风力发电的调频技术研究综述

风力发电的调频技术研究综述

唐西胜1，苗福丰1，齐智平1，贺惠民2，吴涛2，李善颖2

(1．中国科学院电工研究所，北京市海淀区 100190；

2．华北电力科学研究院有限责任公司，北京市西城区 100045)

Survey on Frequency Control of Wind Power

TANG Xisheng1, MIAO Fufeng1, QI Zhiping1, HE Huimin2, WU Tao2, LI Shanying2

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China;

2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100045, China)

ABSTRACT: With the increasing utilization of wind power, it becomes more and more important for wind plants to provide ancillary services including active power control and frequency regulation, which are usually required for conventional generators. This paper introduced the grid codes or technical requirements for wind plants or farms in frequency regulation or reserve allocation in some countries/regions. The frequency regulation technologies of variable speed wind turbine generators (WTG) were then introduced with the development trends analyzed, including inertia control, over-speed control, pitch control, and their combinations, as well the participating of energy storage system. This paper was concluded with some key issues to be researched in the future.

KEY WORDS: wind power; frequency regulation; inertia response; over-speed control; pitch control; energy storage system

摘要：随着风力发电的规模化开发利用，风电作为未来电网中的重要电源，越来越被认为应该具备类似于传统电源的有功控制和频率调节等辅助服务能力。介绍了一些风力发电发展较快国家或地区对风力发电参与调频或提供有功备用的导则或规定，分析了变速风电机组转子惯性控制、超速控制、变桨控制、组合控制，以及储能与风电机组结合参与系统频率响应或调节的技术特点与研究发展态势，并给出了今后需要重点关注或研究的问题。

关键词：风力发电；频率调节；惯性响应；超速控制；变桨控制；储能

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA- 05A113)；中科院知识创新工程重要方向项目(KGCX2-EW-330)。

Project Supported by National High Technology Research and Development Major Program of China (2011AA05A113); The Key Project of the CAS Knowledge Innovation Program (KGCX2-EW-330). 0 引言

风力发电以其技术成熟、成本较低和大规模开

发利用的优势成为新能源发展最快、最具有竞争力

的发电技术。据《世界风能报告2012》(Global Wind Statistics 2012)统计，2012年全球风电累计装机容

量突破280GW，提供电量为580TW，超过全球3%

的电力需求；中国风力发电近年来也得到了持续高

速发展，截至2012年年底，中国累计风力发电装

机达到7556.4万kW，成为世界第一风力发电大国，

年发电量超过1000亿kW⋅h，占电力需求的2%。

而根据国家能源局组织制定的《可再生能源发展“十二五”规划》[1]中的风力发电发展规划，中国

风力发电2015年并网装机容量将达到1亿kW，年

发电量超过1900亿kW⋅h；2020年将达到2亿kW。

尽管风力发电在全球及中国能源结构中的占比仍

然较小，但在局部地区的渗透率，无论是装机容量

还是发电量，都达到了很高的水平，如表1所示。

表1部分国家/地区的风电发展情况

Tab. 1 Wind power in some countries/regions 国家/地区

基准负荷

(2007)/GW

风电装机

容量/GW

装机

渗透率/%

电量

渗透率/%丹麦西部 3.8 2.50 66.00

25.6

西班牙 43.0 20.67 48.00

15.0

葡萄牙 8.5 3.90

46.00

15.4

德国 74.0

27.20

36.00

8.0

荷兰 16.1 2.24

14.00

4.1

法国80.0 5.66 7.00 2.3

爱尔兰 4.4 1.43

32.50

12.9

中国蒙东— 5.67

28.29

—中国甘肃— 5.46

20.02

—第25期唐西胜等：风力发电的调频技术研究综述 4305

然而，受气候条件的制约，风力发电输出功率具有间歇性和随机性的特点。大规模风力发电接入对电力系统规划、运行控制、保护、调度等方面提出了新的挑战，尤其是在有功功率控制方面。

