摘要：  由于风力发电机的功率变动导致电力系统的频率波动。为确保系统的电能质量，本文阐述了功率变动缓和控制性电力稳定装置的组成结构与工作原理，并对风力发电功率平稳化效果进行验证的试验装置予以介绍。

关键字：  风力发电，功率变动，频率变动，电力稳定化装置，蓄电池，验证试验

1 前言
从有利于能量的稳定供给和减轻地球暖化等原因考虑，利用风力发电这类自然能源的分散型电源，在日本预定目标是计划2010年度投入风电300万kW。
这些分散性电源，根据自然条件，因功率随时随刻都在变动，担心这对联网电力系统的电力品质有所影响。其中风力发电，随着大型化、大规模化的功率变动增大，在特定地点风电引入量的集中，风电在系统末端的联网等，联网点附近会出现电压变动；系统的全区域会产生频率变动等问题。尤其是鉴于频率变动及难以确保电力质量这些理由，使得一些电力公司限制了新建风力发电的联网。
与此相应，利用电力贮存装置的充放电，能使分散型电源的功率变动平稳化，缓解了对电力品质的不利影响。因而，电力稳定化技术日益引人注目。
富士电机公司此前（2003年），就将超高速飞轮(fly wheel)用于电力贮存的电力稳定化装置等，一直热衷于电力稳定化技术的开发。目前，利用电力贮存装置的二次电池（铅蓄电池或镍氢电池）及双电层电容器的二台电力稳定装置，形成了世界最初的混合式电力稳定系统，并对此进行了验证试验。
本文介绍了有关频率变动对策的技术要点，同时，对上述验证试验的概要予以证明。
2 频率变化问题
频率变动问题分为：起因于LFC（负荷频率控制）容量不足的问题和起因于未充分减小多余功率的问题。
2.1 起因于LFC容量不足的问题(短周期) 
由于风力发电的功率变动和用户的负荷变化，对于这一数十秒至十数分钟的变动而言，利用LFC（在中央供电指令所，相应于频率偏差，对水电站和火电站输出功率进行的控制），针对电力的需求予以调整。风力的上网电量增加，功率变动增大。特别在LFC调整量不足的轻载时间段内，不可能将频率保持在运行目标值上。作为对策，除增加LFC的调整量以外，还要求设置功率稳定装置，使风电功率变动平稳化等措施（图1）。
2.2 起因于未充分减小多余功率的问题(长周期) 
对应于夜间需求电量的减小，通过EDC（经济调度控制，中央供电指令所对需求进行预测，包括对水电和火电厂运转、停止的功率控制，以十几分钟以上的变动区域为对象），主要是降低火力发电的输出功率，对需求进行调整。但由于受最低功率等的制约，降低的功率有限制。特别在需求量减小的深夜时间，风力发电输出又增加的情况下，不能够充分减小供电功率，因而频率有可能脱离系统运行的目标值。作为对策，可采用停止风力发电机；藉功率贮存装置蓄电；有效利用电力公司之间的联网线路等措施。
3 有关频率变动对策的技术要点
在日本的东北电力系统，由于风力发电的功率变动对系统频率的影响，力求实施频率变动的对策，主要有两种控制型式：(1)功率变动缓和控制型：利用蓄电池等的功率控制，以缓解功率的变动；(2)功率恒定控制型：基于发电计划，为了将每单位时间向电力系统供电的功率保持恒定而采用蓄电池的控制。这种控制相对而言，可能是风电kW造价更高的一种控制。下面介绍功率变动缓和控制的具体技术要求。
3.1 功率变动缓和控制 
通常，从任意时刻开始的20分钟内，频率变动对策后风力发电设备的合成功率（每分钟平均值），以其“最大值-最小值”求出的最大功率变动幅值，应为风力发电机额定功率值的10%以下（图2）。
3.2 指定时间段(主要是指夜间)的电力流量恒定控制 
电力公司指定的时间段（每日最多8小时，1年总计约900小时），不让频率变动对策后的风电设备合成功率流出系统，并保持恒定，或将风力发电机从系统解列。
在上述时间区段，保持功率恒定时，频率变动对策后的风电设备合成功率（1分钟平均值），与恒定控制的目标值之偏差，应为风力发电机额定功率合计值的2%以下。
3.3 功率变动缓和控制与电力流量恒定控制的过渡控制
使电力流量恒定控制之前不久的风电设备合成功率减小的控制，以及使电力流量恒定控制之后不久的风电设备合成功率增加的控制，有关这二种控制，每1分钟合成功率的变化，应为风力发电机额定功率合计值的2%以下。
3.4 防止从电力系统向蓄电池充电的控制 
