劉 備，宋亞豪，王長成，竇晨丹

（1.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；2.上海電力大學(xué)，上海 200090）

0 引 言

針對風(fēng)電場站的一次調(diào)頻控制問題，目前有諸多學(xué)者及單位進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]提出了風(fēng)機(jī)超速控制、變槳控制2種控制方法，其中超速控制存在有功備用影響正常發(fā)電的缺點(diǎn)，變槳控制則存在機(jī)械響應(yīng)速度慢、機(jī)械損耗大等問題。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出了一種風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)能參與一次調(diào)頻的方法，此方法以犧牲葉輪轉(zhuǎn)速為策略，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。文獻(xiàn)[4]提出一種面向全場有功功率協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了不同風(fēng)電機(jī)組的有功率優(yōu)化分配問題，但存在風(fēng)速變化對風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)[5]提出一種儲(chǔ)能參與風(fēng)電場一次調(diào)頻的控制方法。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出了風(fēng)電場慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻方案的研究與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步挖掘風(fēng)電場站的調(diào)頻支撐能力。文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]提出了風(fēng)電場一次調(diào)頻方法及試驗(yàn)技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證方案的有效性，對一次調(diào)頻能力進(jìn)行實(shí)測與分析。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]提出了面向新型電力系統(tǒng)的調(diào)頻控制技術(shù)分析及控制策略，以此增強(qiáng)新能源場站的涉網(wǎng)性能。

本文對風(fēng)力發(fā)電場站參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻過程中的控制策略進(jìn)行了介紹，對風(fēng)電參與一次調(diào)頻的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，通過在控制策略中引入安全閉鎖邏輯及優(yōu)化功率分配算法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場的一次調(diào)頻功能。

1 風(fēng)電場有功控制策略

2021年8月，最新發(fā)布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 第1部分-陸上風(fēng)電》（GB/T 19963.1—2021）明確指出：風(fēng)電場應(yīng)具備電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰和備用的能力。

一次調(diào)頻指電力系統(tǒng)的頻率偏離允許的死區(qū)范圍時(shí)，電網(wǎng)中各電源單位的有功功率控制系統(tǒng)自動(dòng)地控制功率的抬升與下降，以此限制電網(wǎng)整體頻率變化，并回歸頻率允許死區(qū)范圍內(nèi)的自動(dòng)控制過程。當(dāng)電網(wǎng)頻率高于死區(qū)范圍時(shí)，各電源單位需要快速減負(fù)荷；反之，各電源單位需要快速增負(fù)荷。

風(fēng)電場由風(fēng)力機(jī)組葉輪吸收風(fēng)能，經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，經(jīng)過整流逆變等環(huán)節(jié)送出，并經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組配置的變壓器送出至集電線路，隨后集電線路送出至主變或開關(guān)站并入電網(wǎng)。隨同電氣一次設(shè)備建設(shè)的有相應(yīng)的電氣二次設(shè)備，包含通信、測量、保護(hù)、計(jì)量等功能。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電原理如圖1所示。

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能力主要依賴于以下因素：（1）風(fēng)速，即原始動(dòng)力的大??；（2）風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及性能，如槳距角、葉輪轉(zhuǎn)速等；（3）風(fēng)機(jī)控制邏輯的適用程度，包含調(diào)節(jié)邏輯、保護(hù)邏輯等，不出現(xiàn)因控制邏輯問題導(dǎo)致的限負(fù)荷、停機(jī)等情況。

目前，自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）主站通過電力調(diào)度專網(wǎng)向場站AGC子站發(fā)出有功功率指令，由AGC子站通過站內(nèi)通信將指令下發(fā)給風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS），并由風(fēng)電場EMS對全場風(fēng)機(jī)的有功功率、電壓、電流等生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)，如電壓、電流、風(fēng)速、限負(fù)荷狀態(tài)、溫度等內(nèi)容。通過EMS將有功調(diào)節(jié)指令下發(fā)至各個(gè)風(fēng)機(jī)，并根據(jù)全場風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)反饋進(jìn)行下一輪指令修正，循環(huán)迭代，直至控制效果在相應(yīng)的死區(qū)范圍內(nèi)，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

風(fēng)電場一次調(diào)頻控制功能目前以場站級全站控制為主，即以整個(gè)新能源場站為控制對象，由一次調(diào)頻系統(tǒng)與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻控制功能。某風(fēng)電場的典型風(fēng)電場站通信及控制系統(tǒng)連接如圖2所示。

2 風(fēng)電場參與一次調(diào)頻關(guān)鍵技術(shù)

