在全球能源转型的背景下，风力发电作为可持续发展战略的重要组成部分，受到了全球广泛关注。预计到2025年，风力发电将占全球发电量的约18%。中国等国家正积极发展大型风电场，计划到2025年，中国风电装机总容量将达到3.5亿千瓦。然而，随着风电和光伏发电的快速发展，电网消纳能力面临挑战，如弃风弃光问题，影响电网稳定运行和传统发电供应。风力发电机组参与电网频率调整的技术研究因而显得尤为重要。通过增强风电机组在电网频率调整中的作用，可以提高电能质量，优化能源结构，减少传统能源依赖，有助于环境保护和可持续发展。
1 风电接入对电力系统的影响
1.1 风电接入对系统频率的影响
（1）风电波动性对系统频率的影响。
风力发电因风速的不稳定性和间歇性，导致其功率波动，这对电网功率平衡造成影响。由于传统发电机组调整发电功率反应时间较长，因此风电对电网频率的影响尤为显著。电力系统对高频风力功率波动依靠内在惯性减弱，而低频波动通过二次调频控制。然而，中频范围的风力功率波动对电网频率稳定性构成严重威胁。
（2）风电机组结构特点对系统频率的影响。
相比传统同步发电机组，风电机组广泛使用电力电子组件，能快速调整功率。风电通过电子元件与电网连接，独立控制有功和无功功率，但在频率波动时难以提供稳定的有功功率支持。风电机组可分为几种类型，如异步风机，主要采用异步发电机，会吸收无功功率。虽然小规模风电对系统频率影响不大，但随着技术和规模扩展，其影响日益显著。
1.2 风电接入对系统电压的影响
风力发电效率高度依赖风速变化：风速低时电力减少，风速高时增加。因此，精确预测风速变化对风电场设计至关重要，以确保稳定供电。大型风电场对电网提出新挑战，尤其是处理功率波动和维持电压质量。加强电网结构，以适应风电需求，对提高电网稳定性和可靠性至关重要。由于风力发电常用异步发电机，需注意无功功率管理。为此，每台风机应配备无功补偿设备，根据功率输出调整无功功率，维持电网电压稳定，提升能源效率。
2 风电参与频率调整控制技术研究
风力发电在电网总装机容量中的比重迅速上升至22.89%，超越水力发电，给电网频率控制带来显著挑战和增加安全风险。国内新能源电站过去通常缺乏调频能力，难以控制风电装机容量对频率的影响。因此，风电场开发者开始加强对频率调节技术的研发和改进，旨在精确控制风电容量与电网协调，降低频率波动风险。
2.1 风电参与频率调整控制技术
双馈异步风机通过电力电子设备实现快速、精确调速，其解耦控制技术分离电机电磁转矩和转速，提升调节范围和控制精度。这使其能适应不同风速，保持稳定功率输出。相比恒速恒频和变转子电阻型异步风机，双馈异步风机调速范围更广，控制更灵活，尤其适合风速变化大的环境。双馈异步风机变流器容量仅需风机容量的三分之一，有效降低成本，提高经济性。因其优异的调节能力和成本效益，双馈异步风机在风能发电中占据重要地位，有助于提升风能利用效率，推广可再生能源。
2.1.1 惯性控制
传统的同步发电机组在电力系统频率降低时，通过惯性控制提供系统所需的有功功率支持。这种控制机制利用发电机组转速下降时释放的动能来支持电网。这一方法在传统同步电机中得到了广泛应用，主要通过模拟控制信号来实现。在这个过程中，风力发电机作为关键的发电设备，通过其动力转换机制参与到有功功率的支持中。
2.1.2 下垂控制
在传统的同步电机中，调速器采用一种控制机制，该机制通过调整基于系统频率偏差（df）得到的反馈信号来控制功率和转矩。这种方法涉及多个环节，例如比例放大，最终产生相应的功率或转矩调节信号。这种调节策略在传统同步电机中普遍使用，确保了电机的稳定运行和高效性能。
在这种控制思路的基础上，风力发电机采用了一种创新的频率控制策略，即超速和变桨叶角度的协调控制，也称为下垂控制策略。这一策略考虑到风力发电机在不同风速条件下的运行状态，实现了转速和桨叶角度的灵活调整。通过下垂控制，风力发电机能够根据风速的实际变化，调整其转速和桨叶角度，从而实现最优的风能转换效率和功率输出。
2.1.3 阶跃控制
现代风电系统中广泛使用的永磁同步风机，配备电力电子设备，能迅速增加输出功率。面对系统频率变化，这些风机通过阶跃控制策略快速调整功率输出，迅速响应系统需求。尽管阶跃控制可能在无风或变桨距状态下导致补偿不足和较大回吞量，它在短时间内为风机提供有功支撑，保证系统频率波动下的稳定运行，相比传统的惯性控制和下垂控制具有更快的响应时间和更优的性能。
2.2 变桨距控制研究
变桨距控制是风电机的核心技术，通过调整桨叶角度实现精确的功率控制。它利用风速测量设备监测风速，数据传输至能量管理系统后，系统发出功率调节指令给风机。风机的PLC系统比较实际输出和指令功率，并快速调整桨叶角度。此法在风机启动时快速响应，结构简单，降低成本和复杂度。然而，其面临叶片变桨距机制设计的复杂性和增加的维护成本。
3 风电场通过控制策略改造方式
为了优化风能的利用，出现了以能量管理平台控制系统为核心的新技术。这一系统能够实时监控并根据风资源的可用性来判断电网频率和电压的变化，从而为每台风机制定适当的操作策略。
为了更有效地调节电网频率，我们在现有的网络基础设施中加入了能量管理平台控制监控系统和单机控制策略。通过接入电网高压侧的PT电压二次信号和出线电流信号，电网频率调整控制系统能够实时判断电网的运行状况，并将这些信息传递给各个风机。基于这些信息，每台风机能够执行相应的操作指令，协助调整电网频率。
此外，能量管理平台还具备数据监控、存储和分析等功能。通过对电网数据的持续监控和分析，这一系统能够深入了解电网的运行状态和效能，为电网的优化和调整提供了强有力的技术支持。
4 未来风电发展方向
结合数字化天气预报和风功率预测、改进能量管理平台、引入新型储能设备以及利用可控负荷等措施，共同构成了解决风能波动性所带来的电网频率波动问题的有效方案。随着这些技术的进一步发展和普及，未来的风能供电系统将更加稳定和可持续。
