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作者：Zhang WEN, Liangzhong YAO, Fan CHENG, Jian XU, Beilin MAO, Rusi CHEN

发表时间：15 Oct 2023

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文章亮点

1. 评估了风电占比不断增加的现状下的电力系统频率的时空分布；

2. 论述构网控制（GFM）方法在风电参与电力系统调频方面的新应用；

3. 针对风机和风电场两级控制对象，着重评估了现有风电控制策略的优缺点；

4. 论述了风电参与电力系统调频的前景、挑战和潜在的解决方案。

研究背景及意义

低碳能源系统的构建推动风电等可再生能源的快速发展。电力系统中风电的日益增加显著削弱了系统惯性，并威胁到电力系统的频率稳定，导致频率安全事故频发。因此，为改善电力系统在极端场景下的韧性，风电参与电力系统调频显得至关重要。下图给出了不同国家风电参与电力系统调频的规范。

风电参与电网调频规范对比。

主要研究内容

1）风电对电力系统频率的影响

随着风电在电力系统中的比例不断提高，与传统同步发电机不同的频率响应特性会影响系统的频率动态行为。此外，随着可再生能源和电力电子在电力系统中的占比不断增加，系统频率的时空分布也出现了差异，扰动发生后频率波动变得更加严峻。功角摇摆过程中供需功率差额的不均匀分布可能导致每个节点的频率变化率（RoCoF）存在显著差异，从而触发保护动作。因此，利用风电参与电力系统调频具有重要意义。

2）变速风机的常规运行控制方法

本研究针对具备较大风速调节范围的变速风机，分析对比了变速风机的典型控制策略。

变速风机控制策略概述

从表1中可以看出，通过减载控制（变桨角控制和超速控制），在调频过程中可以释放更多的能量。考虑到超速控制具有响应更快和机械磨损更小的特点，优先应用于一次调频。只有当超速控制由于转子速度的上限而不适用时，才使用桨距角控制。然而，正常工况下减载控制降低了风电场的经济效益。短期生产过剩控制和虚拟惯性控制可以有效地防止惯性响应过程中RoCoF的下降，但动能过度释放可能会在转子速度恢复过程中引起严重的频率二次跌落。将下垂控制和虚拟惯性控制相结合，利用模糊自适应控制器根据风速和频率变化调整下垂系数，大大提高了一次调频性能，避免了频率二次跌落。

3）风电场调频策略

根据控制拓扑，风电场的调频策略分为分散控制和集中控制。对于分散控制，风电场中的风机根据上节所述的控制策略参与系统频率。对于集中控制，在调频期间，每台风机的有功功率运行点由风电场控制中心指挥，并且依赖通信。分散控制和集中控制的响应时间序列如下图所示。

分散和集中控制响应时间

分散控制可在低时间延迟的情况下参与调频，因而有效抑制惯性响应过程中RoCoF的下降。集中控制可以更好地保证风电场中扰动估计和有功功率分配之间的功率平衡，但可靠的通信要求会增加总投资成本。将基于构网控制的分散控制与具有稀疏通信需求的集中控制相结合，并采用基于分散模型预测控制的分层控制方案将是未来的趋势。

4）风电参与电力系统调频的前景、挑战及方法

在风机的协调控制方面：对于减载控制，应通过确定适当的备用裕度来平衡风机的经济效益和技术性能。对于转子动能控制，其与减载控制或储能提供的备用功率的协调可降低频率二次跌落的风险，并在惯性响应和一次调频期间充分利用风机的转子动能。此外，应进一步研究不同风电渗透水平下构网控制和跟网控制在系统中的合理份额比，以提高系统在不同应用场景下的频率响应能力。

在数据驱动的人工智能在风电场层面的应用方面：非线性时变特征对风电场的准确建模提出了挑战。对此通过先进的测量手段可有效提高建模精度。此外，基于历史数据和超短期风电预测的数据驱动无模型方法同样是一种有效手段。然而，模型精度和训练时间之间的矛盾，以及通信时延和网络安全之间的矛盾有待于解决。

在风电在电力系统层面的协调方面：风电与其他能源资源协同运行并互补优势。此外，应当考虑风电明显的空间分布特征，通过高压直流输电线路和海上风电枢纽建设大型风电集群得到了大力发展。然而，基于电力电子换流器的HVDC线路过电压和过电流问题、谐波和多频谐振等问题有待于深入研究。

在电网规范和标准的修订方面：现有电网规范基于传统化石燃料发电为主的场景制定。随着能源结构向更多可再生能源与电力系统集成的过渡，需要不断更新现有的电网规范和标准。

结论

本研究从风机和风电场两层维度综述了风电参与电力系统调频的基本原理和应用。通过分析前沿的风电调频控制策略，讨论和比较了各种控制策略的优缺点。当前研究通常仅关注风机个体的控制策略，而忽略了风电场中风机的动态聚合参与系统调频的重要性。此外，风电场内复杂的空气动力过程对模型构建和协同控制提出了严峻挑战。对此，基于数据驱动的无模型方法以及利用混合储能系统是解决现有风电参与电力系统调频缺陷的有效手段。

原文信息

A comprehensive review of wind power based power system frequency regulation

Zhang WEN¹, Liangzhong YAO¹, Fan CHENG^1, Jian XU¹, Beilin MAO¹, Rusi CHEN²

Author information：

1. School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China

2. Electric Power Research Institute, State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd, Wuhan 430077, China

Abstract：

Wind power (WP) is considered as one of the main renewable energy sources (RESs) for future low-carbon and high-cost-efficient power system. However, its low inertia characteristic may threaten the system frequency stability of the power system with a high penetration of WP generation. Thus, the capability of WP participating in the system frequency regulation has become a research hotspot. In this paper, the impact of WP on power system frequency stability is initially presented. In addition, various existing control strategies of WP participating in frequency regulation are reviewed from the wind turbine (WT) level to the wind farm (WF) level, and their performances are compared in terms of operating principles and practical applications. The pros and cons of each control strategy are also discussed. Moreover, the WP combing with energy storage system (ESS) for system frequency regulation is explored. Furthermore, the prospects, future challenges, and solutions of WP participating in power system frequency regulation are summarized.

Keywords：

frequency regulation strategies, wind turbine generators, grid-forming control, model predictive control, energy storage system

Cite this article

Zhang WEN, Liangzhong YAO, Fan CHENG, Jian XU, Beilin MAO, Rusi CHEN. A comprehensive review of wind power based power system frequency regulation. Front. Energy, 2023, 17(5): 611–634

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通讯作者简介

姚良忠(1961)，武汉大学智能电网研究院院长，电气与自动明升手机院二级教授，博士生导师。欧洲app院外籍院士，IEEE Fellow，IET Fellow，AAIA Fellow。主要从事电力系统运行与控制、智能电网、新能源发电及并网技术等方面的研究。

Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为明升中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。明升中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家app院、加拿大工程院、明升中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、手机版热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。

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