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大规模风电并网下系统调频备用的优化策略与实践研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对清洁能源的需求不断增长以及环境保护意识的日益增强，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和大规模的发展。根据相关数据显示，近年来我国风电装机容量持续攀升，截至2023年底，中国风电累计并网容量达到4.4亿kW，2024年上半年，全国风电新增并网容量2584万千瓦，同比增长12%，截至6月底，全国风电累计并网容量达到4.67亿千瓦，同比增长20%。预计在未来，风电在电力系统中的占比还将进一步提高。大规模风电并网已成为电力系统发展的必然趋势。

然而，风电的大规模接入给电力系统的稳定运行带来了诸多挑战，其中对系统调频备用的影响尤为显著。与传统同步发电机不同，风电机组通过电力电子变流器实现并网，其输出功率受制于风能的随机性和波动性，且难以向电网提供相应的转动惯量，也不会主动参与电网的频率调节。这使得电力系统在频率控制方面面临着新的难题。当风电功率发生大幅波动时，可能导致系统频率的不稳定，严重时甚至会威胁到电力系统的安全运行。例如，在某些风电大发时段，若风电功率突然大幅下降，而系统的调频备用不足，就可能引发系统频率的快速跌落，进而影响到各类用电设备的正常运行。

系统调频备用是维持电力系统频率稳定的关键因素之一。在传统电力系统中，调频备用主要由常规火电机组、水电机组等提供。这些机组具有良好的调节性能和惯性响应能力，能够有效地应对负荷波动和功率缺额，维持系统频率在允许的范围内。然而，大规模风电并网后，由于风电的不确定性和反调峰特性，原有的调频备用配置方案难以满足系统频率稳定的需求。一方面，风电的随机波动增加了系统功率平衡的难度，使得系统需要更多的调频备用容量来应对可能出现的功率缺额；另一方面，风电的反调峰特性与传统负荷曲线相反，导致在某些时段系统的调频备用需求大幅增加，而在其他时段则出现备用容量闲置的情况，这不仅降低了系统运行的经济性，也增加了系统调度的复杂性。

因此，深入研究大规模风电并网后对系统调频备用的影响，并对调频备用进行优化，具有至关重要的现实意义。通过合理优化调频备用配置，可以有效提高电力系统对风电的接纳能力，降低风电接入带来的负面影响，保障电力系统的安全稳定运行。这不仅有助于推动风电等清洁能源的大规模开发和利用，促进能源结构的优化升级，实现“双碳”目标，还能提高电力系统运行的经济性和可靠性，为社会经济的可持续发展提供坚实的能源保障。

1.2国内外研究现状

在大规模风电并网调频备用研究领域，国内外学者开展了大量富有成效的研究工作，为该领域的发展做出了重要贡献。

国外方面，许多发达国家在风电技术和电力系统运行研究方面起步较早，积累了丰富的经验。一些学者针对风电的随机性和波动性对系统频率稳定性的影响展开深入分析，通过建立精确的风电功率预测模型和系统频率响应模型，研究不同风电接入比例下系统调频备用的需求特性。如丹麦学者在其研究中利用历史风速数据和先进的机器学习算法，构建了高精度的风电功率预测模型，通过大量的仿真分析，明确了风电功率预测误差与系统调频备用需求之间的定量关系，为系统调频备用的优化配置提供了理论依据。同时，国外在风电参与调频的技术和控制策略方面也取得了显著进展。例如，德国的相关研究提出了基于虚拟同步机技术的风电机组调频控制策略，该策略通过模拟同步发电机的运行特性，使风电机组能够主动参与系统频率调节，有效提升了风电在系统调频中的作用。此外，在电力市场机制方面，欧美国家通过建立完善的辅助服务市场，为风电参与调频提供了经济激励，促进了风电与传统电源在调频备用领域的协同运行。

国内学者也紧密围绕大规模风电并网后的调频备用问题展开研究。在调频备用容量需求计算方面，一些研究综合考虑风电功率的不确定性、负荷波动以及系统运行约束等因素，提出了多种实用的计算方法。文献[X]基于机会约束规划理论，建立了考虑风电不确定性的系统调频备用容量优化模型，通过引入置信水平来衡量风电功率预测误差的不确定性，在保证系统频率安全的前提下，实现了调频备用容量的合理配置，有效降低了系统运行成本。在风电参与调频的控制策略研究中，国内学者提出了多种创新方法。如采用变参数减载控制的风电场一次调频策略，通过优先减载低风速机组并结合桨距角控制，实现满足系统备用需求的同时最大限度地储存旋转动能，然后提出变调频系数的虚拟惯量控制策略，给出下垂系数的整定方法，有效提升了风机的频率控制能力。在储能辅助风电调频方面，国内也开展了大量的研究与实践。研究人员通过分析储能系统与风电机组的协同运行模式，提出了多种储能配置方案和控制策略，以提高风电参与调频的可靠性和稳定性。

然而，当前的研究仍存在一些不足之处。一方面，虽然现有研究