风力发电调频技术剖析

摘要：风力发电是一种清洁能源，符合生态环保理念，也符合开发新能源的时代需求。调频技术是风力发电的核心技术，对风力发电效率有重要影响。虽然我国风力发电有一定的历史，也积累了很多经验，但是对风力发电调频技术而言还有很大的提升空间。另外，信息技术发展和机械设备的更新也在不同程度上影响了发电调频技术，所以该技术成为了风力发电领域研究的重点。本文首先分析了风力发电对电力系统的影响，然后细致讨论了风力发电调频技术的应用，最后对风力发电调频技术的发展趋势进行了展望。 关键词：风力发电；调频技术；风电 引言：

风电调频技术是为了风力发电服务的。随着风力发电规模增大和发电产量要求提高，对相应的风电调频功能也产生了更高的需要。风电调频技术成为了辅助风力发电的一个重要组成部分，而且具有非常关键的作用。 一、风力发电对电力系统的影响 （一）备用容量需求的上升

发电与用电的相互平衡、动态弥补是维持电力系统安全、稳定的基础，也是确保供电服务质量的前提条件。然而，风力发电会影响电力系统输出功率的平衡性与稳定性，对此可以通过安装一定的备用容量来缓解这种不平衡，但是，风力系统极具变化性，其变化的预测能力相对有限，无法对其瞬间变化做出实时的动态监控和预测，为了维护电力系统的稳定运行，就必须要进一步扩大备用容量。经研究表明：风电渗透率为10%时，要提高2%的备用容量。要想确保电力系统在稳定的额定频率下工作，风电每提升1000兆瓦，每分钟就要供应6.6兆瓦的备用容量。由此可见，风力发电技术的运用，需要备用容量的支持，这其中涉及到大量的资金成本等的投入。

（二）惯性响应与一次调频能力下降

风力发电系统的建设，要伴随着一些传统发电设备的停运。当前主要的风电机组包括：双馈型风机、直驱型风机。具体的运行原理为：依靠电力变换技术来控制风电机组的功率，使其同电网步调一致。同时，为使风能被充分利用，风电机组一般要在最大功率点处工作，无法储备有功，这样当系统低频运行时，需要进行调频。对此，要想确保电力系统处于安全、稳定状态，控制风电对系统频率带来的不良性波动，就要引入调频技术。 二、风力发电调频技术的运用 （一）转子惯性控制技术

当前社会下的风力发电技术已经有了较好地发展，而它的发电机型主要有定速型和变速型两种。传统的风力发电机大多数都采用了鼠笼式发电机，这种风力发电机最大的优点就是能够主动为整个电力系统的运行提供必要的惯性支持，但是在另一方面，它的容量十分的小，而且在频率调节的过程中起不到任何作用。在两种风机当中，一般采用率较高的是变速型风电机，它具有很好的电力电子变流器控制功能，导致其机型波动范围一般较大。另外，由于它具有变速性质，在发电系统中操控起来也就自然显得方便灵活。由于风力发电技术并不是那么出彩，目前的风电能源一般会选择最大风能捕获以及控制的装置，在这样的状况下，风机只能运行于最大功率周围，无法采用调频的相关技术，更加无法有效合理的操控，也没有备用的容量，造成了很大的缺陷。尽管变速型风机具有很多缺陷和不

足，但它本身可以进行良好的控制操纵，只要在控制目标以及策略上进行一定的调整完善，就可以充分的使发电机组适应系统频率的波动，并作出相应的反应，也就实现了频率调节功能。 （二）转子超速控制技术

相对于转子的惯性控制而言，转子的超速控制可以更有效且全面地对转子运行的速度进行合理控制，也就可以使风机不再处于最大功率的点上，从而保留一部分的功率备用，并且可以将其用于频率调节当中。转子超速控制的技术目前主要包括对控制环节的设计与风机运行模式的改善，比如在现有的双馈风机使用中，转子超速控制的使用须在额定风速以下，同时转子超速控制可以有效增加辅助的频率控制。当风机的频率下降时，转子转速也会跟随下降，这样不仅可以通过部分动能的释放来调整提高频率反应变化能力，同时也可以大大增加整体机组的发电功率，在其中，也就实现了频率调节的功能。虽然转子超速控制具有以上的优点，但它在频率调节的过程中，存在着控制和操纵上的盲区。当风速达到甚至即将超过额定的数值后，机组会主动地通过对桨距角的控制来实现功率的平稳，此时转子转速的提高对功率已经失去了主要的提升作用，因此，转子超速控制的运行仅限于额定风速以下。 （三）变桨控制技术

在风电发电现有的调频技术当中，在风力变化较大的地方一般会选取变桨控制的方式。变桨控制的使用首先是要对桨距角进行有效合理的操控，相应改变桨叶的迎风角度与整体输入的机械能量大小，它的位置也是处于最大功率点以下，也会留出一定的容量以供备用，从而对频率进行有效地控制。在风速较为稳定的情况下，桨距的角度越大，机组的备用功率也就越大。变桨技术在风力发电的运用当中，具有较强的灵活操控能力，调节范围也十分大，并且可以实现全风速下的功率控制。但是它的执行机构为机械部件，反应的速度十分不灵敏，而且桨距角变化不宜频繁，不然机组的机械很受到磨损，导致整体系统瘫痪。当前的变桨技术，主要应用于额定风速以上，虽然也会产生一定的维护修理费用，但是，它所带来的效益明显超于弊端。的非线性结构，达到抑制转速偏差的问题。在这个过程中，可以采用高速浮点芯片作为核心控制器，在自抗扰控制系统的算法之下，实现对风力机桨距角的精准控制和调节，从而使变桨距控制器在良好地动态响应功能之下，保障变速恒频风力发电系统的安全、稳定运行。 （四）储能参与风电调频

