摘 要：隨著風(fēng)電集群對電力系統(tǒng)比例的逐年增加，僅依靠常規(guī)火電或水電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻難以滿足含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻將成為必然趨勢。以提高新型電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力為目標(biāo)，提出轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與功率備用控制結(jié)合的綜合調(diào)頻策略。針對轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，研究風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻結(jié)束時(shí)有序退出和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制策略，保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。依據(jù)風(fēng)電場的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，提出風(fēng)電場各機(jī)組的最優(yōu)調(diào)頻功率分配策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。通過 36 節(jié)點(diǎn)算例的仿真計(jì)算結(jié)果表明，基于綜合控制策略能夠有效提高風(fēng)電場的頻率響應(yīng)能力，可為風(fēng)電場參與系統(tǒng)調(diào)頻的工程改造與實(shí)施提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻;綜合控制策略;功率最優(yōu)分配;系統(tǒng)調(diào)頻;風(fēng)電場

　　隨著全球資源危機(jī)和環(huán)境惡化的雙重壓力加劇，風(fēng)力發(fā)電作為目前最為經(jīng)濟(jì)和成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)受到世界各國的高度重視。近年來，我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量和消納總量高速增長，然而，風(fēng)電的不確定性會(huì)給電力系統(tǒng)的調(diào)度與調(diào)頻帶來一定的壓力，而且還對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來一定的挑戰(zhàn)[1-2]。這就要求風(fēng)電自身應(yīng)積極參與系統(tǒng)調(diào)頻，分擔(dān)調(diào)頻任務(wù)，改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力。為了使風(fēng)電機(jī)組具有一次調(diào)頻能力，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作，主要通過風(fēng)電機(jī)組采用附加控制的方式響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻。風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的主要策略包括風(fēng)電機(jī)組自身的附加頻率響應(yīng)控制[3-4]和風(fēng)電場配置儲能裝置[5-6]，其中，風(fēng)電場配置儲能裝置調(diào)峰、調(diào)頻原理簡單，但大規(guī)模利用儲能協(xié)同調(diào)頻的成本較高。

　　利用風(fēng)電機(jī)組附加頻率響應(yīng)控制的主要策略有轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和功率備用控制[7-10]。轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制包括虛擬慣性控制和下垂控制，而功率備用控制包括槳距角控制和轉(zhuǎn)子超速控制。虛擬慣性和下垂控制通過釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供功率支撐，由于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下限的限制，轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的調(diào)頻時(shí)間較短，其調(diào)節(jié)時(shí)間一般不超過 6 s[11]。功率備用控制是通過超速或變槳矩控制使風(fēng)電機(jī)組留有一定的功率備用進(jìn)而支持系統(tǒng)調(diào)頻，風(fēng)電機(jī)組處于減載運(yùn)行狀態(tài)。

　　目前，關(guān)于風(fēng)電調(diào)頻多集中在單臺機(jī)組的控制策略上，就大規(guī)模風(fēng)電場參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的研究仍然不夠成熟。為此，需研究大規(guī)模風(fēng)電的調(diào)頻控制策略，包括風(fēng)電機(jī)組間調(diào)頻功率的分配、風(fēng)電機(jī)組退出調(diào)頻模式的控制策略以及風(fēng)電機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[12]根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)速狀況不同，提出備用控制控制方式進(jìn)行調(diào)頻，提供風(fēng)電場參與系統(tǒng)調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[13]則提出了轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和功率備用控制相結(jié)合的調(diào)頻策略，但沒有考慮風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的轉(zhuǎn)子恢復(fù)控制，控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)二次跌落事故。本文以風(fēng)電場集群參與系統(tǒng)一次調(diào)頻為目標(biāo)，提出了綜合調(diào)頻控制策略，并利用風(fēng)電自身的槳距角控制策略實(shí)現(xiàn)調(diào)頻機(jī)組有序退出，結(jié)合風(fēng)電場的運(yùn)行工況，提出了調(diào)頻功率的分配策略。仿真結(jié)果表明，綜合調(diào)頻控制策略能夠有效提高風(fēng)電場參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的能力，為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供一定的理論依據(jù)。

　　1 風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻策略

　　本文以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對象，制定雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的控制策略。低風(fēng)速(風(fēng)速小于額定風(fēng)速)時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻的機(jī)理為吸收(釋放)轉(zhuǎn)子動(dòng)能或留有一定的功率備用;高風(fēng)速(風(fēng)速大于等于額定風(fēng)速)時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入恒功率區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組的有功出力達(dá)到上限，無法在頻率跌落時(shí)犧牲轉(zhuǎn)速增發(fā)功率。為增加雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻適用范圍，在高風(fēng)速段采用減載運(yùn)行進(jìn)行功率備用。本文將轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與功率備用控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，提出了風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一體調(diào)頻的綜合調(diào)頻策略。