1）导致电力系统备用容量需求的增加。电力系统稳定运行的前提是发电与用电的实时平衡，否则会引起系统电能质量下降，甚至会发生不稳定。为此，电力系统中往往需要配置一定的备用容量，以消除瞬时的功率不平衡。而风电的随机性波动将会加剧系统中的这种功率不平衡现象，尽管风电预测准确性正在逐步提高，但超短期乃至实时预测仍然存在很大的不确定性，这意味着电力系统需要更大的旋转备用容量以实现可靠运行。挪威电力系统中风电渗透率达到10%时，需增加2%的备用容量，风电渗透率达到20%，需增加4%的备用容量[2]；英国电力系统接入10GW的风电需要增加126~ 192MW的调频备用容量[3]；丹麦学者研究发现，为保证额定频率运行，每增加1000MW的风电需提供6.6MW/min的备用容量[4]；德国为了平衡风电功率的随机波动性，到2015年需增加的备用容量达到风电装机的9%[5]。备用容量的建设，需要庞大的投资，也降低了电力资产利用率。

2）电力系统惯性响应和一次调频能力降低。随着风电的大规模并网，意味着未来电力系统中原有的部分常规发电机组退出运行。而现有风电机组主流机型为变速恒频的双馈型风机和直驱型风机，其基本原理是通过电力变换技术调节风电机组的输出与电网同步，从而避免了对风机转速的苛刻要求。这种运行控制方式从另一个方面使风机转速与系统频率解耦。此外，为追求风能的最大化利用，风电机组通常在最大功率点(maximum power point，MPP)运行，不提供有功备用，因而无法在系统频率下降时提供类似传统机组的调频等辅助服务[6]。因此，风电机组无法主动响应系统频率的变化，而这对于传统发电机组来说是维持系统频率稳定性非常重要的功能。在此情况下，如果缺失的这部分惯性响应和频率调节能力得不到补充，将使系统整体惯性和频率调节能力减弱，使得系统在扰动(机组脱网、线路故障、负荷突变)下的频率变化率增加、频率最低点降低、稳态频率偏差增加，发生频率稳定性问题更频繁。对于中国风电高渗透率的局部地区，还会导致区域控制偏差增大，给系统的运行调度带来新的问题。

由此可见，为保证电力系统安全可靠运行，降低风电接入对频率质量和稳定性的影响，风电越来越被认为需要承担常规电源的辅助功能，包括惯性响应、一次调频和二次调频等。风力发电参与电力系统频率调节已引起国内外学者和产业公司的广泛关注，相关研究也已逐步开展[7-8]。本文在系统调研国内外风电调频技术最新进展的基础上，首先介绍一些风电高渗透国家或地区并网导则中对风力发电有功功率控制或频率调节的要求；然后，分别从转子惯性控制、转子超速控制、变桨控制及其组合等方面详细分析风电调频技术及其不足，并分析储能参与风电场调频的可行性；最后给出了风电调频需要研究的若干重要问题。

1 各国对风电频率响应的规定

正如前文所述，对于一些风电发展较快的国家或地区，无论是从装机容量，还是在电量消耗总体水平上，风电均处于很高的比例。为保证电力系统的安全可靠，这些国家纷纷出台了对风电辅助服务功能的导则、要求或规定[9]，其基本出发点是希望风电能够像传统发电机组那样具备提供惯性响应和有功支撑等能力。当然，不同的国家或地区，其风电渗透率、网架结构、电源组成差异很大，在对风电频率响应等辅助服务能力方面的要求也各有不同。

爱尔兰电网在其电网导则中给出了一个理想的风电场频率响应曲线，如图1所示[10]。导则要求风电场应当安装频率响应系统，在频率发生变化时，风电场能够按照规定增加或减小其有功功率输出，以提供调频所需的有功备用。当系统频率处于正常范围之内时，风电场有功出力设定为BC段，以留有一定的有功备用。当系统频率下降到B点所对应的频率以下时，风电场应当跟随AB段曲线增加有功输出，直至频率到达A点时风电场实现100%可用功率输出。反之，当频率从较低值向正常值恢复时，风电场同样按照AB段曲线调整有功出力。