2.1 風(fēng)電場一次調(diào)頻技術(shù)要求

電網(wǎng)調(diào)度要求風(fēng)電場站實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能，需完成風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)有功-頻率下垂特性控制，使其在并網(wǎng)點(diǎn)具備參與一次調(diào)頻能力。頻率與有功功率折線函數(shù)為

式中：fd為一次調(diào)頻死區(qū)范圍，Hz；fN為電力系統(tǒng)額定頻率，Hz；PN為全場額定功率，MW；P0為有功功率初值，MW；δ為一次調(diào)頻調(diào)差率。

以某風(fēng)電場的下垂曲線為例，死區(qū)范圍設(shè)定為0.05 Hz，調(diào)差率設(shè)定為3%，最大負(fù)荷限幅設(shè)定為10%PN，其一次調(diào)頻有功-頻率下垂特性如圖3所示。

對于調(diào)節(jié)目標(biāo)變化量不低于6%PN的頻率階躍擾動(dòng)，響應(yīng)滯后時(shí)間ths不超過3 s，響應(yīng)速率時(shí)間t0.9不超過12 s，一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts不超過15 s，偏差應(yīng)控制在±2%PN以內(nèi)。除動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能之外，風(fēng)電場一次調(diào)頻功能應(yīng)具備電網(wǎng)要求的其他功能，如與AGC協(xié)調(diào)功能、數(shù)據(jù)采集與傳送、防誤動(dòng)、監(jiān)測分析等功能。

2.2 基于安全閉鎖邏輯的一次調(diào)頻控制安全方案

在一次調(diào)頻解決方案中，包含一次調(diào)頻與AGC的配合邏輯，二者均可實(shí)現(xiàn)場站的有功功率調(diào)節(jié)，但二者在同時(shí)生效時(shí)有相應(yīng)的配合邏輯，如表1所示。

表1 一次調(diào)頻與AGC配合邏輯表

待一次調(diào)頻指令結(jié)束后，全場有功指令跟隨AGC指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)風(fēng)電場一次調(diào)頻技術(shù)專注于從風(fēng)電場站層實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的控制功能，即實(shí)現(xiàn)圖3所示的有功功率-頻率下垂特性。在實(shí)際應(yīng)用中，一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)閉鎖邏輯運(yùn)算在能量管理平臺(tái)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，即一次調(diào)頻系統(tǒng)與AGC未實(shí)現(xiàn)直接交互通信與閉鎖。風(fēng)電場站內(nèi)部的具體方案示意如圖4所示。

傳統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)在于改造、調(diào)試工程量相對較小，僅對風(fēng)機(jī)能量管理系統(tǒng)、一次調(diào)頻系統(tǒng)進(jìn)行改造，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試即可。此方案過于依賴風(fēng)電場的能量管理系統(tǒng)，需要將AGC與一次調(diào)頻的指令配合邏輯放在風(fēng)電場EMS中，其缺點(diǎn)如下文所述。

（1）增加了風(fēng)電場EMS的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。風(fēng)電場EMS承擔(dān)著分配全場各風(fēng)電機(jī)組的有功指令的任務(wù)，增加額外過多的控制邏輯將影響系統(tǒng)性能及可靠性。

（2）在一次調(diào)頻控制系統(tǒng)存在指令故障時(shí)，全站系統(tǒng)無法對一次調(diào)頻系統(tǒng)指令進(jìn)行有效數(shù)據(jù)判定。一次調(diào)頻指令下發(fā)錯(cuò)誤時(shí)，若風(fēng)電場EMS不參與數(shù)據(jù)有效性判定，則全場有功指令將會(huì)錯(cuò)誤下發(fā)并造成嚴(yán)重后果；若風(fēng)電場EMS參與數(shù)據(jù)有效性判定，則需要大幅增加EMS的邏輯判斷任務(wù)。

（3）在全場響應(yīng)存在偏差或故障時(shí)，全站系統(tǒng)無法對一次調(diào)頻控制效果的產(chǎn)生原因進(jìn)行追溯。若對一次調(diào)頻控制的偏差、故障進(jìn)行追溯、優(yōu)化時(shí)，鑒于一次調(diào)頻系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)有功功率-頻率下垂特性，而忽略風(fēng)電EMS對AGC與一次調(diào)頻的配合作用，將對EMS的調(diào)試、優(yōu)化提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，不同地區(qū)和場站的一次調(diào)頻整體方案細(xì)節(jié)上亦有較大差異。以某風(fēng)電場站的一次調(diào)頻技術(shù)方案為參考對象，方案如圖5所示。

