风力发电的调频技术研究综述王建洲

风力发电的调频技术研究综述王建洲

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摘要：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。

关键词：风力发电；调频技术；储能；

目前，风力发电越来越受到人们的重视，这是一种无污染、环保的发电模式，依靠大自然的力量向人们的生产生活提供电能，因此成为研究人员们的重点研究课题。因为该发电模式与传统的发电模式有所不同，因此寻求更为有效的发电调频技术就显得尤为重要。

一、风力发电调频技术应用的必要性

风力发电发展前景广阔，其发电成本与常规电力基本接近，因此其逐渐受到世界各国的重视，对于其研究也逐渐深入。根据相关调查显示，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦，因此我们应不断加强风力发电技术的探索和实践，以为我国的经济发展提供能源保障。风力发电具有较为稳定的发电成本，对环境污染小，因此其发展前景较为广阔。由于自然风速的大小和方向的随机变化，风力发电机组切入电网和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组理想地向电网提供电力的最终目标。功率调节是风力发电机组的关键技术之一，功率调节方式主要包括定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种控制方法。随着风力发电机组由定桨距恒速运行发展到变桨距变速运行后，风力发电机组控制系统可通过风速和风向变化对机组进行并网和脱网及调向控制，同时还可通过变距系统对机组进行转速和功率的控制，以提高机组的运行效率、安全性和可靠性，促进年发电数量和质量的提升。

二、风力发电调频技术

1.转子惯性控制。当前工作中应用到的风力发电机主要具有两种类型：（1）定速型；（2）变速型，前者在过去的发展中采用较多，容量较小，不能满足工作中的要求，因此在后续的发展阶段逐渐被淘汰。而变速型的风力发电机成为应用中的主要设备，并且分为两种类型，一种是广泛使用的双馈型风机，另外一种则是直驱型风机，两者之间的区别在于后者的波动范围要高于前者，因此在控制上具有一定的缺陷，不能满足灵活性的特点，为此在实际的工作中，应该寻求更大的突破。转子惯性控制与风力发电机自身所具有的惯性能力以及运行时的状态具有直接的联系，因此从这两方面入手能够更加灵活的对转子惯性进行控制。

2.转子超速控制。超速控制的关键在于当转子出现超速运转时，如何将其得到有效的控制，这是工作中的重点问题，在实际的应用中，风机的运行速率往往会保留一部分作为备用，这一部分备用的有功功率是用来作为一次频率调节的，因此对超速控制主要在于一次频率在调节时的响应速度，速度越快，对风机的影响就弱，但是不足之处在于有一部分盲区是不能进行有效的控制的，这一过程中会对风机的运转速度控制在一定的范围之内，如果超出这一范围，那么就需要采用桨距角保证恒功率的正常运行，由此看来，转子超速的适用范围也是具有局限性的，仅仅在额定风速的范围之内才能得以正常的运行，但是转子超速并不会受到时间的限制，而是在多数时间内都可以得到应用，这也在一定程度上降低了对风力发电所带来的经济损失。

3.变桨控制。桨距角是在变桨距控制的过程中得以体现的，这一控制的最大优点在于能够在最大功率的控制范围内得以运行，并且还能为自身保留一定的容量，桨距角的大小受到风力情况的限制，如果桨距角越大，那么可备用的有功功率也就越多，进而在实际中所捕获的风能也会呈现出下降的趋势，根据桨距角大小的不通，可以有效的控制风能的捕获量，因此桨距角是一项重要的参考依据，加强其在实际应用中的调节能力，可以有效的实现对风力功率的有效控制，但是应该注意的是，不要过于频繁的对桨距角进行调节，这样反而会造成适得其反的效果，因为这对于风力机组会产生一定的负面影响，造成机械的磨损严重，进而设备的使用寿命也会受到影响，在无形之中反而又增加了运行的成本，不能满足风力发电的经济效益。

三、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。针对储能系统运行的过程，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。

四、风力发电调频技术的发展前景

1.中压变流器拓扑功率不断增大。根据近年的不断研究，为了使风力资源的成本降低和转换风力资源的效率，风力的涡轮发电机的发电功率得到了飞快的增长。器件的额定功率不断的得到提高，而且开关和导通也逐渐的改善，所以多电平变流器所具有的优点会不断的被人类所挖掘出来。风力发电的系统优劣是由开关损耗的导通损耗和比率所决定的，即使在工作中多电平变流器的导通受到较高的损害，但是它的开关频率却是十分的低，所以说它的开关损耗也会随之变得十分低。多电平变流器在使电压的额定值不断提高的过程中，可以把风力电场和风力涡轮的发电机身上的变流器之间的配电与网络相连接，所以就可以有效的把笨重的表压器所淘汰。

2.风力电场的具有的储能技术。风力电场可以很好的使风力发电在技术和经济上具有很强的吸引力，储能系统对维持电压频率具有很重要的作用，它不仅可以在15min之内为海量储能，还可以在很短的时间之内吸收和注入一定的能量。在整个风力发电的系统中包含了许多种的储能系统。关系到风力发电技术的蓄电池的储能系统，液态蓄电池是最好的蓄电系统，因为它可以很好的提供单位储能和送点成本的最佳状态，和之前的蓄电系统进行比较，液态蓄电池系统的优势主要是很好的使澳和锌两种化学材料之间发生的化学反应结合起来，这样的蓄电池可以很好的使能量密度高于铅酸的蓄电池系统。并且在一定程度上节省了体积和重量，重要的是它的功率特性可以通过不一样的影响使性能发生不同的改变。

总之，在风力发电的过程中为了进一步加强电力系统的稳定性运行，应该适当的对风力发电进行改良，从转子惯性以及超速控制等方面入手，进一步发展调频技术的相关应用，为实现现代化的风力发电提供重要的参考依据。

参考文献：

[1]柳锐.浅谈风力发电的调频技术研究综述.2017.

[2]赵国程.风能变换系统在电网频率调节中的应用仿真.2016.

[3]何前．风能变换系统在电网频率调节中的应用．2017.