可

获

得

最

大

出

力

的

百

分

比/

%

100

80

60

40

20

频率/Hz

图1风电场有功-频率响应曲线

Fig. 1 Power-frequency response curve of wind farm4306 中国电机工程学报第34卷

当系统频率上升且大于C点频率时，风电场应当按

照CD曲线减小有功输出，当频率大于DE所对应

的频率时，风电场停止有功输出。当然，如果系统

频率恢复后，风电场应当尽快接入系统。

德国E.ON电网公司要求装机容量大于100MW

的风电场应该具备一次频率调节的能力，一次调频

容量至少为±2%的额定功率，而且有功–频率的下垂

系数可调。当系统的准稳态频率偏差达到0.2Hz时，

风电场必须在30s内激活全部一次备用容量，持续

时间不少于15min。当系统频率超过50.2Hz时，风

电场应该按40%的下降率减小有功输出[11]。

加拿大魁北克电网要求额定容量大于10MW

的风电场必须安装频率控制系统，在出现大的频率

偏差时提供辅助调频服务，如快速提供至少5%的

备用容量，持续时间10s；而在稳态频率控制时无

需启用。该规定是针对系统出现较大的短时频率偏

差时，期望风电场能够提供类似于传统机组的惯性

响应能力，以支持系统频率恢复[12]。

此外，大不列颠电网要求风电场应满足一次、

二次和频率过高的调节要求[13]；依据频率事件瞬间

的实际负荷，可提供的一次频率应达到额定容量的

10%[14]。丹麦电网要求风电场采用自动频率调节控

制器以控制风电机组的有功功率输出[15]，丹麦Horn

Rev海上风电场安装的风电场控制器(wind farm

main controller，WFMC)，可以使风电场主动参与

系统的一次和二次频率调节[16]。挪威电网要求风电

场应该具备依据系统频率改变有功输出的能力，要

求风电场保持一定的有功备用[17]。西班牙电网规定

风电机组必须提供 1.5%额定功率的备用容量[18]。

部分国家或地区对风电有功频率控制的规定如表2

所示。美国德克萨斯州2013年在新建的风电场中

采用了以GE Wind公司开发的86台GE2.5-120智

能风电机组，将电池储能与风电机组的集成，可以

表2部分国家或地区对风电有功/频率控制的规定

Tab. 2 Requirements for wind plant power/frequency

control in some countries or regions

国家/地区风电调频技术规定

西班牙提供风电装机容量1.5%的备用容量

德国 100MW以上风场应具备2%的一次频率调节能力

加拿大魁北克省风电场提供装机5%的备用容量，持续10s

大不列颠所有风电场满足一次调频、二次调频和频率过高响应的能力

北爱尔兰给出了风电场频率响应的有功-频率曲线

丹麦风电场安装频率控制系统以控制到各个单独的风

力机组

精确快速参与系统频率调节[19]。中国也从系统事故

恢复和频率控制的角度对风电场的有功功率控制

提出了要求[20]。

2 风力发电调频技术

2.1 转子惯性控制

风力发电机可分为定速型和变速型2种。早期

的很多风机采用了鼠笼式异步发电机，为定速运

行，风电机组转子转速与系统频率耦合，滑差约为

1%~2%。这种风机能够自动为电力系统提供惯性响

应支持，但可以提供的容量较小，而且在后继的频

率调节过程中基本没有贡献。

变速型风电机组包括目前主流的双馈型风机

和直驱型风机，由于电力电子变流器的控制作用，

前者的转子电磁转速可以在系统同步速的±30%内

波动，而后者的波动范围更大。因而，变速风机转

子与系统频率解耦，无法在系统频率变化时主动提

供惯性支撑。此外，由于目前风机大多采用最大风

能捕获控制，风机运行于最大功率点附近，无法提

供调频所需的备用容量，尤其是在向上调节时。

不过，从上述分析中可以看出，变速型风机具

有较大的控制灵活性，通过调整控制目标和控制策

略，可以使机组主动响应系统频率的变化，使其具

备类似于传统机组的惯性响应和频率调节能力。目

前，风力发电机组主要通过转子惯性、超速和变桨

方式进行有功功率控制，以参与系统频率的调节。

转子惯性控制是风电机组运行过程中，通过改

变机组转子侧变流器的电流给定，控制转子速度发

生临时性变化情况下短时释放/吸收风电机组旋转

质体所存储的部分动能，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。

在转子惯性响应的支撑能力分析方面，文献[21]