經(jīng)過優(yōu)化后的技術(shù)方案亦可對場站配置的儲(chǔ)能設(shè)備留有接口，可為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)參與一次調(diào)頻控制提供技術(shù)支撐。

2.3 基于優(yōu)化功率分配算法的一次調(diào)頻控制策略

風(fēng)電場的有功功率調(diào)節(jié)方案如圖6所示。傳統(tǒng)一次調(diào)頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中專注于實(shí)現(xiàn)頻率-有功功率下垂曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)控制效果，但容易存在偏差較大的問題。

為提高控制系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性，本文提出一種基于偏差優(yōu)化分配算法的一次調(diào)頻控制策略。本控制算法的基本原理為在一次調(diào)頻控制策略的指令輸出中加入指令修正，修正量原則上要抵消風(fēng)機(jī)機(jī)組集群發(fā)電至場站并網(wǎng)點(diǎn)（變壓器或開關(guān)站）之間的損耗，主要包括集電線路損耗、變壓器的有功損耗等，以此保證全場有功功率調(diào)整后能夠穩(wěn)定在電網(wǎng)頻率對應(yīng)的理論功率點(diǎn)附近，從而提高一次調(diào)頻的控制效果。

風(fēng)電場站的電力生產(chǎn)過程至送出風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)之間存在有功功率損耗，主要包括線路傳輸損耗、變壓器的傳輸損耗（銅損）等，計(jì)算公式為

式中：PlineX為集電線路X的傳輸有功功率，MW；IlineX為集電線路X的傳輸電流、RlineX為集電線路X的傳輸電阻同理；Ptran為主變壓器傳輸?shù)挠泄β?，MW；Itran為主變壓器的傳輸電流、Rtran為主變壓器的傳輸電阻同理；Pk為主變壓器的短路損耗功率，MW；R0為主變壓器的短路電阻值，Ω；IN為主變壓器的額定電流值，A。

由以上可知，有功功率損耗主要與線路中的電流有關(guān)，其中變壓器損耗占比最大，因而可以將一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的式（1）進(jìn)行修正，計(jì)算公式為

式中：P0為當(dāng)前有功功率值；μ為修正比例系數(shù)，一般取1.0～2.0。

經(jīng)過修正后的一次調(diào)頻指令P能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)場需要，在實(shí)際上執(zhí)行過程中充分考慮站內(nèi)的各種有功損耗，在全場并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率能夠更準(zhǔn)確地響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，進(jìn)一步提升調(diào)頻效果，減少場站的考核，更好地保證電網(wǎng)的頻率安全。

3 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

某風(fēng)電場于2021年底完成全場一次調(diào)頻改造，并同期完成一次調(diào)頻性能測試試驗(yàn)。該風(fēng)電場的安全閉鎖邏輯正確配置，并進(jìn)行了優(yōu)化功率分配算法。

經(jīng)過測試，風(fēng)電場在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)與AGC的配合邏輯，結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)過測試，該風(fēng)電場在AGC協(xié)調(diào)試驗(yàn)中的控制效果如表2所示。

表2 某風(fēng)電場AGC協(xié)調(diào)試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)表

該場站在階躍擾動(dòng)試驗(yàn)、模擬電網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)中能夠有效響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)，并有效跟蹤有功功率的理論參考值，動(dòng)作特性及時(shí)間參數(shù)滿足相關(guān)要求。圖8為該風(fēng)電場站的部分試驗(yàn)結(jié)果。

場站的一次調(diào)頻性能試驗(yàn)的部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 場站的一次調(diào)頻性能試驗(yàn)的部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該場站的一次調(diào)頻性能優(yōu)異，在階躍擾動(dòng)試驗(yàn)、模擬電網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)中滿足電網(wǎng)的要求。

4 結(jié) 論

在新能源滲透率逐步提升的新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場一次調(diào)頻控制改造勢在必行。鑒于目前風(fēng)電場一次調(diào)頻存在的控制邏輯安全性問題、控制準(zhǔn)確性問題，本文提出了兩個(gè)應(yīng)用解決方案。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，一次調(diào)頻控制邏輯中加入安全閉鎖、控制修正等優(yōu)化邏輯后，風(fēng)電場站的一次調(diào)頻控制性能得到提升，且指令的有效安全性得到保證。在風(fēng)電場持續(xù)大規(guī)模裝機(jī)的背景下，進(jìn)一步優(yōu)化一次調(diào)頻控制邏輯，提升以風(fēng)電場為代表的新能源場站的涉網(wǎng)性能。