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大规模风电接入下互联电网频率控制策略的多维度探究与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源转型进程的加速，可持续发展已成为国际社会的广泛共识，大规模风电作为一种清洁、可再生的能源，在能源结构中的地位日益重要。国际能源署（IEA）的相关报告显示，在过去的十年间，全球风电装机容量以每年超过15%的速度增长。截至2022年底，全球风电累计装机容量已突破837GW，风电在全球电力供应中的占比逐年攀升。在中国，风能资源丰富，陆上技术可开发量为6亿～10亿kW，近海风电可开发量为1亿～2亿kW。国家能源局的数据表明，截至2023年，我国风电累计装机容量达到365GW，较上一年增长了16.7%，风电已成为我国能源体系中不可或缺的一部分。

大规模风电的接入，为电力系统的发展带来了新的机遇和挑战。从机遇的角度来看，风电的广泛应用能够有效减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，助力实现碳达峰、碳中和的目标。根据国际可再生能源署（IRENA）的研究，风电在全球能源结构中的占比每提高10%，可使全球二氧化碳年排放量减少约5亿吨。同时，风电产业的发展也带动了相关技术的进步和产业的升级，创造了大量的就业机会，促进了经济的可持续发展。

然而，风电接入也给电力系统的运行和控制带来了诸多挑战，其中频率控制问题尤为突出。风能具有随机性、波动性和间歇性的特点，这使得风电场的输出功率难以准确预测和稳定控制。当大规模风电接入互联电网时，风电功率的快速变化会导致系统功率不平衡，进而引起电网频率的波动。例如，当风速突然变化时，风电机组的输出功率可能在短时间内发生大幅度的波动，这种波动会对电网的频率稳定性产生严重影响。若电网频率波动超出允许范围，不仅会影响电力系统中各类设备的正常运行，降低电能质量，还可能引发系统振荡、解列等严重事故，威胁电力系统的安全稳定运行。

在传统的电力系统中，频率主要通过同步发电机的调速器和自动发电控制（AGC）系统来维持稳定。同步发电机具有较大的惯性，能够在系统功率不平衡时提供一定的频率支撑。而大规模风电接入后，风电机组的运行特性与同步发电机存在显著差异。大多数风电机组采用电力电子变换器与电网相连，这些变换器在隔离风电机组与电网电气联系的同时，也使得风电机组无法像同步发电机那样直接参与系统的频率调节，无法为系统提供惯量支撑和一次调频能力，这进一步加剧了电网频率控制的难度。

以江苏电网为例，根据省政府规划，2020年全省有34座大型的陆地或海上风电场建成投运，总装机容量将达10000MW。风电功率的不确定性，对电网调频产生了显著影响。预计在2015年、2020水平年，江苏电网正常参与AGC调节的CCS机组分别约160台、200台，合计容量约64000MW、80000MW，可调容量约26400MW、33000MW，分别占全省统调装机总容量的约41%和33%。火电机组调节速度按每分钟不低于额定容量2%统计，2015年和2020水平年全省CCS机组每5min的调节能力约6400MW，8000MW。随着风电装机容量的不断增加，风电出力的波动性对电网调频的影响愈发明显，给电网的频率控制带来了巨大的压力。

由此可见，开展含大规模风电的互联电网频率控制策略研究具有重要的现实意义和紧迫性。通过深入研究风电接入对电网频率特性的影响机理，提出有效的频率控制策略，可以提高电网对风电的接纳能力，保障电力系统的安全稳定运行，促进风电产业的健康发展。这不仅有助于实现能源的可持续发展，还能提升国家的能源安全和竞争力，为经济社会的可持续发展提供坚实的能源保障。

1.2国内外研究现状

随着风电在全球范围内的迅速发展，含大规模风电的互联电网频率控制问题受到了国内外学者的广泛关注，相关研究取得了一系列的成果。

国外在风电频率控制方面的研究起步较早，丹麦、德国、美国等国家在该领域处于领先地位。丹麦作为风电发展最为成功的国家之一，其风电在电力系统中的占比极高。丹麦学者对风电机组的控制策略进行了深入研究，提出了多种改进的控制算法，以提高风电机组的频率响应能力。例如，通过优化变桨距控制和转子惯性控制策略，使风电机组能够更好地跟踪电网频率变化，提供有效的频率支撑。德国在风电并网技术和电网频率控制方面也有着丰富的经验，研发了先进的风电功率预测系统，结合电网的实时运行状态，提前调整发电计划，减少风电功率波动对电网频率的影响。美国则注重从电力市场和政策层面推动风电的发展和频率控制，通过建立完善的辅助服务市场，激励风电场参与电网的频率调节，提高风电的利用效率和电网的稳定性。

国内在大规模风电接入电网频率控制方面的研究也取得了显著进展。众多科研机构和高校针对我国风电资源分布和电网结构特点，开展