近10 年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，光伏发电、风力发电等可再生能源都得到了长足发展。其中，风力发电作为技术最成熟的一种可再生能源发电方式，其发展速度和应用规模不断得到扩大。
随着风电比例的日益增长，如甘肃酒泉地区、新疆哈密地区等风电场群大规模集中接入电力系统并高电压远距离外送案例的不断增加，风电在电力系统中的“地位”正在发生变化，风电对电网的影响已经不可忽视，其中风电场的有功功率控制问题尤为重要，影响着区域电力系统的电能品质、经济性及安全稳定。
国家标准GB/T 19963 -2011 《风电场接入电力系统技术规定》明确规定：“风电场应配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力；当风电场有功功率在总额定出力的20% 以上时，对于场内有功功率出力超过额定容量的20% 的所有风电机组，能够实现有功功率的连续平滑调节，并参与系统有功功率控制。”可见，结合风电场有功功率调节现状与需求，让风电机组参与电网的频率调节以增强风电场的电网适应性势在必行。
目前市场上流行的风电机组都借助变桨系统来实现风电机组输出有功功率的调节。至于风电场的有功功率控制，一般都借助风电场AGC（Automatic Generation Control ）系统来实现。
本文首先研究了各国并网规程关于风电场/风电机组有功功率调节方面的技术要求。然后从风电规程有功功率调节技术要求出发，结合笔者相关的工作经验，探讨了风电场/ 风电机组有功功率/ 频率控制方面存在的一些问题。
国内外风电规程有功功率技术要求
风电场/ 风电机组要具备有功功率控制能力以保证系统频率稳定性，并防止输电线路过载等危及系统安全稳定的情况。为此，各国根据自身电网实际情况在风电场/ 风电机组有功功率控制方面提出了如下几项技术要求。
一、有功功率最大值控制要求
并网规程规定：风电场输出的实时有功功率上限应与电力系统调度机构下达的给定值一致。这有助于电力系统调度机构能够合理安排整个系统的发电/ 输电/ 用电计划以保证整个系统的安全稳定运行，也是避免送出线路过载、保证区域电网负荷用电供需平衡的技术手段之一。
二、有功功率变化率控制要求
在规定的有功功率输出范围之内，风电场/风电机组应根据电力系统调度机构下达的控制指令来控制有功功率变化率，尤其是在风电机组启动和停机阶段，以避免电压跳变、冲击电流等不利情况的危害。
德国E.ON 并网规程规定：风电场/ 风电机组应具备在调度指令下减少有功功率的能力，控制速度要达到每秒10% 额定功率而不应引起风电机组继电保护动作。有的国家按照风电场装机容量大小还规定了“1 分钟平均变化率”、“10分钟平均变化率”等具体技术指标。
三、功率预测要求
风电场应配备有功功率预报系统，且应按照规定的要求上报其发电计划。虽然，风能是一种不可预知的不稳定电源，但目前可根据历史资料、气象预报等数据可把有功功率预报精度提高到75%~85% 左右。
四、风电场AGC要求
风电场应配备有功功率自动控制系统（AGC,Automatic Generation Control ），以使风电场/ 风电机组适应电网频率的变化。
实际上，风电场具备了AGC 以后，可在有功功率最大值控制要求范围之内，灵活控制风电场输出的有功功率，有助于改善区域电网的频率稳定性。
五、有功功率平滑控制
很多并网规程对此并没有提出精确的技术指标，此项技术要求目前只是相关客户评估风电机组并网总体性能的衡量因素之一。有的国家干脆通过风电场层面的有功功率控制避免了针对风电机组的此项技术门槛，如美国部分风电场使用风电场储能设备应对了并网规程有关有功功率控制方面的大多数技术要求，同时达到了节能、增效等目的。其实，风电场输出功率的平滑控制对电能质量的影响很大，尤其是对闪变。
六、紧急停机响应
对于风电场/ 风电机组而言，会有电网突然失电或风电场进入孤岛等情况。目前，风电场/ 风电机组作为一种不可或缺的发电单元，应具备孤岛检测能力，而且能够安全地退出运行，不应使风电场或风电机组内部设备因电网的突然掉电而发生损坏。
七、惯性能量控制要求
理论上，风电机组传动系惯性能量的控制或提前释放能够在同等风速条件下（控制前后风速一致）为机组提供短暂的过负荷运行能力。风电机组的这种运行能力可阻止电网频率因大电源的丢失而严重下陷。
实际上，加拿大Quebec 电网公司已经提出了在此方面的具体技术要求，其要点简述如下：对于正在运行的风电机组而言，无论风速如何变化，只要该机组实时的有功功率输出不小于25%Pn，则该机组至少超发6%Pn/9 秒（从功率开始增加时刻至最大功率点时刻的时间间隔）的额外有功功率。
有功控制问题研究与探讨
一、风电机组有功控制基本原理
当风速小于额定风速时，风电机组通过最大风能追踪策略（MPPT, Max Power Point Tracing ）使风电机组的风能利用系数Cp达到最佳，实现了风电机组对风能动能的最佳捕获。然后，通过变流器的矢量控制，对风电机组注入到电网的有功功率/ 无功功率进行了解耦控制，满足了并网规程关于有功功率控制方面的技术要求。
当风速大于额定风速时或上位机有功功率限幅指令下达时，风电机组通过变桨系统对有功功率进行限幅控制。