定量分析了双馈风电机组可以提供的最大暂态有

功支撑，并基于一个小型电力系统建立了风电暂态

频率支撑能力与系统频率改善之间的相互关系；采

用了延迟模型以量化分析风电短期功率支撑对系

统最低频率的支撑作用。文献[22]则对比分析了双

馈型变速风机与异步定速风机的惯性支撑能力，由

于变速风机可以通过变流器控制将风机转子速度

降到较低，因而可以提供更多的等效惯量，对于一

台2MW的风电机组，当系统频率从50Hz突降到

49.75Hz时，定速型风机只能提供40kW的有功支

撑，而变速风机通过适当控制可以提供700kW，远

远超过了前者。

第25期 唐西胜等：风力发电的调频技术研究综述 4307

在转子惯性控制的方法上，文献[21, 23-25]针对双馈风机，通过增加辅助频率控制环，由储存在风机桨叶中的动能提供短时功率支撑，如图2[25]所示。在控制环的设计上，实时检测系统的频率变化率d f /d t ，用于惯性响应的使能。由仿真结果看，增加了辅助频率控制环的风电机组，在对系统频率支撑方面有明显的效果，使系统的等效惯量增加，减小了系统在扰动后的频率偏差和频率变化率。但文献[23]也指出，由于转子转速不能长时间维持在降速/升速状态，随着转子转速的恢复，有可能会造成系统频率的二次降低/升高。

df

pf d d f

P K K f t

ΔΔ=+Δ (1) 式中：K df 为频率偏差的微分权重系数；K pf 为频率偏差的权重系数；Δf 为系统频率偏差。高通滤波器的作用是避免持久频率偏差对控制策略产生的影响。

图2 综合惯量控制方法

Fig. 2 Control method of synthesize inertia

GE 公司开发的WindINERTIA 控制系统，就是通过在风电机组的控制系统中加入惯性响应控制环节，可以在系统频率下降时临时增加5%~10%的额定容量输出，持续时间几秒[26]。

上述的研究主要是针对双馈风机，而变速风电机组另一机型——永磁直驱风机也具有类似的惯性响应能力，随着近年来该机型装机容量的增多，相关研究也日益受到关注。文献[27]研究发现永磁直驱风机的等效惯量与常规同步发电机组相当，并在机侧变流器的控制系统中增加了频率偏差和频率变化率控制环，以实现对系统频率突变的惯性响应和频率支撑。文献[28]采用了频率–转速协制策略，以减少风电机组的转矩突变，在参与频率调整时对转速进行调节，并且能够有效增大系统惯性。文献[29]建立了涵盖双馈和直驱的变速风机统一功率转换模型，通过通信协调将风电机组的惯性响应与传统机组的调频控制有机结合起来，充分发挥风电机组响应快速的优点，并通过传统发机组克服其持续时间短的问题。但以上文献没有考虑风电机组惯性响应之后的转速恢复过程，而这个过程会导致系统频率的二次下降。

当然，由于风电运行状态的多变性，其所能提供的惯性响应也会随运行状态有很大不同。文 献[30-31]分析了变速风机所能提供的惯量与机组运行状态的关系，包括高风速时的额定功率运行与中低风速时的中低功率运行。当系统频率发生扰动时，2种情形下转子转速都会快速变化以提供所需惯量，而在此后的转速恢复过程中，额定功率运行的风机通过变桨控制提供所需的能量，而中低功率运行的风机则需要从电网中吸收能量以恢复转速，因而其惯性响应的过程与效果有较大不同。针对这个问题，一些研究开始关注风电场中各机组在惯性响应过程中的有序与协调。如文献[27]采用了一种风电场在惯性响应结束时的依次退出策略，以消减风电机组同时退出对系统频率造成的二次影响。文献[32]配置了风机转速延时恢复模块，使风电场中各机组能够快速有序恢复，避免由于转子转速越限而造成的停机或二次频率下降。

通过以上分析可知，尽管变速风电机组通过转子控制可以提供类似于传统机组的虚拟惯量支撑，但还存在以下几个主要问题：

1）变速风机转子转速存在极值约束，在系统频率下降而风速较低时，难以通过降低转子转速增加机组功率输出；在系统频率升高而风速较高时，难以通过提高转子转速以降低机组输出功率。

2）风电机组所能提供的惯性响应能力与其运行状态有关，由于风速随机性和波动性的自然属性，难以保证可信度较高的惯性响应容量，即使是在同一个调频过程之中，也会因为风速的变化而增加了不确定性，给系统的稳定控制带来了复杂性。

