风力发电的调频技术研究综述

徐明军

江苏龙源风力发电有限公司 江苏南通 226000

风力发电是指将风能的动能转化为电能，是一种清洁无污染的发电方式。现在，风力发电作为可再生能源之一，越来越受到世界各国的重视。风力发电依靠大自然的力量向人们供电，没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，已经成为研究人员们的重点研究课题。

1 风力发电调频技术的必要性

（1）风力发电前景广阔。由于具有发电成本相对稳定和环境污染较为轻微的优势，风力发电的发展前景是广阔的。发电成本接近传统电力，因此逐渐受到世界各国的重视[1]。

（2）风力发电技术完善。功率调节是风力发电的关键技术之一，随着风力机从定桨距机组发展到变桨距变速机组，风力机控制系统采集风速和风向，并传输至机组控制系统。机组控制系统通过变桨和变频系统控制风力发电机组的转速和功率，提高了机组运行的效率和可靠性，提高了年度发电量和电能质量。

2 风力发电的调频技术

（1）转子惯性控制。当前投产的风力发电机主要有两种类型，分别是定速型和变速型。前者在过去的发展中采用较多，容量较小，随着技术的发展，已经不能满足工作中的要求，已经逐渐被淘汰。而变速型的风力发电机成为应用中的主要设备。变速型风力发电机主要分为两种类型，一种是广泛使用的双馈型风机，一种则是直驱型风机，两者之间的区别在于后者的转速波动范围要高于前者。由于发电机的转子不直接与电网连接，当电网频率发生变化时，无法按照转速转矩曲线进行频率自动调节，需要依靠变频系统和变桨系统配合进行调整。转子惯性控制主要由风力发电机组的整体控制策略和发电机转子的机械参数进行调整。

（2）转子超速控制。在实际的应用中，风机的运行转速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。对于双馈型机组，变频器容量约为机组容量的30%，相应的变频器能够调整风力发电机的转速范围约为额定转速的±30%。以一台2对极的发电机为例，额定转速为1500rpm，实际运行时，转速保持在1050rpm-1950rpm之间。这一范围内，机组变频系统能够通过电磁转矩控制发电机转速，如果超出这一范围，就需要通过调整桨距角，降低或增加吸收的风能，从而保证吸收的机械转矩与发电机的电磁转矩保持平衡，保证机组的正常运行。由此看出，转子超速控制具有局限性[2]。

（3）变桨控制。通过调整风力发电机组的叶片的桨距角对机组运行状态进行控制。这一控制的最大优点在于能够通过调整桨距角，使风力发电机组始终运行在最大风能利用率下的状态。同时，通过调大桨距角，还能为自身保留一定的备用容量，桨距角越大，可备用的有功功率也就越多，但实际捕获的风能会呈现出下降的趋势，通过调整桨距角大小，可以有效的控制风能的捕获量，因此桨距角是一项风力发电机组功率、频率控制的重要参数。但是需要注意的是，桨距角调整不宜过于频繁，桨距角的变化会导致风力发电机组吸收的风能发生变化，影响发电机转子吸收的机械能，若变频器控制未能及时响应，会导致发电机转子转速失控，出现超速或转速迅速下降的情况。

（4）储能配合频率控制。由于风力发电的发电功率受风速变化影响很大，即使有变桨、变频系统对风力发电机组的运行状态进行调整，风机输出电能的质量相比常规能源相对较差。而储能装置的出现则在一定程度上降低了风机发电对电网造成的影响。储能装置一般以直流蓄电池或超级电容作为后备电源，当机组发电功率提高时，将一部分电能储存到储能装置，当机组发电功率降低时，释放储能装置中的电能进行补充，保持母线输入、输出功率的平衡[3]。

3 调频技术在风力发电中的应用

（1）转子惯性控制技术。早期的风力发电机组大都采用鼠笼式发电机，它可以为系统提供一定的惯性支持，但是因容量非常小，难以起到很大的作用。随着技术的发展，大多数公司都采用了变速型的发电机：一是因为变速型的发电机控制能力较强，适用范围非常的广阔；二是变速型发电机具有可控变速，在发电过程中也更为灵活，发电的效率也会有所提高。

（2）转子超速控制技术。转子超速控制技术能够比转子惯性控制更有效、更全面地控制转子转速。转子超速控制可以通过变桨系统或变频系统调整风力发电机组的状态，使机组不再处于最大功率点附近，从而保留部分功率储备，并可用于频率调节。转子超速控制技术主要包括控制环节的设计和风机运行方式的改进。通过释放部分动能来调节频率响应，可以大大提高整个机组的发电能力。虽然转子超速控制具有上述优点，但在频率调节过程中存在着控制和操作的盲区，当风速达到或超过额定值时，机组仍需主动通过桨距角的控制来达到平稳的功率。

（3）变桨距控制技术。近年来投产的风力发电机组均具备变桨距控制功能，通过桨叶角度的控制来保证发力发电机组输出电能质量满足电网需求。目前的桨叶调节技术主要用于在风力发电机组启机过程中提供较大的启动转矩和在额定风速以上时调节叶轮吸收的风能。在大于机组额定风速时，变桨距控制通过调整叶片的迎风角，改变吸收的机械能，使发电机的实际工作状态低于最大功率点，保留一定的储备能力。虽然也会因变桨系统故障产生一定的维修费用，但其带来的效益明显多于弊端。

（4）储能配合频率控制。在大量风机并网运行的今天，风电电能质量对电网的冲击也逐渐增大。为保证风电场接入点电网运行状态正常，可在风电场搭配STATCOM或其他无功补偿装置，在主变低压侧母线上配置超级电容或直流蓄电池，对风力发电机组的发电功率、电能质量进行调整。

4 结语

总之，风力发电的调频技术的多项优势特点决定了其在实践中的重要地位，在风电机组的运行管理中应该从风力发电的实际需求出发，充分利用既有优势，研究制定最佳的调频技术应用实施方案。