二、风电场有功控制基本原理
GB/T 19963 -2011 等国内外风电规程都明确规定：“风电场应配置有功功率控制系统（国外叫做频率响应控制系统，Frequency Response Control ），具备有功功率调节能力。”因此，一般而言，风电场都会配套AGC 系统，以此完成电力系统调度机构下达的有功功率控制指令，包括对风电场并网点有功功率的限幅控制和对风电场并网点有功功率变化率的控制。
风电场AGC 系统接收上位机控制指令以后以风电场内风电机组的运行状态（包括启停状态、实时出力等）、瞬时电网频率、调度机构有功控制指令曲线为边界条件对所有风电机组下达有功功率分配指令，以此完成上位机下达的指令。
三、有功控制问题探讨
在稳态运行工况下，风电场/ 风电机组的有功功率控制特性在风电机组变桨系统、风电机组控制系统和风电场AGC 系统的共同作用下都能满足上文所描述的并网规程要求。但有功功率的控制精度和控制速率因风的不可控性/ 随机性问题、控制信号的通讯速率问题、功率控制执行机构的动作速度问题和风电场并网点的电气特性（短路容量大小等）等因素的影响使风电场/ 风电机组的有功功率很难达到精确值，很难跟常规电源媲美。另外，因风电固有的功率波动特性，其输出电能质量也很难跟常规电源竞争。阵风、台风等特殊风况所带来的有功功率大幅波动等不利影响应如何避免也值得进一步探讨。
至于有功功率预报精度，目前的国内外技术现状只能使其达到85% ，难以进行突破。
对有功功率平滑控制和惯性能量控制而言，这些技术要求都是以风电场有功功率控制能否适应电网频率变化为主要目的。目前，市场上流行的风电机组都没有实施风电机组本地的有功功率平滑控制，也没有实现风电机组惯性响应控制特性。这主要是因为几个主要矛盾：
（一）成本问题：风电机组本地的功率平滑控制所需的储能等设备的成本不低；另外，这些要求并不是所有风电规程之要求，如中国就没有这类要求，可见用一种风电机组配置满足大多数风电规程之要求会带来很大的成本代价；
（二）得不偿失：风电机组本地的功率平滑控制所需的特定控制策略（如变流器对输出有功功率波动的阻尼控制等）会影响到风电机组的功率曲线，有可能导致违约；
（三）惯性能量控制这种新的技术要求并非所有风电规程所要求的，不足以引起更多风电机组制造商的足够重视。
再以风电场AGC 而言，风电场的AGC 系统也没有发挥其应有的作用，目前只起到上位机有功功率控制指令的优化分配任务，并没有实现基于风电场并网点实时频率的自动控制功能。
在暂态运行工况下，尤其是在运行方式切换的过度期间，应如何控制风电场/ 风电机组的有功功率问题需要引起各方重视。如风电机组启动和停机阶段的功率变化率控制、风电机组故障穿越期间的有功功率控制和电网故障被消除以后的有功功率恢复速度等。
结论
随着风电在电力系统中所占比重的进一步提高，电网对风电场的接入将会提出越来越严格的技术要求，甚至会要求风电场具备像常规电源一样的AGC 特性。另外，电网智能化水平的逐步发展，风电等可再生能源以分散/ 分布方式接入电网将变为常态，因而会导致各种新的技术要求和技术门槛。如加拿大Quebec 公司去年颁布的新标准要求风电机组具备惯性能量控制响应，即要求风电机组通过传动系惯性能量的提前释放来支持电网频率下陷故障的恢复。如中国电网公司西北分公司正在跟风电机组制造商探讨低电压二次穿越技术可行性问题。再如国外很多电网公司已把针对风电场的高电压穿越技术要求写进其最新版本的接入规范。
目前，为了应对风电场现有的接入技术问题和将要提出的技术门槛，相关技术也在逐步发展。如为了使风电能跟常规电源竞争，国外客户在风电场开始使用大规模储能设备，以此提高有功功率控制精度，同时达到节能、增效目的。如GE 等一部分风电机组制造商已把储能设备应用到风电机组中以改善单机的并网性能。今后，功率预测技术、储能技术、新型风电机组设计技术、超导技术等新技术将会得到长足发展，这有助于改善风电场的有功功率控制等并网性能，甚至会使风电场具备像常规电源一样的并网特性。
目前，中国风电装机容量已经到了比较高的水平，风电接入电网的技术性能越来越受到了各方高度重视。另外，中国电网的实际运行需求也要求风电机组不断提高其电网兼容性。维持电网的安全、稳定运行事关各方切身利益，甚至关系到国泰民安。如何让风电等不稳定电源能够更多地被电网接纳，同时确保整个系统的安全、可靠性是需要各方共同应对的重要任务。
本文通过相关研究，归纳出了如下几项需要重点关注的有功功率控制方面的技术问题，希望对同行们有所启发：
（一）对风电机组启停阶段的有功变化率应加以规定以避免风电场群对电网频率的冲击。
（二）风电场的AGC 若不实现基于电网频率的自动控制功能或风电机组不满足本文条款“惯性能量控制要求”所述的风电规程技术要求，则风电场很难参与电网的一次/ 二次频率调节。
（三）对故障期间的有功功率控制应加以规定，这有助于风电场的发电效益。
（四）故障结束后的有功功率恢复速度应根据区域电网实际情况和就近地区电压调整措施加以修正以避免对电网稳定性的不利影响。
（五）风电机组和风电场输出有功功率的平滑控制对系统稳定度的影响不宜忽略。储能设备和特定控制策略在有功功率平滑控制方面的作用应引起重视，所述产品对应的技术升级势在必行。