3）转子转速在惯性响应之后的恢复过程中会吸收/释放部分能量，容易造成系统频率的二次降低

/升高，必须对风电场中各风机的频率响应退出与转速恢复做出一定的控制。 2.2 转子超速控制

转子超速控制是控制转子超速运行，使风机运行于非最大功率捕获状态的次优点，保留一部分的有功功率备用，用于一次频率调节。

图3[25]给出了双馈风机超速控制的基本原理。在风速恒定的情况下，风机的不同转速对应着不同的功率输出，通过转速的调节可以控制风机改变运行点。当处于A 点时，风机输出最大功率，对应着最大功率点处的转速为ω0，如果此时控制风机转速超过A 点转速，则风机的输出功率减小，实现了减载，保留了一部分备用容量。如果需要增加风机的

P

图3变速风机超速控制原理图

Fig. 3 Scheme of variable speed WTG over-speed control 输出功率，可以控制风机转速下降，如至图中的C 点，此时，机械功率和电磁功率达到了再次平衡，从而实现了有功控制。如果转速下降至A点时，功率达到了最大，继续下降则会引起功率的进一步下降。因此，最大功率A点的左边为有功控制的不稳定区，要避免进入该区域。

目前对于转子超速控制的研究主要集中于控制环节的设计与风机运行模式的判定，文献[33]针对双馈风机，在额定风速以下采用转子超速控制，增加辅助的频率控制环模拟有功输出对频率的下垂特性，当频率下降时，转子转速下降，一方面通过释放部分动能提高频率响应能力，另一方面机组发电功率增加，实现调频需求。文献[34]主要针对中风速工况，采用恒动量法和恒功率备用法控制转子超速运行，恒动量法的发电损失较小，而从系统频率响应过程来看，恒功率备用法则更加有效。文献[35]在控制系统中增加了风速模式判定环节，在中低风速下对转子进行超速控制。

超速控制参与系统一次频率调节的响应速度快，对风机本身机械应力影响不大，但存在控制盲区。当风速达到额定值以后，机组需要通过桨距角控制实现恒功率运行，此时提高转子转速会超过设定的阈值，因此，超速控制仅适用于额定风速以下的运行工况。不过，根据风电运行统计，风机输出功率超过额定值80%的概率一般不超过10%，因而超速控制在大部分时间内都可以适用[36]。但是，采用减载发电模式，在一定程度上降低了风电场的发电效益。

2.3 变桨控制

变桨距控制是通过控制风机的桨距角，改变桨叶的迎风角度与输入的机械能量，使其处于最大功率点之下的某一运行点，从而留出一定的备用容量。风况一定的情况下，桨距角越大，机组留有的有功备用也就越大。

如图4[35]所示：风机桨距角增大，将使风机的功率–转速曲线整体下移，运行点从1点下降到3点，所捕获的风能减少；反之，如果此时减小桨距角，风机所捕获的能量又可以相应增加。文献[36]在对直驱风机桨距角的控制环节中还考虑了桨距角变化率限值。文献[37]根据功率降额需求和频率–有功下垂曲线，产生桨距角参考值，进而控制桨距角执行装置。

r

图4 风机的桨距角控制特性曲线

Fig. 4 Characteristics curve of WTG pitch control

桨距角控制的调节能力较强，调节范围较大，可以实现全风速下的功率控制。但由于其执行机构为机械部件，因而响应速度较慢；而且当桨距角变化过于频繁时，也容易加剧机组的机械磨损，缩短使用寿命，增加维护成本。一般情况下，变桨控制多用于额定风速以上的工况，而且在系统频率下降时的备用支撑较为有效。在这种情况下，风机参与系统频率调节的作用时间较为持久。

2.4 组合控制

由上述分析可知，风电机组的惯性响应控制、超速控制和变桨控制等3种频率响应手段各有一定的适用范围和运行条件约束，如表3所示。

文献[38]给出了风电机组在不同风速区间的运行特性和运行控制目标原理图，如图5[37]所示。可以看出，最大功率跟踪方式一般只用于中低风速，额定风速以下可以采用转子超速控制。变桨控制理论上可以全风速运行，但一般只用于高风速区。此外，从机组转子转速看，转速较低时，下调转子转速的空间有限；而在高转速时，进行超速吸收动能的空间较小。

