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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
一、风力发电调频技术
风电机组大都采用最大风能捕获控制，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，通过调节风电机组的控制，可以使得机组具备惯性响应和频率调节能力。目前，主要通过转子惯性、超速和变桨方式进行有功功率控制。
转子惯性控制是在风电机组运行过程中，接收电力系统的调频指令，临时改变发电机转矩控制，使得叶轮转速变化，在短时间内吸收/释放机组传动链中储存的部分旋转动能，提供类似于传统机组的转动惯量。
转子超速控制是控制叶轮超速运行，使风电机组偏离最大功率捕获点，提供一定容量的有功功率备用。超速控制仅适用于额定风速以下的运行工况。变桨控制是通过控制叶片的桨距角偏离最优点，使风电机组处于最大功率点以下运行，从而留出一定的备用容量。一般情况下，变桨控制多用于额定风速以上的工况。转子超速控制和变桨控制都会使得机组长期偏离最大功率点运行，牺牲发电量和经济效益。转子惯性控制为临时性控制措施，对发电量的影响较小。
二、转子惯性控制调频
式中:Δf——系统频率偏差;ΔP——风电机组有功功率增量;Kpf——频率偏差的权重系数;Kdf——频率偏差微分的权重系数。
在发电机转矩控制上增加一个增量:
式中:ωg——发电机转速;ΔT——发电机转矩增量。
为确定机组参与系统调频所需备用容量，设定机组减载水平为η。结合常规发电机组静调差系数的定义，减载水平为:
式中:P0——风电机组额定功率;f*——系统频率;σf——静调差系统。
电力系统频率需保持在50Hz上下，偏移一般不超过±0.2Hz，静调差系数一般为3%-5%。由式(3)可得减载水平为8%-13%，可设定双馈感应式风电机组减载水平为10%。
动力学-控制联合仿真
一、建模
基于SIMPACK-Simulink联合仿真，分析双馈风电机组采用转子惯性控制参与一次调频的动力学响应。
SIMPACK是出自德国宇航局的通用多体动力学仿真软件，在风电机组动力学仿真方面应用普遍。采用专用模块“RotorBladeGeneration”生成弯扭耦合的柔性叶片，基于梁单元生成塔筒柔性体模型，以刚性传动比简化齿轮箱，通过接口力元调用NREL开发的AeroDyn气动力计算程序，执行叶片气动力计算。风电机组多体动力学模型如图1所示。
在Simulink中建立风电机组控制器模型，包括发电机转矩控制和叶片桨距角控制。发电机转速与设定值的偏差作为输入，经转矩PI模块后，输出发电机转矩;经桨距角PI模块后，输出叶片桨距角。风电机组处于额定功率以下运行时，转矩控制模块启用;处于额定功率以上时，桨距角控制模块启用。
在上述控制器基础上，引入式(1)所示转子惯量控制算法，如图2所示。
通过SIMAT接口，执行SIMPACK与Simulink之间的数据交互，实现联合仿真。
二、稳态风况仿真
以某2MW机组为例进行仿真。该机组发电机切入转速为1000rpm，额定转速为1780rpm，切入风速为3m/s，额定风速为10m/s。假定电力系统在某时刻后的1s内频率下降0.2Hz，并持续10s，之后经过1s恢复，如图3所示。
图1多体动力学模型
图2转子惯量控制
图3系统频率偏差
首先仿真5m/s稳态风作用下，系统频率下降后机组临时增发10%功率。从250s开始电力系统频率下降，12s后频率恢复。发电机转矩、转速、机组输出功率的动态响应如图4、图5、图6所示。
即使在稳态风下，系统频率下降，发电机功率快速增加至最高点后，并没有保持在稳定值，而是逐渐下降(251s-261s)。这是因为临时改变发电机转矩控制输出，使得机组偏离了最大功率点运行，Cp系数减小，降低了风轮的一次能量捕获效率。时间越长，偏离最大功率点越远，Cp系数也越低，导致发电机功率输出下降。
在第261s-262s，系统频率逐渐恢复，发电机功率大
幅下降，这种情况下极易导致系统频率二次下降。之后，发电机转速、转矩和功率逐渐向最优运行点靠拢，历时大约60s后恢复。
图5发电机转矩
图6发电机功率
三、湍流风况仿真
仿真湍流风作用下，系统频率下降后机组临时增发10%功率的动力学响应。轮毂高度处平均风速为5m/s，湍流强度29.9%，如图7所示。
从250s开始电力系统频率下降，12s后频率恢复。发电机转矩、转速、机组输出功率的动态响应如图8、图9、图10所示。为了便于分析比较，一并给出不考虑转子惯性控制调频时的动态响应曲线。
图7轮毂高度处平均风速
图9发电机转矩
由仿真结果可知，在第250s系统频率逐渐下降后，发电机转矩上升，转速下降，功率上升。在第262s系统频率恢复后，发电机转矩、转速和功率有一个较小的波动，之后历时大约25s逐渐恢复至正常水平。
总体上，湍流风下转子惯性控制能及时响应系统的调频需求，且对发电机转矩、转速和功率的影响较小。
四、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，以促进风电的良性发展。
参考文献
[1]国家能源局.可再生能源发展“十二五”发展规划[R].北京:国家能源局，2012.
[2]蒋佳良，晁勤，陈建伟，等.不同风电机组的频率响应
特性仿真分析[J].可再生能源，2010，28(3):24-28.
[3]曹张洁.双馈感应发电机组参与系统一次调频的控制策略研究[D].成都:西南交通大学，2009.