风力发电频率调节相关技术研究韩志伟

风力发电频率调节相关技术研究韩志伟

韩志伟

大唐新疆清洁能源有限公司新疆维吾尔自治区乌鲁木齐830000

摘要：风力发电是一种环保、节能的发电方式，对社会的可持续发展起着重要作用。然而伴随风力发电的快速发展，基于保证电力系统经济实用性、安全稳定性等目标，要求风力发电具备传统电源频率调节、功率控制等辅助功能。因此，本文基于风力发电的发展现状，从转子惯性控制、超速控制、变桨控制和组合控制四方面介绍了风力发电频率调节的相关技术，最后分析了储能对系统响应和频率调节的应用特征和发展趋势，从而促进风力发电技术的完善，推动我国能源体系的转型和发展。

关键词：风力发电；频率调节；功率控制

引言

近些年来，随着我国社会经济的不断发展，对电力能源的需求持续增加，但在传统火力电中，煤炭资源是不可再生，资源的日益紧张与需求之间存在严重矛盾。在此背景下，可再生能源的开发利用得到人们广泛重视，风力发电技术应运而生，发展十分迅速，对其展开研究，有着重要的现实意义。

1风力发电的发展现状

风力发电是一种利用风动能转换为机械动能，再向电能转换的过程，其工作原理是借助风的动力来推动风车叶片旋转，再通过增速机加快风车叶片旋转的速度，带动发电机发电。风力发电具有环保、节能等优点，自从我国2005年《可再生能源法》立法之后，风能、太阳能、生物质能、水能以及海洋能等可再生能源的得到充分重视，在能源发展中占据着重要地位。在世界环境问题日益严峻的背景下，减轻二氧化碳排放量是世界各国发展的必然要求，为顺应这种发展趋势，降低化石能源的利用率，大力发展发电在内的可再生能源、核能等，是世界能源发展的基本内容，也是我国战略新兴产业规划的重要组成部分，对我国国民经济增长起着重要作用。

我国的风力发电始于上世纪80年代中期，初次商业化运行的风电机容量等级为55kW，在经过近三十年的发展后，我国风力发电市场有了长足进步。根据CWEA2015年的相关统计，截止2014年年底，我国风电累计装机容量约为114609MW左右，累计安装风机组76241台，同比增长25.4%；在2014年中，全国新增安装风机组13121台，新增装机容量23196MW，同比增长44.2%。

我国风能资源十分丰富，可开发利用的风能储量大约为10亿kW，其中，陆地风能储量与海上可开发利用风能储量分别占2.5亿kW和7.5亿kW作用，因此，除了陆上风力发电之外，做好海上风力发电也十分重要。就2014年海上风电装机情况来看，我国海上风电新增装机61台，新增装机容量为229.3MW，同比增长487.9%，其中，有56.7%属于潮间带装机。由此可知，我国海上风力发电水平远远低于陆地风力发电，加强在海上风力发电方面的开发与利用，是我国未来风力发电的重要趋势之一。

风力发电除了具有环保、节能的优点之外，由于风力是一种可再生能源，可以实现重复利用，具有永不枯竭的优点，相较于火力或水力发电方式，风电的基建周期更短，装机规模也较为灵活。但是，风力发电也存在一些不足之处，比如容易产生噪音或者视觉污染，需要占据大量的土地，风力发电的稳定性、可控性较差，发电成本较高，还会对鸟类生存环境产生一定破坏。

2风力发电频率调节相关技术

2.1转子惯性控制

通常来讲，风力发电机是借助转子惯性、超速、变桨和组合等进行有功控制，从而调节电力系统响应频率。所谓转子惯性控制，是在风电机运转时，改变机组变流器的电流，从而临时变化转子速度来瞬间吸收或释放机组运行存储的动能，及时响应电力系统的频率变化，形成机组运行的转动惯性。

就转子惯性反应频率调节方面而言，双馈风电机提供了最大限度的暂态有功支持，同时通过一个微型电力系统创建暂态有功支持和系统频率改进的联系；借助于延迟模型对风电机组短期内最小频率支持的量化分析。事实上，转子惯量控制是通过双馈风机增加频率调节环，借助风机中存储的动能提供短期有功支持。

