風電機組參與的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法

呼 和，童 非，王鵬英，劉 釗

（府谷縣京能新能源有限公司，陜西 榆林719400）

基于我國堅強電網(wǎng)建設(shè)工作在社會中的逐步推進，風電機組在電網(wǎng)建設(shè)中所占的功能比例越來越高，與此同時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了對應(yīng)的改變，電網(wǎng)在運行過程中，峰值與谷值之間的差異性也越來越大[1-3]。然而在當下社會中，群體對于電網(wǎng)多元化功能的需求也越來越高，因此，如何在風電機組參與電網(wǎng)運行過程中，做到對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制，成為了有關(guān)單位的關(guān)注焦點。

為此，電力單位提出對電網(wǎng)的一次調(diào)頻行為，此種行為在應(yīng)用中是指，根據(jù)電網(wǎng)在運行過程中，電力值高速改變產(chǎn)生的負荷電流，對電網(wǎng)運行的行為進行調(diào)試。調(diào)試過程中將結(jié)合周邊波動，對余量進行儲能，實現(xiàn)對控制門的調(diào)整，通過此種方式實現(xiàn)電網(wǎng)供電電源頻率的調(diào)試，使其運行功率可良好適應(yīng)電網(wǎng)隨機變動，以此確保電網(wǎng)在電力負荷的狀態(tài)下，也可實現(xiàn)運行的穩(wěn)定性。而頻率也是電網(wǎng)運行的最關(guān)鍵評價指標之一，通過此種調(diào)試方式，降低電網(wǎng)在運行中可能受到的電力干擾，解決由于頻率變動對電網(wǎng)引起的問題，總之，電網(wǎng)要想實現(xiàn)運行的穩(wěn)定化，應(yīng)當從一次調(diào)頻層面入手。為確保電網(wǎng)一次調(diào)頻的穩(wěn)定性，針對其加以控制是實現(xiàn)此目標的有效途徑。在我國，以往針對電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法的研究中，未考慮到風電機組參與，導(dǎo)致其控制波特率低。針對傳統(tǒng)控制方法中存在的問題，考慮到風電機組參與下，能夠為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制提供新思路，通過調(diào)節(jié)風速的方式，控制電網(wǎng)一次調(diào)頻控制。基于此，本文提出風電機組參與的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法設(shè)計，致力于從根本上提高對其控制的波特率，保證電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行。

1 風電機組參與的控制策略

風電機組參與下的控制策略核心內(nèi)容為風能跟蹤，通過調(diào)節(jié)風速[4]的方式，針對控制目標進行相應(yīng)的風能跟蹤，進而采取跟蹤Cpmax曲線的手段，為目標的控制提供助力。風能的跟蹤可分為額定風速以上或額定風速以下，針對額定風速以上的風能跟蹤，可通過風電機組改變槳葉距離，限定風電機組獲取的風能。針對額定風速以下的風能跟蹤，可通過計算最佳葉尖速的方式，保證風電機組獲取的風能最大化。在明確風電機組參與的控制策略的基礎(chǔ)上，以風電機組參與為前提條件，設(shè)計電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法。

2 風電機組參與的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法

2.1 采集電網(wǎng)一次調(diào)頻控制信號

在電網(wǎng)一次調(diào)頻控制中，采集電網(wǎng)一次調(diào)頻控制信號，并將其傳遞到控制主站并進行分析，確定一次調(diào)頻控制頻率以及智能控制區(qū)段。考慮到一次調(diào)頻控制信號類型繁多，需要處理采集到的信號。通過最小化一次調(diào)頻控制輻射功率，將噪聲濾除[5]，使信號保持高準度。

2.2 處理電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)

在采集電網(wǎng)一次調(diào)頻控制信號的基礎(chǔ)上，還需要進一步轉(zhuǎn)換為控制數(shù)據(jù)，因此，還需要繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。利用DSP芯片將信號同步轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并使信號在不同服務(wù)器間連接，根據(jù)分類與存儲方式對信號進行轉(zhuǎn)換。此過程中應(yīng)考慮到控制信號與數(shù)據(jù)之間同步轉(zhuǎn)換行為的發(fā)生并不是一個獨立的行為，因此電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)的處理應(yīng)能滿足多數(shù)據(jù)異步并存，為下文風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)

