風力發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調(diào)度性低的特點，大規(guī)模接入后對電網(wǎng)運行會產(chǎn)生較大的影響，需要合理調(diào)整運行方式和優(yōu)化系統(tǒng)動態(tài)響應，以及時跟蹤風電功率大幅度、高頻率的波動。本文首先分析風電場的建模方法和風電場有功調(diào)節(jié)特性，然后提出了大規(guī)模風電并網(wǎng)后系統(tǒng)有功調(diào)度的兩層結(jié)構(gòu)框架，為了解決調(diào)度計劃與實際運行中較大的有功差額，建議了一種改進在線調(diào)度及AGC控制策略，以支撐大規(guī)模風電友好并網(wǎng)和可靠運行。

為應對全球氣候變化，減少溫室氣體排放，可再生能源技術得到越來越多的重視，其中風力發(fā)電是目前除水電外的，最成熟、經(jīng)濟效益最好的一種可再生能源發(fā)電技術。隨著風電技術的發(fā)展和國家政策上對可再生能源技術的重視，我國風電事業(yè)進入了一個快速發(fā)展的時期。但隨著風力發(fā)電技術的推廣、建設規(guī)模的擴大和風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場化的深入，在風電設備制造、風電場運行管理、電能質(zhì)量控制、風電環(huán)保問題以及風電與其它形式能源的聯(lián)合使用等方面還存在一系列技術問題，如：如何降低風電成本、風力機的設計與制造、風電并網(wǎng)與電能質(zhì)量控制、獨立運行風電機組、儲能設備及其與其他形式能源的聯(lián)合發(fā)電等。

我國風能資源豐富，開發(fā)潛力巨大，根據(jù)全球風能委員會最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2009年新增裝機1300萬kW，位居世界第一，累計裝機容量超過2500萬kW，位居世界第三。風電已經(jīng)在節(jié)約能源，緩解我國電力供應緊張的形勢、降低長期發(fā)電成本、減少能源利用造成的大氣污染，以及溫室氣體減排等方面嶄露頭角，并開始有所作為。

文獻[1，2]首先提出了利用潮流追蹤的思想，對風電場并網(wǎng)后風電場潮流變化的尋蹤來快速進行有功缺額（或過剩）的補償，采用電氣剖分法對大型電力網(wǎng)絡分析存在復雜性和較大的實現(xiàn)難度，但對于小容量風電接入的中小型電網(wǎng)具有較高的參考價值；文獻[3，4]，考慮到風電功率預測的精度較低，提出基于模糊控制的風電場有功控制策略，將風電輸出的隨機性問題轉(zhuǎn)化為概率問題進行考慮和分析，不適合大規(guī)模風電并網(wǎng)；文獻[5-7]變速恒頻風機通過扭矩和槳距角控制來對風機功率進行限制性輸出，進行風電備用，從而改善變速恒頻風機并網(wǎng)后出現(xiàn)系統(tǒng)慣性系數(shù)降低，頻率響應較差的問題；文獻[8]則風電場參與系統(tǒng)的調(diào)頻會降低系統(tǒng)對于風電波動性所造成的系統(tǒng)頻率波動，減少系統(tǒng)中非風電機組對風電出力波動執(zhí)行有功補償量，降低系統(tǒng)運行成本。

大規(guī)模風電場大都建設在偏遠地區(qū)，這部分地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對比較薄弱，本地無法消化的電能，只能通過并網(wǎng)來實現(xiàn)風電資源利用的最大化。風電接入電網(wǎng)后必然對電網(wǎng)造成較大的影響，因此通過對風電特性的分析，模型建立，同時在有功和無功控制方面調(diào)度策略進行改進，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而更好的應對風電并網(wǎng)后出現(xiàn)的各種問題。

1 風電場建模

風能具有波動性和隨機性，因此不能像傳統(tǒng)的能源那樣，在保持一次能源相對穩(wěn)定的情況下，產(chǎn)生電能。風能是一種能量密度低，穩(wěn)定性較差的能源由于風速、風向隨機變化，引起葉片攻角不斷變化，導致風電機的效率和功率的波動，并使傳動力矩產(chǎn)生振蕩，影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性。由于風輪從空氣中吸收的功率和風機發(fā)出的功率有直接關系，因此風電功率具有間歇性和隨機性。研究發(fā)現(xiàn)，風電出力的不穩(wěn)定性隨著發(fā)展規(guī)模的增加而增大，但由于風電變化具有分散互補性，所以其出力并非按發(fā)展規(guī)模的比例增大。

