风电机组参与的电网一次调频控制方法

呼 和，童 非，王鹏英，刘 钊

（府谷县京能新能源有限公司，陕西 榆林719400）

基于我国坚强电网建设工作在社会中的逐步推进，风电机组在电网建设中所占的功能比例越来越高，与此同时电网结构也发生了对应的改变，电网在运行过程中，峰值与谷值之间的差异性也越来越大[1-3]。然而在当下社会中，群体对于电网多元化功能的需求也越来越高，因此，如何在风电机组参与电网运行过程中，做到对电网的稳定运行控制，成为了有关单位的关注焦点。

为此，电力单位提出对电网的一次调频行为，此种行为在应用中是指，根据电网在运行过程中，电力值高速改变产生的负荷电流，对电网运行的行为进行调试。调试过程中将结合周边波动，对余量进行储能，实现对控制门的调整，通过此种方式实现电网供电电源频率的调试，使其运行功率可良好适应电网随机变动，以此确保电网在电力负荷的状态下，也可实现运行的稳定性。而频率也是电网运行的最关键评价指标之一，通过此种调试方式，降低电网在运行中可能受到的电力干扰，解决由于频率变动对电网引起的问题，总之，电网要想实现运行的稳定化，应当从一次调频层面入手。为确保电网一次调频的稳定性，针对其加以控制是实现此目标的有效途径。在我国，以往针对电网一次调频控制方法的研究中，未考虑到风电机组参与，导致其控制波特率低。针对传统控制方法中存在的问题，考虑到风电机组参与下，能够为电网一次调频控制提供新思路，通过调节风速的方式，控制电网一次调频控制。基于此，本文提出风电机组参与的电网一次调频控制方法设计，致力于从根本上提高对其控制的波特率，保证电网能够稳定运行。

1 风电机组参与的控制策略

风电机组参与下的控制策略核心内容为风能跟踪，通过调节风速[4]的方式，针对控制目标进行相应的风能跟踪，进而采取跟踪Cpmax曲线的手段，为目标的控制提供助力。风能的跟踪可分为额定风速以上或额定风速以下，针对额定风速以上的风能跟踪，可通过风电机组改变桨叶距离，限定风电机组获取的风能。针对额定风速以下的风能跟踪，可通过计算最佳叶尖速的方式，保证风电机组获取的风能最大化。在明确风电机组参与的控制策略的基础上，以风电机组参与为前提条件，设计电网一次调频控制方法。

2 风电机组参与的电网一次调频控制方法

2.1 采集电网一次调频控制信号

在电网一次调频控制中，采集电网一次调频控制信号，并将其传递到控制主站并进行分析，确定一次调频控制频率以及智能控制区段。考虑到一次调频控制信号类型繁多，需要处理采集到的信号。通过最小化一次调频控制辐射功率，将噪声滤除[5]，使信号保持高准度。

2.2 处理电网一次调频控制数据

在采集电网一次调频控制信号的基础上，还需要进一步转换为控制数据，因此，还需要继续处理数据。利用DSP芯片将信号同步转换为数据，并使信号在不同服务器间连接，根据分类与存储方式对信号进行转换。此过程中应考虑到控制信号与数据之间同步转换行为的发生并不是一个独立的行为，因此电网一次调频控制数据的处理应能满足多数据异步并存，为下文风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据提供基础数据。

2.3 风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据

以处理后的电网一次调频控制数据作为控制目标，通过风电机组参与，设定每一个电网一次调频控制数据对应代表特定风速下的调频转速曲线。采取跟踪Cpmax曲线的手段，跟踪电网一次调频控制数据。风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据原理图，如图1所示。

图1 风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据原理图

风电机组参与的电网一次调频控制数据跟踪主要分为风速调节和转速控制两部分。在此过程中，对风电机组参与的风速进行调节。从风电机组参与角度出发，对电网一次调频控制中的风速调节提出新策略，以此保证风能资源的合理利用。在跟踪电网一次调频控制数据时，以控制数据采集及监控作为跟踪的基础，可计算跟踪曲线上任意节点风速。以图1中的A、B、C节点为例，设跟踪曲线上节点风速的计算表达式为ω，可得公式（1）。

式中：K为风电机组参与动力学常数；N为电网一次调频转子转速[7]。通过公式（1），计算得出跟踪曲线上节点风速，通过对其优化分析和计算，以此在保证风速符合电网一次调频控制数据跟踪的条件。

为保证电网一次调频的稳定运行，还需要对电力负荷量进行控制。风电机组参与下负荷控制主要包括：分布式电源控制装置以及负荷控制装置。在电网中的分布式电源运行时，通过对其进行优化协调控制，使风电机组实现暂态功率平衡，并能够自动地控制负荷，以此实现电网一次调频的安全稳定控制。电网的结构中有低压测控单元、就地控制器[8]、区域控制终端[9]等，借助上述的单元参与，能够控制分布式电源。其中，区域控制终端的控制方式主要借助于跟踪风电机组的参数和执行状态。根据负荷控制目标，在系统运行过程中，通过设置并发出各项控制指令，能够对电网内的可控设备进行协调控制；当电网处于离网状态时，则在终端控制下，该电网的主电源是以电压/频率控制模式运行，并输出的电压和频率是恒定的，以此保障电网的负荷状态稳定，不会出现过载的现象，使电力负荷能够满足电网的运行要求。