利用蓄电池实施频率变动的对策时，由于蓄电池控制的原因，必须有避免以系统电力向蓄电池充电的措施。但是，因蓄电池系统的控制滞后，不得不从系统向蓄电池充电的场合下，频率变动对策后的风电设备在达到最大功率的2%之前可允许充电。
4 验证试验设备的概要及全部规格
4.1 验证试验设备 
在西目风力发电站，设置了由三家电池制造公司和一家电机制造公司联合开发的电力稳定化验证试验设备，主要以功率变动缓和控制型的技术要点为目标，对风力发电功率平稳化的效果进行验证。另外，相应于实际的风力发电机功率，本次是采用了外形尺寸缩小的设备进行验证试验的。基本规格如下：
(1)联网点  东北电力有限公司6.6kV配电线。
(2)风轮发电机功率  额定功率合计1850kW（输出限制：1500kW）；1号风轮：1250kW（输出限制：1000kW）；2号风轮：600kW（输出限制：500kW）。
(3)发电机类型：超同步塞尔比乌斯(serbius)式二次励磁线圈型感应发电机（1号、2号机同型号）。
(4)各种电池规格：(a)铅蓄电池/电池单位容量1500Ah，电池总的串联数96，适用最大功率73kW；逆变器/交流输出120kVA，交流电压100V。(b)镍氢电池/电池单位容量130Ah，电池总的串联数180，适用最大功率154kW；逆变器/交流输出200kVA，交流电压440V。(C)双电层电容器/电池单位容量3100F，电池总串联数120，适用最大功率143kW（最大电压时）；逆变器/交流输出80kVA，交流电压78V。
4.2 验证试验设备的组成  
本验证试验设备的特点是以双电层电容器和二次电池组成的混合型电力稳定化系统。在功率变动缓和控制下，需要对覆盖从LFC到EDC区域广阔的功率变动进行补偿。因此，循环寿命长的双电层电容器，主要承担LFC工作区域，数秒~数分钟短周期成分的平稳化任务；另一方面，由于二次电池易于确保所要的kWh容量，故应承担从LFC到EDC的工作区域，数分钟~数小时的长周期成分的平稳    化任务（图3）。
5 控制技术与西目风力发电站的验证试验
5.1 功率变动平稳化控制的概要 
电力稳定化装置的控制结构如图4所示。在消除变动成分的滤波器中，将变动成分从所计测的发电机功率Pg中滤除，形成稳定的目标值Pa。其次，由稳定化目标值Pa与发电机功率Pg的差分，形成变动成分的反相位波形，作为充放电指令值Po。功率变换器及电力贮存装置，按照充放电指令值Po进行充放电。由此，可将联网点的合成输出功率实现平稳化。
5.2 起因于制约运转容许范围的问题及对策 
对功率变换器的充放电功率(kW)，对电力贮存装置（双电层电容器或二次电池）的蓄电量(kWh)等，均存在运行的容许范围。为此，各种指标达到上下限附近时，要利用限幅器(Limiter)对充放电指令值予以限制，以防止超越运行容许范围。但是，一旦设置限幅器，充放电指令值会在联网点产生短周期变动成分这一问题。因此，为防止超出运行容许范围，以及为保持功率变动平稳化的效果，采取了不同的对策。
5.2.1 蓄电池校正控制 
图5所示，将蓄电池尽可能保持在运行容许范围的中心附近，对充放电指令值进行补偿校正。蓄电量的电平高时，将充放电指令值移向放电方向，蓄电量电平低时则移向充电方向。
5.2.2 可变基准蓄电量控制 
风力发电机的功率，在高电平下从稳定状态急减时，电力稳定化装置进行放电，以补偿功率变动。但是，事前应确保补偿所必要的蓄电量，以免担心蓄电量的不足。相反，风力发电机输出功率电平低时，因输出功率急增，担心导致空置容量的不足，因此，相应于风力发电机的输出功率电平的高低，为确保适当的蓄电量或空置容量，应对充放电指令值进行补偿校正。

参考文献
[1] 桑山仁平， 浅沼圭司， 神通川 亨， 须崎久晴， 岡崎昭仁等， 风力发电设备向け电力安定化装置， 《电气评论》2008. No. 6
[2] 松山 勝美， 电气二重层キャバシタに基づくキャバシタ事业への取り组み《OHM》2008.No.7

作者简介
邓隐北(1937—)男，研究员，原郑州大学机电工程学院院长，现为河南森源电气股份有限公司技术顾问。
邢红超(1984—)男，安徽响水涧抽水蓄能有限公司工程师。
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