以處理后的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)作為控制目標，通過風電機組參與，設(shè)定每一個電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)對應(yīng)代表特定風速下的調(diào)頻轉(zhuǎn)速曲線。采取跟蹤Cpmax曲線的手段，跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)。風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)原理圖，如圖1所示。

圖1 風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)原理圖

風電機組參與的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)跟蹤主要分為風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制兩部分。在此過程中，對風電機組參與的風速進行調(diào)節(jié)。從風電機組參與角度出發(fā)，對電網(wǎng)一次調(diào)頻控制中的風速調(diào)節(jié)提出新策略，以此保證風能資源的合理利用。在跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)時，以控制數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控作為跟蹤的基礎(chǔ)，可計算跟蹤曲線上任意節(jié)點風速。以圖1中的A、B、C節(jié)點為例，設(shè)跟蹤曲線上節(jié)點風速的計算表達式為ω，可得公式（1）。

式中：K為風電機組參與動力學常數(shù)；N為電網(wǎng)一次調(diào)頻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[7]。通過公式（1），計算得出跟蹤曲線上節(jié)點風速，通過對其優(yōu)化分析和計算，以此在保證風速符合電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)跟蹤的條件。

為保證電網(wǎng)一次調(diào)頻的穩(wěn)定運行，還需要對電力負荷量進行控制。風電機組參與下負荷控制主要包括：分布式電源控制裝置以及負荷控制裝置。在電網(wǎng)中的分布式電源運行時，通過對其進行優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，使風電機組實現(xiàn)暫態(tài)功率平衡，并能夠自動地控制負荷，以此實現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻的安全穩(wěn)定控制。電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中有低壓測控單元、就地控制器[8]、區(qū)域控制終端[9]等，借助上述的單元參與，能夠控制分布式電源。其中，區(qū)域控制終端的控制方式主要借助于跟蹤風電機組的參數(shù)和執(zhí)行狀態(tài)。根據(jù)負荷控制目標，在系統(tǒng)運行過程中，通過設(shè)置并發(fā)出各項控制指令，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)內(nèi)的可控設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制；當電網(wǎng)處于離網(wǎng)狀態(tài)時，則在終端控制下，該電網(wǎng)的主電源是以電壓/頻率控制模式運行，并輸出的電壓和頻率是恒定的，以此保障電網(wǎng)的負荷狀態(tài)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)過載的現(xiàn)象，使電力負荷能夠滿足電網(wǎng)的運行要求。

在風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)時，可以采用多種控制策略，即風速調(diào)節(jié)和負荷控制，集成集中控制和分散控制兩種方法，對多種不同的控制對象進行協(xié)調(diào)控制。其中，分散控制策略主要應(yīng)用于控制負荷當中，集中控制策略主要應(yīng)用于控制風速中。每次控制指令發(fā)出的周期中，以電網(wǎng)的整體環(huán)境為發(fā)電單元進行控制調(diào)度，以此確定在不同時間段內(nèi)，電網(wǎng)一次調(diào)頻控制的實時狀態(tài)。

2.4 電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)擬合

風電機組參與跟蹤電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)后，結(jié)合大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)[10]，擬合電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)。首先，構(gòu)建電網(wǎng)一次調(diào)頻控制信號分布式結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)模糊控制概念，對電網(wǎng)一次調(diào)頻控制，設(shè)置電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)有限數(shù)據(jù)集為：M={m1，m2，m3，…，mn}，M?R。其中M表示為有限控制數(shù)據(jù)集合；R表示為聚類矢量空間。當M的聚類信道擬合因子為零時，則可滿足如下公式：

式中：γ為擬合因子；n為發(fā)生迭代次數(shù)。結(jié)合風電機組參與，將控制數(shù)據(jù)按照公式（3）進行電網(wǎng)一次調(diào)頻控制信號擬合處理：

式中：X(e,f)為控制數(shù)據(jù)特征點函數(shù)；e,f分別為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制波動系數(shù)以及波動裕度；(ei,fi)為風電機組參與下電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)跟蹤得到的點位坐標。根據(jù)公式（3）進行計算，完成對電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)擬合。

