風力發電是新能源發電技術中最成熟和最具規模開發條件的發電方式之一。2017年中國風電新增1 503萬kW，風電累計裝機容量達到1.840 3億kW，按照國家能源局“十三五”規劃，到2020年風電裝機容量將超過2.1億kW。風電發展迅速，電力系統中風電滲透率不斷升高，2017年我國風電滲透率已達到9.2%。

然而，由于風電的隨機性和波動性，且又不具備傳統同步機的調頻能力，大規模高滲透率風電并網不利于電力系統頻率穩定。為此，世界主要風電發達國家與地區均通過并網導則對風電的調頻能力進行了規范，并提出了明確的要求。

目前，雙饋風機是大型風電場的主流機型。在傳統控制模式下，雙饋風電機組運行（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）在最大功率跟蹤模式，只具備向下的調頻能力（支撐系統的正頻差事件），無法像傳統同步機一樣進行雙向的功率調節。

目前，雙饋風電機組參與系統一次調頻的方法主要有三種：虛擬慣性控制、轉子轉速控制和槳距角控制。文獻[4]研究了風電機組虛擬慣性控制方法，實現了系統的虛擬慣性響應，減小了系統頻率變化，提高系統頻率的暫態穩定性，但是風電機組尚未預留有功備用，沒有持續的有功功率為系統提供頻率支撐。

文獻[5-8]以單個的頻率擾動驗證了轉速控制策略能夠有效地實現系統的一次調頻，且避免了傳統慣性調節控制只能參與短期調頻且容易引發頻率二次跌落的問題。文獻[9-11]研究了變速風電機組槳距角調節的頻率控制方法，并驗證了方法的有效性。

虛擬慣性控制利用轉子動能提供慣性響應，具有快速響應系統頻率變化的優點，但在慣性響應后風電功率會隨轉速的降低而低于初始值，增加了系統額外調頻的有功需求。轉子轉速控制是基于變流器的控制技術，控制速度較槳距角控制快，但受額定轉速限制有控制盲區，適用于額定風速以下。

槳距角控制適用風速范圍廣，但變槳的執行機構為機械部件，頻繁動作加劇了機械損耗，增加了檢修費用，降低風機使用壽命。根據風電運行統計，風機輸出功率超過額定值80%的概率一般不超過10%，轉速控制在大部分時間都適用。因此，本文不考慮槳距角的調頻方法，主要研究在長周期持續頻率擾動過程中，雙饋風電機組的轉子轉速控制策略的調頻能力和調頻效果。

國內外學者的相關研究大多為風電機組運行在某一風速下，發生單個頻率擾動時，風電機組參與調頻的動態響應，驗證了風電機組參與系統調頻的可行性。然而，調頻是長期的動態過程，需在連續的頻率擾動下考察風電機組參與調頻的能力和調頻效果。

為此，本文研究了在長周期持續調頻過程中，風電機組受額定轉速和功率預留系數影響的風電機組雙向調頻功率約束。指出了風電機組參與調頻時受雙向功率約束的影響。以某風電場24h實測數據，在連續頻率擾動過程中仿真分析了風電機組的雙向可調頻功率約束，以及對調頻效果的影響。

本文研究為風電機組參與長周期持續調頻提供了理論依據，尤其是對含高滲透風電系統的一次調頻研究具有一定的參考價值。

圖5 雙饋風電機組轉速調頻控制結構

圖6 仿真系統模型

結論

雙饋風電機組通過轉速控制預留了部分功率而具有雙向的調頻能力，在長周期持續頻率擾動過程中，風電機組參與系統一次調頻能夠有效地提高系統的頻率質量，并得出如下結論：

1）風電機組的雙向可調頻功率受功率預留系數和最大調節功率約束，預留功率獲得可向上的調頻功率的同時也壓縮了可向下的調頻功率。因此，設計功率預留系數時應綜合考慮風電機組的雙向調頻功率約束的影響。

2）受風電機組的雙向調頻功率約束的影響，在長周期持續調頻過程中，存在風電機組不能夠按整定調差系數提供調頻功率的情況，導致調頻效果退化，實際調差系數升高。

3）風電機組參與調頻不可避免地發生棄風現象，合理的功率預留系數能夠實現提高頻率質量和減少棄風的雙重目標優化。

4）本文主要從理論上分析雙饋風電機組在轉子轉速控制策略下參與系統長周期持續調頻的能力與調頻效果，仿真結果是在所設計算例的風速和等效負荷波動的初始條件下獲得的，實際工程的應用需要進一步完善。