　　轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制是通過變流器附加頻率控制環(huán)節(jié)模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻特性，模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式為虛擬慣量控制;模擬同步發(fā)電機(jī)的有功功率靜態(tài)頻率特性曲線方式為下垂控制。虛擬慣量控制與下垂控制聯(lián)合運(yùn)行構(gòu)成轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，用于風(fēng)電機(jī)組輸出功率未達(dá)到額定功率時(shí)的調(diào)頻策略，即運(yùn)行在低風(fēng)速區(qū)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在高風(fēng)速區(qū)時(shí)，通過槳距角和轉(zhuǎn)子超速控制提供備用功率實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，設(shè)置初始槳距角或處于超速運(yùn)行狀態(tài)留有一定的備用功率，當(dāng)系統(tǒng)頻率跌落時(shí)釋放備用功率對系統(tǒng)增發(fā)有功功率，槳距角控制或超速運(yùn)行的方式屬于功率備用控制。

　　轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與功率備用控制聯(lián)合調(diào)頻構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的綜合控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全風(fēng)速段調(diào)頻，通過設(shè)定各個(gè)控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，提高風(fēng)電場的頻率響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能，為電力系統(tǒng)快速增發(fā)有功功率。然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無法在降低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行，雙饋風(fēng)電機(jī)組需恢復(fù)在初始轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，由能量守恒定律可知，此時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組還需吸收功率恢復(fù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速直至運(yùn)行在初始狀態(tài)。

　　如果處理不當(dāng)，可能造成風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)電場調(diào)頻功率較大時(shí)，還可能造成系統(tǒng)頻率發(fā)生二次跌落事故，故需建立雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)運(yùn)行策略。轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制策略下，雙饋風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，為保證風(fēng)電場的最大功率輸出，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組不需進(jìn)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù);當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，此時(shí)立即退出調(diào)頻模式，恢復(fù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速�？紤]到風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，且一次調(diào)頻響應(yīng)速度較快，為此本文假定風(fēng)電機(jī)組采用轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制調(diào)頻時(shí)風(fēng)速不發(fā)生變化。

　　2 風(fēng)電場機(jī)組聚類分群

　　隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量也越來越大，若對每臺風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)度參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)，工作量較大，且控制難度也較大，難以在工程中實(shí)施。為此，本文提出了風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組聚類分群的方法，將風(fēng)電場內(nèi)若干機(jī)組通過等值機(jī)組進(jìn)行描述。本文提出 DBSCAN 與 k-means 相結(jié)合的方法進(jìn)行風(fēng)電場機(jī)組聚類分群。這兩種算法都是基于風(fēng)電場的實(shí)測數(shù)據(jù)作為樣本空間進(jìn)行聚類，DBSCAN 算法主要用于剔除實(shí)測數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對樣本數(shù)據(jù)的清洗。清洗后的數(shù)據(jù)經(jīng) k-means 算法進(jìn)行聚類分群，完成對風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組的分群與等值處理。

　　DBSCAN 算法的流程如下：(1) 獲取初始數(shù)據(jù)，構(gòu)成數(shù)據(jù)樣本空間;(2) 計(jì)算樣本空間中數(shù)據(jù)之間的歐幾里德距離;(3) 設(shè)置參數(shù) ε 和 MinPts 的值，計(jì)算所有數(shù)據(jù)的核心點(diǎn)， 并建立核心點(diǎn)與到核心點(diǎn)距離小于半徑 ε的點(diǎn)映射;(4) 依據(jù)獲得的核心點(diǎn)集合和半徑 ε 的值，計(jì)算能夠連通的真實(shí)核心點(diǎn);(5) 將連通的每一組真實(shí)核心點(diǎn)歸為一個(gè)類簇，形成一個(gè)簇;(6) 重復(fù)步驟(4)-(5)，直至找不到更多的核心點(diǎn)。關(guān)于 DBSCAN 算法兩個(gè)重要參數(shù) ε 和 MinPts，其選取依賴于多種因素，包括異常數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)、異常數(shù)據(jù)的特征、異常數(shù)據(jù)簇與正常數(shù)據(jù)之間的距離等。因此，有必要定量分析異常數(shù)據(jù)剔除效果與參數(shù)選取之間的關(guān)系，綜合評價(jià) DBSCAN 算法對參數(shù)的靈敏度。