为满足系统对风电场频率调节快速性和持续性的要求，很多研究提出将风电机组上述调频手段进行组合应用，以形成优势互补，提高风电调频能力和运行的经济效益[33,35,37-40]。如文献[40]对比分析了惯性、变桨与转子超速控制对系统频率支撑的动态性能，2种控制方式均可在较长时间为风电机组提供备用容量，而且在频率突降时的响应速度也第25期唐西胜等：风力发电的调频技术研究综述 4309

表3 风电调频技术比较

Tab. 3 Comparisons of frequency regulation technologies of wind power

调频需求调频方式适用范围优点缺点

惯性响应惯性控制全风速工况1.可提供惯性响应，对系统

动态稳定性贡献大；

2.响应速度快。

1.持续时间较短；

2.转子转速恢复，造成频率二次降低；

3.低频低风速和高频高速时，难以提供有效惯性。

超速控制中低风速工况1.响应速度快，对系统动态

稳定性贡献大；

2.提供一次调频备用。

1.高风速时，难以提供系统要求的备用容量；

2.风速波动性影响提供备用容量的可信度；

3.降额运行，风电场效益降低。

一次调频

变桨控制

全风速工况，

主要用于高风速

1.全风况下，提供一次调频备用；

2.调节能力强，调节功率范围广。

1.受机械特性，响应速度较慢，对系统动态稳定性贡献较小；

2.桨叶机械损耗增加，降低机组运行寿命；

3.风速的随机波动影响备用容量的可信度。

r

,Pω

图5 风电机组的运行特性

Fig. 5 Operation characteristics of WTG

较快，远好于变桨控制单独作用时的效果。但也指出上述控制方式在全工况下的有效性难以得到保证，存在一定的运行盲区，如高风速而系统频率升高时的有功吸收，以及低风速而系统频率下降时的有功释放等。

在多种调频方式的组合控制研究方面，文献[37-39]分别针对双馈和直驱风机，将惯性、超速和变桨三者的控制作用区间按照低、中、高3种风况进行了区分与组合，以提供较为可靠的调频备用容量。文献[37]针对直驱风机转子的超速控制，采用了查表法，以快速确定不同风况下不同降额值时的转子转速参考值。文献[41-42]采用了基于模糊控制的协调策略，通过对桨距角和发电机转矩控制实现在全风速范围内的一次频率调节。其主要思路是在低风速时采用变桨距控制，高风速时采用给定功率控制，中风速时则采用二者组合控制，所采用的控制策略避免了复杂的计算过程，对随机波动强的风速具有较好的适应性。文献[34,39]则使变速风机在低风速时作为飞轮运行，利用存储在机组中的旋转动能提供短时有功支持；在中风速时减载运行形成有功储备；在高风速时采用桨距控制或修改转速设定点以保持合适的电力储备。

对于组合控制的作用效果，文献[38]仿真发现：将风机转子的旋转动能和变桨备用功率进行组合控制，充分发挥转子的旋转动能，可提供持续时间超过30s的有功备用；旋转动能的应用降低了功率备用，提高了风电场经济效益，与传统方法相比，一年可以增发2.79%的电量，但该方法适用于中风速的工况。文献[33]通过在控制系统中加入频率偏差和频率变化率为使能条件的控制环节，实现机组的惯性响应；并引入下垂控制环实现一、二次调频，额定风速以下，控制转子超速降额发电以实现调频，额定风速以上，则控制桨距角进行调频。通过BLADED软件分析，当风速为8m/s时，机组一次备用容量为20%，二次备用容量为5%；当风速为10m/s时，机组一次备用容量为19%，二次备用容量为11%。

综上可见，风电机组的组合控制有效利用了自身调频手段的优点，但也不可避免受制于风速变化和机组运行状态的影响，在全风况下参与系统一次调频和惯性响应的容量可信度难以得到有效保证。

3 储能参与风电调频

储能系统具有性能稳定、控制灵活、响应快速的特点，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。

在储能与风电机组的结合方面，文献[43-44]将飞轮储能与双馈风电机组结合，文献[45]将电池组接入STATCOM的直流母线，文献[46]则在多直驱风机的公共直流母线上接入超级电容器储能。上述方法可以较好地平滑风机的有功输出和调频等辅助功能，但也会导致风电机组的结构与控制变得复杂。

