风电机组及场站惯量响应与一次调频调压关键技术与核心装备

随着新能源渗透率不断增加，传统发电份额不断被挤占，导致系统惯量下降，热备用容量减小，降低了电网的安全稳定裕度。已知目前双馈感应风力发电机（DFIG）在最大功率点跟踪控制下，发电机输出功率难以响应电网频率波动，而超速减载控制和变桨距角控制虽然在一定程度上改善风电机组整体性能和一次调频特性，但存在预留一定备用容量而无法实现最大发电效益。目前储能装置已广泛应用于风电场，但大多为风电场集中式储能方案，其安全可靠性风险往往大于分布式模式，故如何提高单台风电机组的致稳性和抗扰性，使其具备一次调节能力显得尤为重要。

图1 实验装置图1

图2 实验装置图2

图3 DFIG的储能配置图

结合上述应用背景，提出以下技术解决方案：

1、结合DFIG直流母线储能装置的优势，从增加控制自由度、平滑源端风功率间歇性波动以及抑制网侧负荷扰动三个维度入手，分别提出基于超级电容器控制的DFIG惯量支撑与一次调频控制，基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的DFIG一次调频策略和考虑源－荷功率随机波动的DFIG一次频率平滑调节方法，上述控制可在增大发电效益的同时提升频率调节效果。

2、量化DFIG的一次电压调节能力，制定DFIG的动态无功控制策略，设计DFIG与风场无功补偿装置的综合协调控制方案，从提高系统稳定性和鲁棒性出发，研究自抗扰控制技术等快速提升风电场系统无功响应速度，最大限度地缓解电网电压跌落，提高电网的电压安全稳定性。

3、结合功率密度、可充放电循环寿命以及经济性作为储能介质选择的主要评测指标，确定合适的单一或混合储能介质及变换装置类型，根据频率调节目标计算储能装置的容量，进一步研究混合储能的容量优化方法，设计出一套高充放电效率、低成本的混合储能装置。

4、研究风储联合调频和基于超级电容调频、风机分布式储能和场站集中式储能所组合成的四种储能调频方案的优缺点，通过多复杂工况验证不同技术方案的调频效果，结合储能容量、使用寿命、经济成本和技术性能比较得出最优方案。

5、研究大功率基于单一储能或混合储能控制的风电机组一次调频样机，完成风电机组参与系统惯量支撑与一次调节方案的验证，对新型一次调频控制技术和一次调压控制方案进行大功率样机的试验验证，完成工程应用的基础准备工作。

1、针对风电机组一次频率调节，分别提出了基于超级电容器储能、变功率点跟踪和超级电容储能协调控制和考虑源荷功率频率调节等方法，提高一次频率调节能力，并优化了储能装置的容量配置。

2、设计双馈感应风力发电机的动态无功协调控制方案，提出了双馈感应风力发电机最小限度降低机组出力下可提高无功极限最大值的最优方法。

3、分别就风储联合调频策略和基于超级电容器调频策略、风机分布式储能和场站集中式储能所组合成的四种储能调频方案的优缺点和拓扑结构进行对比分析，最终得出采用风机分布式储能下的风储协调方案更加具有应用优势。

通过本项目的研究，可形成新能源风机技术在大电网中应用效果验证方面的技术成果，有助于进一步体现国家风光储输示范工程的示范引领作用，推动新能源风机储能技术在大规模新能源接入地区的推广应用，为提升新能源发电高渗透率地区电网的安全稳定运行水平，促进建立可再生能源并网的辅助服务机制提供重要依据和借鉴。

目前装置依托“双馈感应风力发电机惯量阻尼及一次调节方法的研究”项目，已开发完成380V/10kW实验样机，并预计展开示范应用。

“基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略”论文获得《电力系统自动化》期刊2020年度优秀论文三等奖。