1.1風力發(fā)電機模型

目前主流風力發(fā)電機分為三類：鼠籠式異步風力發(fā)電機、雙饋式感應風力發(fā)電機和直驅(qū)永磁式同步風力發(fā)電機。根據(jù)風力發(fā)電技術，鼠籠式異步發(fā)電機屬于恒速恒頻，雙饋式感應發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機屬于變速恒頻。不同類型的風機工作原理和數(shù)學模型不同，因此分析方法有所差異。然而到目前為止，還沒有得到一種公認的風力發(fā)電機模型，并且國際工業(yè)界還沒有對風力發(fā)電機模型組成和簡化條件達成共識。但是部分電力系統(tǒng)仿真軟件中提供了專用的工具箱元件庫，進行風電場建模和對風電場并網(wǎng)影響仿真。每種類型風機的控制結(jié)構(gòu)可以用圖1方框圖加以描述。

圖1典型風電機組控制模型方框圖

風力機輸出機械功率特性可以表示為：

式中ρ-空氣密度，kg/m3；V-風速，m/s；S-風輪機掃掠的面積，m2；Cp—風力機的風能利用系數(shù)，是尖速比λ和葉片節(jié)距角β的函數(shù)，系數(shù)Cp反映了風力機吸收風能的效率，它是一個與風速、葉輪轉(zhuǎn)速和葉片節(jié)距角有關的量。

考慮到發(fā)電機的效用系數(shù)η，發(fā)電機出力為：

實際應用中由于風速較低時受風輪機的設計限制，而風速較高時又受到發(fā)電機的設計限制風輪機和發(fā)電機的輸出特性不完全等同于上述公式。大部分風力機在一段風速范圍內(nèi)的輸出功率是不變的。

1.2風電場等值建模

大容量風電場一般由多十臺甚至上百臺風力發(fā)電機組成，在互聯(lián)電網(wǎng)中如果風電場建模仍采用包含每臺風機的詳細模型，勢必會增加系統(tǒng)模型的規(guī)模和復雜程度，并且會帶來很多嚴重的問題，如模型有效性和數(shù)據(jù)修正等，增加系統(tǒng)計算量和計算時間。為了準確的求解風電場特性，需要考慮風電場內(nèi)風電機組的分布位置、內(nèi)部網(wǎng)損、尾流效應、塔影效應及湍流等因素的影響，計算量和工作難度增加，研究風電場并網(wǎng)后系統(tǒng)調(diào)度與控制，并不需要考慮每臺風電機組對系統(tǒng)的影響，可以通過建立合適的等值模型來描述風電場動態(tài)特性和控制策略。進行風電場等效建模的前提是，保持風電場等效前后特性不變。

在研究暫態(tài)電壓穩(wěn)定時，可以使用組合模型和降解模型表示風電場。風電場組合模型建模包括風電場中的每臺風力機、補償電容器、升壓變壓器以及內(nèi)部電網(wǎng)詳細模型等。風電場降解模型建模是指在特定的條件下用一臺風力機模型來表示風電場。風電場降解模型忽略了風電場內(nèi)部風機之間的相互影響，從而在仿真中與實際系統(tǒng)存在一定偏差。文獻[11]異步風力發(fā)電機機電暫態(tài)方程組特征值相近的機組作為一個機群，機群劃分后將每個機群等效為一臺發(fā)電機。

在潮流計算時，針對不同的風機類型節(jié)點處理方法不同，由異步風力發(fā)電機組成的風電場，最常用的是PQ模型和RX模型；由雙饋式感應風力發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組成的風電場，風機恒功率因數(shù)運行時PQ模型和恒壓運行時PV模型，具體模型選擇基于風電場的控制策略而定。

2 風電場有功調(diào)節(jié)特性

火電機組有功調(diào)節(jié)特性是指汽輪機穩(wěn)定運行時，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下，轉(zhuǎn)速變化與輸出功率變化直接的對應關系，可以通過機組的功頻靜特性曲線描述，反映了發(fā)電機的一次調(diào)頻能力。不同類型風電機組對應的有功調(diào)節(jié)特性有所差異，異步風力發(fā)電機組直接與電網(wǎng)相連，在系統(tǒng)頻率改變時可以自動釋放部分旋轉(zhuǎn)動能，轉(zhuǎn)矩變化，輸出功率隨之改變，不同于火電機組的一次調(diào)頻但是可以提供短時的有功支撐；雙饋式感應風力發(fā)電機由于采用雙PWM變換器進行控制，使其機械功率與電磁功率解耦，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，因此失去了對系統(tǒng)頻率的快速有效響應，其旋轉(zhuǎn)動能對整個系統(tǒng)慣量幾乎沒有貢獻，這個角度看雙饋式感應發(fā)電機不能參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。