在风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据时，可以采用多种控制策略，即风速调节和负荷控制，集成集中控制和分散控制两种方法，对多种不同的控制对象进行协调控制。其中，分散控制策略主要应用于控制负荷当中，集中控制策略主要应用于控制风速中。每次控制指令发出的周期中，以电网的整体环境为发电单元进行控制调度，以此确定在不同时间段内，电网一次调频控制的实时状态。

2.4 电网一次调频控制数据拟合

风电机组参与跟踪电网一次调频控制数据后，结合大数据聚类技术[10]，拟合电网一次调频控制数据。首先，构建电网一次调频控制信号分布式结构模型，根据模糊控制概念，对电网一次调频控制，设置电网一次调频控制数据有限数据集为：M={m1，m2，m3，…，mn}，M⊂R。其中M表示为有限控制数据集合；R表示为聚类矢量空间。当M的聚类信道拟合因子为零时，则可满足如下公式：

式中：γ为拟合因子；n为发生迭代次数。结合风电机组参与，将控制数据按照公式（3）进行电网一次调频控制信号拟合处理：

式中：X(e,f)为控制数据特征点函数；e,f分别为电网一次调频控制波动系数以及波动裕度；(ei,fi)为风电机组参与下电网一次调频控制数据跟踪得到的点位坐标。根据公式（3）进行计算，完成对电网一次调频控制数据拟合。

2.5 建立电网一次调频控制数据通信协议

通过电网一次调频控制数据拟合，建立电网一次调频控制数据通信协议。利用通信协议[11-13]，对数据的传输进行规范，使电网与不同的通信设备之间能够建立起相对应的逻辑连接。在电网一次调频控制数据进行传输时，通常实时传输的信息量较小。据此，可以利用通信协议，将主站的控制信息设定为主指令，并设定控制指令的字节保持在2个以内。对电网一次调频的电流电压进行测试，据此判定电网一次调频的控制信息采集状态是否运行稳定，并结合采集的波动幅度，实现电网一次调频的自动控制。根据通信协议，对控制指令的传输状态进行调整，使控制数据的传输保持稳定。

2.6 计算电网一次调频控制频率

在上述传输控制数据的基础上，设置电网一次调频一个固定的数值，得到电网一次调频的运行速度，经过一定时间的运行，改变数值，计算相关当量控制电网一次调频的频率。设电网一次调频控制频率为W，可得公式（4）：

式中：Q为电网一次调频控制过程中的比例系数；x为采样次数；f(x)为第x次自动采样时的偏差值；j为控制误差比例系数[14]。以控制频率为关键参数，执行电网一次调频控制。

2.7 实现电网一次调频控制

在电网一次调频控制过程中，通过计算电网一次调频控制承担处理增量值，实现电网一次调频控制。设其目标函数为Z(k)，则有公式（5）。

式中：E为电网一次调频波动系数；V为电网一次调频总负荷静态频率特性；A为电网一次调频控制权重[15]；U为环境影响因素；θ1为电网一次调频控制能够达到期望的概率；θ2为电网一次调频控制未能够达到期望的概率；φ为电网一次调频控制成本。通过公式（5），控制电网一次调频，进一步确保电网一次调频的稳定运行。至此，实现风电机组参与的电网一次调频控制方法设计。

3 实验分析

3.1 实验准备

实验对象选择某电网，本次实例分析内容为控制电网一次调频，实例分析目的为证明本文风电机组参与下设计控制方法在实际应用中的有效性。实验流程为：首先，利用基于风电机组参与下设计控制方法，控制电网一次调频，利用MATLAB仿真平台控制波特率，将其设为实验组；再使用传统控制方法，控制电网一次调频，同样通过MATLAB仿真平台控制波特率，并记录，将其设为对照组。测试两种方法的控制波特率，控制波特率数值越高证明该方法的控制效率越高，记录实验数据。

3.2 实验结果与分析

整理不同方法得到的控制波特率实验数据结果，如表1所示。

表1 控制波特率对比表

通过表1可知，本文设计的控制方法控制波特率明显高于对照组。证明应用风电机组参与后的控制方法能够在限定时间内提高对电网一次调频的控制效率，具有推广价值。

4 结束语

经过实验研究，证明设计方法能够解决传统电网一次调频控制中存在的控制率较低的问题，具有一定实用性。但本文方法仍然存在不足之处，未对电网一次调频控制波特率测定结果的精密度与准确度进行检验，需要进行进一步研究以提高电网一次调频控制波特率测定结果的可信度。并且还需要对电网一次调频的优化设计提出深入研究，以此为提高电网一次调频质量提供专业性的建议。