2.2转子超速控制

所谓的转子超速控制，是实现转子的超速运动，从而使风电机在处于非最大功率时系统实时响应的次优点，同时储存少量有功功率进行一次频率调整。

在一定风速下，风机的转动速度不同，输出功率有所差别，通过调节速度可控制风机改变次优点。在A点位置上，风机输出功率为最大值，在这种情况下，风机运行速度高于此点的转速，风机输出功率降低，从而实现减载，从而实现备用能量的存储。若需提高风电机输出功率，可降低风电机运行速度直至C点，实现电磁功率和机械功率的平衡，从而实现有功控制。然而若风电机转动速度减少至A点，功率输出最大，之后随着转速降低功率也下降，这就是有功控制的波动区域，要尽量避免出现这种情况。

2.3组合控制

综上所述，转子惯性控制、超速控制和变桨控制这三种频率调节技术都有一定的条件限制和应用约束。不难发现，大功率控惯性制方式只适合风速中低的情况；转子超速控制只适合限定风速情况；变桨控制适合全风速，然而通常只用于高风速情况。除此之外，就风电机转子限速方面而言，在低转速情况下，转速下降空间受限；在高转速情况下，动能吸收空间受限。

3风力发电技术发展趋势

3.1风力发电机组容量、机型方面的发展

在风力发电技术的发展当中，降低发电成本、提高发电效率和可靠性，是其主要发展目标之一。在风能发电效率提升方面，主要是通过增大风力发电机的单机容量，来提高风能利用效率，在进入新世纪后，德国研制出了5MW和6MW风力发电机，对风能发电效率的提升创造了良好条件。

就我国风力发电机容量发展情况而言，国内主流风力发电机的机型从2005年750～850kW，到2013年已经增加到1.5～2.5MW；在发电机单机容量上，也表现出持续增大的发展趋势，其中，2012年新增机组平均单机容量为1.65MW，2013年新增机组平均单机容量为1.73MW，最大风电机组为6MW。同时，在海上风电机组方面，其容量也朝着大规模化发展，海上风电场中大量应用了华锐风电3MW海上风电机组，3.6MW、4MW、5MW以及6MW海上风电机组也开始建设并试运行，海上风电开发利用得到进一步发展。

3.2风力发电机组控制技术方面的发展

3.2.1变速恒频控制技术

在传统的风力发电机组中，采用的大多是恒速恒频控制技术，具有结构简单、控制方便、性能可靠等优点，但是，在这种控制技术下，当风速改变时，风力机转速保持不变，风力机无法保证最佳转速，会降低风能利用效率，减小输出功率，从而影响发电效率。变速恒频控制技术就有效改变了恒速恒频控制技术的不足，根据风速情况适当调节风力机转速，可以使风力机保持在最佳转速状态，有效提高风能利用系数，最大程度的捕获并利用风能，使机组运行处于最优化，提高发电效率。当前，在我国风电机场建设中，风电机组控制采用的大多是变速恒频控制技术。

3.2.2变桨距调节技术

在传统风力发电机中，在恒速运行情况下，采用的通常是定桨距失速调节技术，是将轮毂与桨叶固定连接后，使桨距角保持在一个固定值，当风速高于额定值时，根据桨叶翼型失速的特点，气流功角会满足失速条件，受桨叶表明紊流的影响，机组发电效率就会相应降低，从而实现限制输出功率的目标，其调节方式较为简单，但也存在叶片结构与制造工艺复杂、自重大以及发电效率低等弊端。

结语

伴随风力发电的不断开发利用，基于保证电力体系安全性、实用性、经济性等目标，要求风力发电具备传统电源的基本功能，其中调频技术尤为重要。目前，有些风力发电发展迅速的国家都规定了风力发电的备用容量，然而还未对电力系统惯性响应制定标准规范。至今为止，关于风力发电的转子惯性控制、超速控制、变桨控制和组合控制的研究不断涌现，对频率调节的作用不容小觑，然而也受到风机运转等因素的限制，导致出现盲区、备用容量等方面的调节问题。

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