異步風力發(fā)電機采用定槳距控制，功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性，輸出功率隨風速的變化而變化，功頻靜特性系數(shù)由機組自身特性決定；雙饋式感應風力發(fā)電機采用變槳距控制，有功無功解耦控制使得轉(zhuǎn)速不能有效跟蹤系統(tǒng)頻率，風電機組控制技術可快速精確地控制風機槳距角，從而快速地控制風電機組發(fā)出的有功功率，在風機控制回路中引入附加頻率控制環(huán)節(jié)，通過對風機扭矩控制進行有功備用來實現(xiàn)風電機組一次調(diào)頻。前提是，風電機組可以進行有功備用，并且檢測到頻率偏差時有功備用可以有效釋放。

圖2描述了雙饋式感應發(fā)電機輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關系，對風機進行限值輸出用于機組一次調(diào)頻有功備用。通過設定功率基準值Pref低于風機額定功率進行備用，其中Pref=τPn，τ為一次備用比率(τ≤1)。這種方法的限制是，備用容量只有在風速高于額定風速是恒定值，此時風電機組出力可以在Pref和τPn之間；然而在低風速下備用則變?yōu)榱恪?/p>

圖2 風力發(fā)電機輸出功率與轉(zhuǎn)速關系

通過發(fā)電機轉(zhuǎn)矩基準值的設定來實現(xiàn)一次調(diào)頻，基準值的設定包括兩個方面：

Tref=Tref1+Tref2

轉(zhuǎn)矩基準值：

參與一次調(diào)頻的轉(zhuǎn)矩基準值：

其中

PMDP為最大輸出功率；f0為工頻；Kreg為功率調(diào)節(jié)系數(shù)；k為功頻靜特性斜率。

如果Pref≤PMDP（0<Ω≤Ω1）轉(zhuǎn)矩基準值為：

參與一次調(diào)頻的備用為零，因此：Tref2=0

經(jīng)過上述對雙饋式感應發(fā)電機通過機組控制回路中控制方式改進可以參與一次調(diào)頻，但是這種處理方法是采取風電場降額發(fā)電并不經(jīng)濟，同時與不少風電場本來就對機組采取降額發(fā)電進行有功備用參與系統(tǒng)實時調(diào)度任務相互牽制，從系統(tǒng)調(diào)度與控制角度來看，風電場參與二次調(diào)頻比一次調(diào)頻任務更可行和更緊迫。

3 風電并網(wǎng)后有功調(diào)度與控制

3.1風電并網(wǎng)后的有功調(diào)度

與常規(guī)能源電廠相比，風電場輸出功率受風速等氣象因素影響較大，輸出功率是不完全可控。然而電力系統(tǒng)制定發(fā)電計劃是基于電源的可靠性和負荷的可預測性，以往小規(guī)模風電接入系統(tǒng)時，一般將風電場作為負的負荷來處理，由于風速引起的功率波動在系統(tǒng)的容許范圍內(nèi)，擾動被系統(tǒng)消納，對整個電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響較小。大規(guī)模風電接入系統(tǒng)時，由風速變化引起的功率波動會對電網(wǎng)運行造成嚴重影響甚至危及電網(wǎng)安全，必須對電網(wǎng)原有的運行調(diào)度方式進行優(yōu)化和調(diào)整以應對大規(guī)模風電并網(wǎng)帶來的問題。

大規(guī)模風電并網(wǎng)會對系統(tǒng)供需平衡造成很大的影響，這就需要準確預測供需走勢，預測是實施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎。供需差可能來源于負荷、潮流交換、間歇性電源等的變化。供需走勢的預測對于系統(tǒng)運行至關重要。風電預測直接關系到整個調(diào)度系統(tǒng)的運行成本和調(diào)度安全問題，而目前的風電預測誤差為10~15%遠高于負荷預測誤差，遠不能達到系統(tǒng)運行對預測精度的要求，給大規(guī)模風電并網(wǎng)的系統(tǒng)運行帶來很大隱患。同時需要足夠的系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡資源來提升系統(tǒng)應對風電出力變化和不確定的能力，由于風電出力變化和不確定，導致系統(tǒng)必須維持很高的系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源以作備用，降低了系統(tǒng)資源的利用率，否則系統(tǒng)將無法應對風電出力變化和不確定性，影響系統(tǒng)的安全可靠運行。