在储能与风电场的结合方面，文献[47]研究了大量风电注入对系统频率波动的影响，文献[48-49]则进一步发现了风电功率波动的中频分量(0.01~

4310 中国电机工程学报第34卷

1Hz)对系统频率影响最为严重，并分析了风电场配置储能的改善作用及与配置容量的关系。文献[50-57]进一步分析了在风电场集中配置储能，参与频率调节的可行性与方法。储能配置于风电场，可以避免对风电机组现有结构与控制系统的改变，但由于储能需要提供全部的备用容量，成本较高。

上述储能系统，无论是配置在风电机组层面上，还是在风电场层面上，只依靠储能承担风电场的有功控制和调频需求，必然会造成储能容量配置大、成本高、经济效益不好的问题。如果将风电自身调频手段与储能有机结合起来，利用储能的技术优势弥补前者在响应速度和容量可信度等方面的不足，可以使风电具备全风况下的惯性响应和频率调节能力，并提高系统的整体技术经济性[58]。

在风储的联合控制方面，目前的研究主要以单台风机与储能的结合为主。文献[59]将风机的惯性控制和燃料电池组合起来提供一次备用，利用转子动能控制弥补燃料电池响应速度慢的问题，并进行了燃料电池的配置分析，所配置的容量与风电相比很小。文献[60]设计了分布式发电和储能系统的监控平台，协调储能、风机变桨控制和可调度微源的出力，以参与系统的一次频率调节。文献[49]从提高发电质量、降低短期风电功率波动的角度，采用储能和风机降额发电控制风电输出功率，并通过下垂控制以增强频率响应能力。文献[61-62]采用了H∞理论，文献[63]采用了基于扰动观测器的负荷估计法，文献[-65]采用了饱和–带宽平衡控制法，分别对储能和变桨控制进行协调，使储能平抑有功或系统频率波动的高频分量，变桨控制平抑低频分量，有效降低了储能的配置容量与风机的机械应力。上述风储协制策略，充分发挥了储能和风电机组变桨控制的技术优势，控制系统所需状态采集较少，但计算过程较为复杂。文献[66]将储能、变桨控制与传统电源集成在一起，根据储能的荷电状态(state of charge，SOC)依次启动储能、变桨控制和传统机组提供调频功率，并尽可能维持储能的SOC于50%附近。文献[67]将超导磁储能(superconductor magnetic energy storage，SMES)与双馈风机结合，采用一种基于模糊神经网络的互补频率控制策略，实现风机转子动能控制、变桨控制与储能的协调。

文献[68]在上述研究的基础上，提出在风电场层面配置储能，将转子控制(包括惯性控制和超速控制)、储能和变桨控制相结合的协调技术，并给出了作用效果(如图6[68]所示)。利用转子转速控制响应快速和灵活的优势，首先响应系统的频率变化；变桨控制在一定时间后较为持久地参与系统频率的调节；储能则及时弥补风机调频的盲区和由于风速变化而导致的备用容量缺失等问题，避免了转子转速控制提供能量有限、储能成本高和变桨控制响应时间慢、频繁动作降低其寿命的缺点，在满足系统调频需求的同时，降低了储能成本和机组折旧，提

图6储能参与风电调频的效果示意图

Fig. 6 Schematic of energy storage system/

wind farm hybrid frequency regulation

4 风力发电调频技术的未来研究课题

由以上分析可以看出，随着风电接入比例的不断增加，逐步成为未来电力系统中的重要电源，也对其参与惯性响应和频率调节的能力提出了需求，使其具备类似于传统电源的特性。一些风电发展较快的国家或地区，已经开始在电网导则中增加了相关要求；而GE Wind、Vistas、Siemens等风电设备商也已开始开发风电频率控制的相关产品，通过转子惯性控制、变桨控制等方式参与调频，如WindInertial、WindController、WFMC等。鉴于风电机组运行状态的多变性，在技术上还可以采用多种调频方式的组合，以提高备用容量的可信度；由于储能的控制灵活性和快速性，配置适量的储能，与风电自身调频手段相协调，可以提高系统的技术经济性，并减轻风电机组的机械应力，如GE开发的集成了储能的新一代智能风电机组。总体看来，尽管国内外相关的理论与技术研究日益增多，但仍存在许多需要攻克的课题：