　　3 風(fēng)電場調(diào)頻策略研究

　　根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果可知，通過轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率輸出基本在 6 s 內(nèi)完成，頻率響應(yīng)速度較快，而通過槳距角控制的減載功率調(diào)頻，頻率響應(yīng)速度慢，在電網(wǎng)出現(xiàn)功率差額導(dǎo)致頻率波動(dòng)后，通過風(fēng)電場調(diào)度中心協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制與功率備用控制可以提高風(fēng)電場的頻率響應(yīng)能力。

　　4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證本文所提綜合調(diào)頻策略的有效性和可行性，將利用典型的 36 節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行仿真計(jì)算與分析，典型的 36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)共包含 8 臺等值同步發(fā)電機(jī)組 G1~G8，選取一種運(yùn)行方式下進(jìn)行分析，此時(shí)系統(tǒng)中總裝機(jī)容量為 4 520 MW，總負(fù)荷有功功率為 3 500 MW。為了驗(yàn)證風(fēng)電場的調(diào)頻作用，將 36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的火電機(jī)組 G8(接入 BUS8，此時(shí)總裝機(jī)容量為 1 200 MW)用風(fēng)電場替代，即 WF。風(fēng)電場由 624臺 1.5 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)源于內(nèi)蒙古包頭市后山地區(qū) 12 個(gè)臨近風(fēng)電場的實(shí)測數(shù)據(jù)，12 個(gè)風(fēng)電場的總裝機(jī)容量占比為 22%，滲透率較高。本文主要分析風(fēng)電場參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力，為此，仿真過程中取所有同步發(fā)電機(jī)組不參加調(diào)頻，均用 PQ 節(jié)點(diǎn)替代進(jìn)行仿真計(jì)算。

　　仿真算例中，系統(tǒng)的頻率偏差通過突增負(fù)荷來模擬，即在 Bus20 處增加 100 MW 的負(fù)荷。通過對風(fēng)電場 2020 年 3 月 1 日至 2020 年 9 月 1 日共計(jì) 6 個(gè)月的風(fēng)功率歷史數(shù)據(jù)分析，對 624 臺風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行聚類分群，首先采用 DBSCAN 方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)置參數(shù) ε 和 MinPts 的值分別為 30 kW 和 6。經(jīng)數(shù)據(jù)出力后進(jìn)行聚類分群，根據(jù) DBSCAN 方法數(shù)據(jù)清洗的分析過程，本文取 k-means 聚類分群的 k 值為 9，即將624 臺風(fēng)電機(jī)組等值為 9 臺機(jī)組進(jìn)行集中控制與處理，提高了調(diào)頻響應(yīng)速度。風(fēng)電場的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況取 2020年 6 月 1 日 20：00 時(shí)刻的風(fēng)電場的工況，其中 6 個(gè)等值風(fēng)機(jī)處于低風(fēng)速區(qū)，通過轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制快速為系統(tǒng)提供功率缺額，3 個(gè)等值風(fēng)機(jī)初入高風(fēng)速區(qū)，通過槳距角控制進(jìn)入減載運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)功率備用，為轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢運(yùn)行提供功率支持。

　　5 結(jié) 語

　　隨著我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量和消納總量逐年增加的趨勢，電力系統(tǒng)的調(diào)頻壓力越來越大，為此，本文提出了風(fēng)電機(jī)組直接參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的解決思路，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)。

　　(1)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)工況，提出了風(fēng)電機(jī)組全風(fēng)速范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的方案，構(gòu)建了風(fēng)電機(jī)組綜合調(diào)頻控制策略。針對轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制的平穩(wěn)性，構(gòu)建了模糊自適應(yīng)控制控制方法，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中所需功率由功率備用控制提供。

　　(2)考慮風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組規(guī)模較大，數(shù)量較多，提出了 DBSCAN 與 k-means 相結(jié)合的方法進(jìn)行風(fēng)電場機(jī)組聚類分群，通過風(fēng)電場調(diào)度中心對分群后的等值機(jī)組進(jìn)行集中調(diào)頻控制的思路，構(gòu)建了風(fēng)電場綜合調(diào)頻控制方案。

　　(3)以 36 節(jié)點(diǎn)組成的電力系統(tǒng)為例，分析大規(guī)模風(fēng)電場高比例接入下風(fēng)電場的頻率響應(yīng)能力，通過電網(wǎng)側(cè)突加負(fù)荷進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明本文提出的綜合調(diào)頻控制策略具有較好的調(diào)頻特性，在電網(wǎng)功率缺額的情況下能夠快速響應(yīng)頻率變化并提供功率支持，有效遏制了系統(tǒng)頻率的下跌，使其快速穩(wěn)定運(yùn)行。

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　　作者：史學(xué)健1,2，楊培宏 1，亢 嵐 1，江 暉 1