在风力发电中，储能系统的组要作用是储备足够的能源，起到“后勤保障”的作用，储能系统具有较为灵活的控制能力，并且在短时间内就能够响应程序所提出的内容，并且更重要的是在性能方面更加稳定，风力系统在参与频率调节的过程中，储能系统是重要的组成部分。储能系统在风电机组以及在风电场中都能得到更加充分的应用，但是如果应用不当，也会造成一定的损失，例如成本较高，导致经济效益的不稳定，或是在容量储备方面达不到要求等，这些问题都会在一定程度上影响到风力发电的发展，因此在当前的工作中，研究人员对这一系统进行了进一步的研究，发现将储能系统与上述的转子控制进行有效的结合，可以有效的控制不利因素的产生。例如在转子转速的控制过程中，具有灵活性的特点，因此在应用的过程中第一时间会对系统的频率变化进行相应，进而提高储能的经济效益，对于成本的控制也具有重要的影响。又如在变桨控制的过程中，在一定的时间内，储能系统可以持续的应用在系统频率的调节过程中，并且不会受到外界的干扰，在这种情况下，也可以将储能的运行成本得到有效的降低。从全局的

角度出发，针对储能系统运行的过程，可以得出结论，在今后风电机组发电的过程中，储能系统是其中的重要一个环节，应加以有效的利用。 三、风力发电调频技术的发展趋势

风力发电技术的优点不言而喻，全球许多国家都在对风力发电调频技术进行研究。虽然取得了一系列的技术进展，同时也面临着一些新的技术性问题。只有不断攻克这些问题，才能全面促进风力发电的发展和进步。下面对现阶段风电调频技术面临的问题进行分析，并且对未来风力发电调频技术的研究方向进行预测。 第一，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。

第二，储能参与风电调频的协调机制与控制技术。由于不同调频手段对速度响应方面以及作用时间方面有不同程度的影响，所以可以灵活处理这三个因素之间的关系，然后让相关设备可以在惯性作用下具有一次调频的功能。储能参与和风电调频之间存在关联性，电能的存储能力和存储速度影响调频技术。如果储能设备具有较宽的速度阈值，则调频技术的控制参数就可以适当固定，因为不会因为储能超载而导致调频超速而酿成安全事故。

第三，风电调频的约束条件评估与界定。现阶段，各个地区的风电发展都是具体问题具体分析，根据自己风电发电的实际需要来定制各种仪器。由于风力发电还处于探索阶段，所以选用的转子动能控制和超速控制等设备都是理论计算值，在实际工作中可以会出现转子超速等情况。这样就会直接影响风力发电调频的稳定性。鉴于风力发电已经成规模，国内外对其研究的案例也比较多，当下需要将这些技术信息进行整合和分析，研究出一套较为科学的风电调频技术评估和界定文件。有了一个统一的标准，就可以反思当下风力发电系统中存在的问题，然后按照评估文件来进行改进，定期对各个风力发电厂进行调研，从数据信息来分析和预测风力发电的技术改良前景。

第四，适宜于风电的储能技术及其设备。利用风能进行发电的技术已经较为成熟，但是如何将这些电能收集和储存起来成为了新的研究课题。风力发电虽然有诸多优点，但是生产成本和生产设备的费用较高，并且风力发电受到自然气候的影响很大，风电产量不稳定。这就需要一个强大的储能设备来收集和存贮电能。 第五，风电提供调频辅助服务的市场定位与盈利模式。从作用上分析，风力发电调频属于电力系统的辅助服务工具，这就能够通过风力发电调频技术来从电力系统收取一定的费用。现阶段，瑞典等国家已经通过风力发电调频技术创造了一定的经济效益。当风电调频技术成为一项可创收的项目，就会出现风电调频技术的市场竞争，这种良性的市场竞争又会促进风力发电的发展。 四、结语

综上所述，风力发电技术对电力行业发展非常有益，能够充分利用自然能源，减少火力发电对环境的污染和对煤等化石燃料的消耗，所以要大力提倡和扶持风力发电技术。对风力发电调频技术而言，现阶段需要对转子惯性控制技术、转子超速控制技术、变桨控制技术、储能参与风电调频等内容进行深入研究。这些技

术受到机械设备和信息化的影响较大，所以该技术的更新换代非常频繁，需要持续关注和研究。风力发电的研究在全世界都在进行，其发展潜力可见一斑。我国内蒙古等地区具有丰富的风能，是发展风力的良好地区，如果能够快速提高风力发电调频技术，则可以尽早实现风力发电的大面积供应。因此，风力发电调频技术人员和相关的设备研发人员要对此进行高度重视，通过深入研究来促进风力发电的发展。 参考文献：

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