角控制適用風(fēng)速范圍廣，但變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械部件，頻繁動(dòng)作加劇了機(jī)械損耗，增加了檢修費(fèi)用，降低風(fēng)機(jī)使用壽命。根據(jù)風(fēng)電運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)輸出功率超過額定值80%的概率一般不超過10%，轉(zhuǎn)速控制在大部分時(shí)間都適用。因此，本文不考慮槳距角的調(diào)頻方法，主要研究在長周期持續(xù)頻率擾動(dòng)過程中，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制策略的調(diào)頻能力和調(diào)頻效果。

國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究大多為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在某一風(fēng)速下，發(fā)生單個(gè)頻率擾動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的可行性。然而，調(diào)頻是長期的動(dòng)態(tài)過程，需在連續(xù)的頻率擾動(dòng)下考察風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的能力和調(diào)頻效果。

為此，本文研究了在長周期持續(xù)調(diào)頻過程中，風(fēng)電機(jī)組受額定轉(zhuǎn)速和功率預(yù)留系數(shù)影響的風(fēng)電機(jī)組雙向調(diào)頻功率約束。指出了風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)受雙向功率約束的影響。以某風(fēng)電場24h實(shí)測數(shù)據(jù)，在連續(xù)頻率擾動(dòng)過程中仿真分析了風(fēng)電機(jī)組的雙向可調(diào)頻功率約束，以及對調(diào)頻效果的影響。

本文研究為風(fēng)電機(jī)組參與長周期持續(xù)調(diào)頻提供了理論依據(jù)，尤其是對含高滲透風(fēng)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻研究具有一定的參考價(jià)值。

圖5 雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)

圖6 仿真系統(tǒng)模型

結(jié)論

雙饋風(fēng)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)速控制預(yù)留了部分功率而具有雙向的調(diào)頻能力，在長周期持續(xù)頻率擾動(dòng)過程中，風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻能夠有效地提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，并得出如下結(jié)論：

1）風(fēng)電機(jī)組的雙向可調(diào)頻功率受功率預(yù)留系數(shù)和最大調(diào)節(jié)功率約束，預(yù)留功率獲得可向上的調(diào)頻功率的同時(shí)也壓縮了可向下的調(diào)頻功率。因此，設(shè)計(jì)功率預(yù)留系數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的雙向調(diào)頻功率約束的影響。

2）受風(fēng)電機(jī)組的雙向調(diào)頻功率約束的影響，在長周期持續(xù)調(diào)頻過程中，存在風(fēng)電機(jī)組不能夠按整定調(diào)差系數(shù)提供調(diào)頻功率的情況，導(dǎo)致調(diào)頻效果退化，實(shí)際調(diào)差系數(shù)升高。

3）風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻不可避免地發(fā)生棄風(fēng)現(xiàn)象，合理的功率預(yù)留系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)提高頻率質(zhì)量和減少棄風(fēng)的雙重目標(biāo)優(yōu)化。

4）本文主要從理論上分析雙饋風(fēng)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制策略下參與系統(tǒng)長周期持續(xù)調(diào)頻的能力與調(diào)頻效果，仿真結(jié)果是在所設(shè)計(jì)算例的風(fēng)速和等效負(fù)荷波動(dòng)的初始條件下獲得的，實(shí)際工程的應(yīng)用需要進(jìn)一步完善。