2.5 建立電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)通信協(xié)議

通過電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)擬合，建立電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)通信協(xié)議。利用通信協(xié)議[11-13]，對數(shù)據(jù)的傳輸進行規(guī)范，使電網(wǎng)與不同的通信設(shè)備之間能夠建立起相對應(yīng)的邏輯連接。在電網(wǎng)一次調(diào)頻控制數(shù)據(jù)進行傳輸時，通常實時傳輸?shù)男畔⒘枯^小。據(jù)此，可以利用通信協(xié)議，將主站的控制信息設(shè)定為主指令，并設(shè)定控制指令的字節(jié)保持在2個以內(nèi)。對電網(wǎng)一次調(diào)頻的電流電壓進行測試，據(jù)此判定電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制信息采集狀態(tài)是否運行穩(wěn)定，并結(jié)合采集的波動幅度，實現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻的自動控制。根據(jù)通信協(xié)議，對控制指令的傳輸狀態(tài)進行調(diào)整，使控制數(shù)據(jù)的傳輸保持穩(wěn)定。

2.6 計算電網(wǎng)一次調(diào)頻控制頻率

在上述傳輸控制數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置電網(wǎng)一次調(diào)頻一個固定的數(shù)值，得到電網(wǎng)一次調(diào)頻的運行速度，經(jīng)過一定時間的運行，改變數(shù)值，計算相關(guān)當量控制電網(wǎng)一次調(diào)頻的頻率。設(shè)電網(wǎng)一次調(diào)頻控制頻率為W，可得公式（4）：

式中：Q為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制過程中的比例系數(shù)；x為采樣次數(shù)；f(x)為第x次自動采樣時的偏差值；j為控制誤差比例系數(shù)[14]。以控制頻率為關(guān)鍵參數(shù)，執(zhí)行電網(wǎng)一次調(diào)頻控制。

2.7 實現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻控制

在電網(wǎng)一次調(diào)頻控制過程中，通過計算電網(wǎng)一次調(diào)頻控制承擔處理增量值，實現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻控制。設(shè)其目標函數(shù)為Z(k)，則有公式（5）。

式中：E為電網(wǎng)一次調(diào)頻波動系數(shù)；V為電網(wǎng)一次調(diào)頻總負荷靜態(tài)頻率特性；A為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制權(quán)重[15]；U為環(huán)境影響因素；θ1為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制能夠達到期望的概率；θ2為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制未能夠達到期望的概率；φ為電網(wǎng)一次調(diào)頻控制成本。通過公式（5），控制電網(wǎng)一次調(diào)頻，進一步確保電網(wǎng)一次調(diào)頻的穩(wěn)定運行。至此，實現(xiàn)風電機組參與的電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方法設(shè)計。

3 實驗分析

3.1 實驗準備

實驗對象選擇某電網(wǎng)，本次實例分析內(nèi)容為控制電網(wǎng)一次調(diào)頻，實例分析目的為證明本文風電機組參與下設(shè)計控制方法在實際應(yīng)用中的有效性。實驗流程為：首先，利用基于風電機組參與下設(shè)計控制方法，控制電網(wǎng)一次調(diào)頻，利用MATLAB仿真平臺控制波特率，將其設(shè)為實驗組；再使用傳統(tǒng)控制方法，控制電網(wǎng)一次調(diào)頻，同樣通過MATLAB仿真平臺控制波特率，并記錄，將其設(shè)為對照組。測試兩種方法的控制波特率，控制波特率數(shù)值越高證明該方法的控制效率越高，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果與分析

整理不同方法得到的控制波特率實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，如表1所示。

表1 控制波特率對比表

通過表1可知，本文設(shè)計的控制方法控制波特率明顯高于對照組。證明應(yīng)用風電機組參與后的控制方法能夠在限定時間內(nèi)提高對電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制效率，具有推廣價值。

4 結(jié)束語

經(jīng)過實驗研究，證明設(shè)計方法能夠解決傳統(tǒng)電網(wǎng)一次調(diào)頻控制中存在的控制率較低的問題，具有一定實用性。但本文方法仍然存在不足之處，未對電網(wǎng)一次調(diào)頻控制波特率測定結(jié)果的精密度與準確度進行檢驗，需要進行進一步研究以提高電網(wǎng)一次調(diào)頻控制波特率測定結(jié)果的可信度。并且還需要對電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化設(shè)計提出深入研究，以此為提高電網(wǎng)一次調(diào)頻質(zhì)量提供專業(yè)性的建議。