圖3 大規(guī)模風電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大規(guī)模風電并網(wǎng)后，調(diào)度系統(tǒng)在原有基礎上增加包括風電預測、風電場控制層、系統(tǒng)控制層等部分。風電場控制層接收系統(tǒng)控制層的調(diào)度指令，并且接收每臺機組反饋的某一時段可以輸出的功率限值，風電場控制層向風電場內(nèi)的每臺機組下發(fā)控制指令其中包括有功功率、無功功率。系統(tǒng)控制層調(diào)度指令制定是基于風電預測結(jié)果最優(yōu)決策方案，其中包括風電場發(fā)電計劃、常規(guī)能源電廠發(fā)電計劃以及系統(tǒng)有功備用分配等內(nèi)容。風電預測根據(jù)時間尺度不同分為短期風電預測（提供1~72h預測）和超短期風電預測（提供15min~4h預測），同時為提供可靠的風電預測信息，風電預測系統(tǒng)包括數(shù)值天氣預報（NWP，Numerical Weather Prediction）、本地模型（LAM，Local Area Models）、風輸出功率預測和地區(qū)重構(gòu)。利用短期風電預測和負荷預測結(jié)果，制定滿足日前電量交易計劃的發(fā)電計劃，同時風電和負荷的不確定性導致預測結(jié)果和實際運行中存在較大的偏差，并且目前日前計劃在實際執(zhí)行中受到各種約束條件影響，需要在實時調(diào)度中考慮這些約束進行動態(tài)有功優(yōu)化。

3.2風電并網(wǎng)后的有功控制

電力系統(tǒng)動態(tài)有功優(yōu)化調(diào)度，一般由日前調(diào)度、實時調(diào)度和自動控制(AGC，Automatic Generation Control)組成。風電有功調(diào)度與控制的關鍵是如何合理調(diào)動相關非風電機組的協(xié)調(diào)配合作用，協(xié)調(diào)配合的過程需要與現(xiàn)有調(diào)度周期相接軌，能夠通過適當技術手段調(diào)動出一定數(shù)量的常規(guī)能源機組。對于大規(guī)模風電場并網(wǎng)存在較大的峰谷差，風電在10min左右可能從零升到額定值，或從額定值降到零，這就需要調(diào)用系統(tǒng)中常規(guī)能源機組對風電場實際運行中出現(xiàn)高幅值功率波動協(xié)調(diào)控制。

圖4 風電并網(wǎng)后有功控制結(jié)構(gòu)

大規(guī)模風電并網(wǎng)后有功控制分為兩級控制，在線調(diào)度控制與自動發(fā)電控制AGC，此前在風電功率預測的基礎上安排發(fā)電計劃和調(diào)度任務，超短期風電功率預測精度較高，則可以在前期的調(diào)度計劃進行再校正以減少系統(tǒng)中彌補有功供需不平衡的平衡容量，同時充分利用風電場有功備用與系統(tǒng)中可調(diào)機組中有功備用執(zhí)行系統(tǒng)二次調(diào)頻，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和正常的聯(lián)絡線交換功率。在線調(diào)度控制周期內(nèi)，借助系統(tǒng)中常規(guī)能源機組的配合對預調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)度計劃進行再校正；在自動控制時間級內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)AGC機組的實時偏差控制對在線調(diào)度計劃外的功率波動進行實時調(diào)整。

實際運行中應通過系統(tǒng)中在線調(diào)度常規(guī)能源電廠的可調(diào)機組和部分可控風電場進行出力調(diào)整，使主調(diào)AGC機組保持最大調(diào)節(jié)容量，跟蹤風電功率變化，并足以應對風電預測偏差對系統(tǒng)造成的影響。從電力系統(tǒng)獲取調(diào)節(jié)資源的角度考慮，對系統(tǒng)中調(diào)節(jié)資源進行劃分，首先調(diào)用地區(qū)電網(wǎng)中的優(yōu)勢資源，將風電產(chǎn)生的擾動消納；無法有效消納擾動時，則將啟用其他地區(qū)甚至全網(wǎng)資源將風電擾動進行跨地區(qū)或者全網(wǎng)消納。

4 結(jié)語

大規(guī)模風電并網(wǎng)后在對系統(tǒng)運行調(diào)度和控制提出了更高的要求，國內(nèi)外總體研究趨向于，對于大型風電場必須像常規(guī)能源電廠一樣成為系統(tǒng)中有效控制的部分，承擔系統(tǒng)有功控制和電網(wǎng)頻率控制的任務。就目前而言，電網(wǎng)仍需要承擔解決大規(guī)模風電接入后帶來的問題，改善現(xiàn)有的系統(tǒng)調(diào)度與控制方式。本文對大規(guī)模風電后風電場建模，提出有功調(diào)度與控制模式和策略，具體控制策略和思想仍需仿真加以驗證和工程實踐應用的檢驗。

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作者簡介：

徐瑞(1986-)，男，碩士研究生，主要從事風電并網(wǎng)后電網(wǎng)實時調(diào)度與協(xié)調(diào)技術研究

賴業(yè)寧(1975-)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析，電力市場及穩(wěn)定性分析，優(yōu)化潮流研究開發(fā)與工程化工作；

高宗和(1962-)，男，研究員級高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制的研究與開發(fā)工作。