风力发电系统的频率稳定性优化

电力系统必须保持发电与用电总量的基本平衡，同时保持系统频率稳定，电力系统通过一次调频和二次调频来维持系统的功率平衡和频率稳定。一般情况下，系统频率在很小的范围内波动，而风电场输出功率在较大范围内波动，风电场输出功率的波动对系统的功率平衡、电能质量带来一定的影响，大量风电的接入会给系统频率调整带来一定的影响，因此各国风电场并网技术导则都对风电场的有功功率变化（也即频率稳定性）提出了要求。系统频率的变化也会给风电机组的运行带来影响，所以各国的风电并网导则都要求风电机组能够在一定的频率范围内正常运行。

电力系统中，频率是衡量电能质量的重要指标，保证电力系统的频率合乎标准也是系统运行调整的一项基本任务。变速恒频双馈发电机的转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，双馈发电机的转速和输出功率随之变化。频率降低时，双馈发电机和变压器的励磁电流增大，无功功率损耗增加，这些都会给电力系统无功平衡和电压调整增加困难。

频率同发电机的转速有严格的关系。发电机的转速是由作用在机组转轴上的转矩平衡所确定的。原动机输入的功率扣除了励磁损耗和各种机械损耗后，如果能同发电机输出的电磁功率严格地保持平衡，发电机的转速就恒定不变。但是发电机输出的电磁功率由系统的运行状态决定，全系统发电机输出的有功功率之和，在任何时刻都是同系统的有功功率负荷相等。由于电能不能储存，负荷功率的任何变化都立即引起发电机输出功率的相应变化，这种变化是瞬时出现的。原动机输入功率由于调节系统的相对迟缓无法适应发电机电磁功率的瞬时变化。因此，发电机转轴上的转矩的绝对平衡是不存在的，也就是说，严格地维持发电机转速不变或频率不变是不可能的。但是把频率对额定值的偏移限制在一个相当小的范围内则是必要的，也是能够实现的。我国电力系统的额定频率f_N为50Hz，频率偏差范围为±0.2～±0.5Hz，用百分数表示为±0.4%～±1%。

电力系统的负荷时刻都在变化，实际负荷由具有三种不同变化规律的变动负荷所组成：第一种是变化幅度很小，变化周期较短的负荷分量（一般为10s以内）；第二种是变化幅度较大，变化周期较长的负荷分量（一般为10s到3min）；第三种是变化缓慢的持续变动负荷。负荷的变化将引起频率的相应变化，这就涉及了电网频率的一次调整和二次调整，有些国家最新的风电并网准则要求风电场具备频率调节功能。

电力系统的有功功率和无功功率需求既同电压有关，也同频率有关。频率或电压的变化都将通过系统的负荷特性同时影响到有功功率和无功功率的平衡。

当系统频率下降时，发电机发出的无功功率将要减少；变压器和双馈发电机励磁所需的无功功率将要增加，绕组漏抗的无功功率损耗将要减小；线路电容充电功率和电抗的无功损耗都要减小。总的来说，频率下降时，系统的无功需求增加。如果系统的无功电源储备不足，则在频率下降时，将很难维持电压的正常水平。如果系统的无功电源储备充足，则在频率下降时，为满足正常电压下的无功平衡，发电机将输出更多的无功功率。(www.xing528.com)

当系统频率增高时，发电机电动势将要增高，系统的无功需求减少，因此系统的电压将要上升。为维持电压的正常水平，发电机发出的无功功率可以适当减少。

当电网中电压水平提高时，负荷所需的有功功率将要增加，系统总的有功需求有所增加。如果有功电源不很充裕，将引起频率下降。当电压水平降低时，系统总的有功需求将要减少，从而导致频率的升高。在事故后的运行方式下，由于某些发电机退出运行，系统的有功和无功功率都感不足时，电压的下降将减少有功的缺额，从而在一定程度上阻止频率的急剧下降。

当系统由于有功不足和无功不足导致频率和电压偏低时，应该先解决频率的问题，因为频率的提高能减少无功功率的缺额，这对于调整电压是有利的。如果先去提高电压，就会扩大有功的缺额，导致频率更加下降，因而无助于改善系统的运行条件。

电力系统的功率不平衡量将转换为发电机组的速度（频率）偏差，即转换为全系统机组的动能形式。功率缺额将导致全系统机组转速降低，系统频率下降；功率过剩则将导致全系统频率上升。由于风能的随机性与不可预测性，风电场的出力是不可控的，它与系统时刻变化的负荷一起影响着电力系统的功率平衡。所以，风电系统将需要更多的旋转备用，以满足功率平衡及频率稳定的需要。增加风电场中的机组数量，合理安排机组位置并使用高性能变速恒频DFIG风电机组，能够降低风电场出力的波动性，减少系统的旋转备用容量。