含风电的电力系统综合频率特性。电力系统的频率特性反映了系统中电源、负荷和联络线的运行过程及其频率响应特性，风电通过控制，可以改变频率响应过程，进而影响系统的综合频率特性，对于该问题的研究是进行风电相关规划与控制的基础。

风电场运行状态与备用容量评估。目前风电调第25期唐西胜等：风力发电的调频技术研究综述 4311

频的研究通常忽略了风速的随机性波动，而实际上即使在一次调频的时间尺度上，风速的变化也可能较为剧烈，因而备用容量的可信度值得商榷。如何在风电场或集群的层面上，对运行状态和备用容量进行准确评估，并将控制需求分配到各台机组，需要进一步研究。

储能参与风电调频的协调机制与控制技术。储能可以消除风电自身调频的盲区，提高备用容量可信度，但需要综合考虑不同风况下的风机运行状态、储能的荷电状态以及系统的调频需求等，灵活利用各种调频手段在响应速度和作用时间上的互补性，协调转子转速、桨距角和储能的启动、运行、退出与恢复，使风电具有全风况下的惯性响应与一次调频能力。

风电调频的约束条件评估与界定。风电机组参与系统频率响应，无论是转子动能控制、超速控制，还是变桨控制，都会引起转子转速或转速变化率超出正常范围，桨叶频繁调节而导致的机械应力，是否会给机组的寿命带来较大影响，或波及机组的稳定运行等，需要进行系统的评估与界定。

适宜于风电的储能技术及其设备。尽管近年来各类新型储能技术日趋成熟，但对于风电应用，还需要从技术性和经济性出发，选择适宜的储能技术，而对于接入风电机组或风电场的储能系统与设备，也需要从容量配置、技术成熟度、可靠性等方面进行综合分析评判。

风电提供调频辅助服务的市场定位与盈利模式。风电的调频功能属于电力系统的辅助服务，可以因此获得一定的收益，如瑞典电网为提供2400MW/Hz的调频能力每年支付19000000 €[69]，需要在市场定位和盈利模式方面进行探索，以促进风电调频的良性发展。

5 结论

随着风电的规模化发展，从电力系统安全稳定与经济高效运行的角度出发，越来越需要风电具有传统电源的辅助功能，尤其是有功控制和频率调节。一些风电发展较快的国家或地区电网均对风电的一次备用甚至二次备用容量进行了规定，但在系统惯性响应方面还没有具体要求。目前很多研究集中于双馈风机与直驱风机的转子惯量控制、转子超速控制、变桨控制及组合控制，对支撑系统频率响应与调节具有重要的作用，但也在一定程度上受制于风机运行工况等的影响，存在调节盲区与备用容量可信度等方面的问题。储能，无论是分散于单台

机组上，还是集中于风电场，均可以改善风机自身

调频的不足，但如何与风电协调，减少储能的容量

配置，提高系统的总体技术经济性，还需要系统研究。此外，需要进行风电调频等辅助服务的市场定

位与盈利模式等相关问题的探索，以促进风电的良

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收稿日期：2013-12-12。

作者简介：

唐西胜(1975)，男，博士，副研究员，

主要研究方向为电力系统稳定与控制、储

能与电网应用技术等，tang@mail.iee.ac.

cn；

苗福丰(1986)，男，博士研究生，主要

研究方向为电力储能与风电场的有功控制

技术等；

齐智平(1958)，女，研究员，博士生导

师，主要研究方向为微型电网、分布式电

力与储能技术。

唐西胜

(责任编辑刘浩芳)

风力发电的调频技术研究综述

作者：唐西胜， 苗福丰， 齐智平， 贺惠民， 吴涛， 李善颖， TANG Xisheng， MIAO Fufeng， QI Zhiping，HE Huimin， WU Tao， LI Shanying

作者单位：唐西胜,苗福丰,齐智平,TANG Xisheng,MIAO Fufeng,QI Zhiping(中国科学院电工研究所,北京市海淀区,100190)， 贺惠民,吴涛,李善颖,HE Huimin,WU Tao,LI Shanying(华北电力科学研究院有限责任公司,北京

市西城区,100045)

刊名：

中国电机工程学报

英文刊名：Proceedings of the CSEE

年，卷(期)：2014(25)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgdjgcxb201425014.aspx