含抽水蓄能電站參與AGC調頻控制策略優(yōu)化研究

程江洲，陳奕睿，張 韜，李 遙，溫靜怡

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

引言

近年來，隨著我國新能源并網(wǎng)數(shù)量不斷增多，電網(wǎng)的隨機性與波動性使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。自動發(fā)電控制即AGC是電力系統(tǒng)維持穩(wěn)定性的技術手段，其作用十分重要。我國目前的電源格局以燃煤發(fā)電為主，但火電機組并不是理想的AGC調頻電源，文獻[1,2]提出了在常規(guī)火電機組基礎上，結合抽水蓄能電站實現(xiàn)聯(lián)合調頻控制策略，但在實質上，都是基于負荷分配，忽略了火電與抽蓄機組間調頻性能問題。PJM市場通過將自動頻率調節(jié)信號劃分慢響應和快速響應[3]，從調頻性能的性質上對調頻資源進行劃分，使抽水蓄能機組更有效地參與調頻輔助。本研究在PJM市場機制的基礎上，針對抽水蓄能性能制定相關的控制參數(shù)，提出抽水蓄能機組參與AGC調頻的控制策略，并通過搭建模型進行仿真分析，仿真結果有效驗證控制策略。

1 AGC系統(tǒng)控制模型

采用聯(lián)絡線頻率偏差控制模式來建立兩區(qū)域控制模型[4]，如圖1所示。結合火電、抽水蓄能機組模型，并對機組設置了非線性約束[5]和爬坡約束（設置為0.001 7pu·(MW/s)）。

圖1 含抽蓄參與AGC調頻的區(qū)域控制模型

2 抽水蓄能參與AGC調頻的控制策略

抽蓄電站參與AGC輔助服務時，將與其他電源聯(lián)合參與調頻服務，面對抽蓄電站這種快速資源，需提出對應的頻率控制策略，使抽蓄機組能夠快速精準地進行功率補償。在PJM市場機制的基礎上提出了抽水蓄能的頻率控制方法。

2.1 抽水蓄能頻率控制策略

PJM市場結合調頻性能，將市場主體劃分快速資源與常規(guī)資源，同時通過分解頻率控制信號（規(guī)則A（RegA）、規(guī)則D（RegD））使其對應調頻資源。RegA指能夠長期輸出能量但斜率有限，如火電機組。而RegD指具有快速調整能量輸出，但長期維持能量輸出的能力有限的資源，如儲能（電池、飛輪等）。抽水蓄能電站可作為快速資源，同時針對區(qū)域控制偏差(ACE)的分解，可以通過濾波器進行級別劃分，本研究主要考慮抽水蓄能機組與常規(guī)火電機組，從而可設置兩級濾波，將區(qū)域控制偏差分解成兩種調頻機組所對應的調頻需求，提出抽蓄頻率控制策略，模型如圖2所示。

圖2 抽水蓄能頻率控制策略

為更貼合抽水蓄能，通過設置頻率分量完成對低通濾波部分參數(shù)的設置。高低頻率的劃分是結合實際數(shù)據(jù)基礎上的，其中[8×10‐3Hz，1.6×10‐2Hz]設置為低頻，大于1.6×10‐2Hz設置為高頻，而區(qū)別電池儲能時，一般是以0.1 Hz及以上為分界點。結合水蓄能機組性能特點，可以確定兩級濾波頻率劃分范圍，在RegA的濾波器可以設置較低的分量。并非所有的低頻都交給火電機組，同時RegD的濾波器可以設置較高的分量，滿足抽水蓄能機組調節(jié)頻率寬度，從而更契合抽水蓄能的特點。

2.2 對比控制策略

為了驗證提出的抽水蓄能控制策略的優(yōu)化性,分別采用了傳統(tǒng)控制策略以及常規(guī)頻率控制策略[6]來進行對比分析，如圖3所示。

圖3 對比控制策略

3 不同策略下抽水蓄能電站參與AGC調頻仿真分析

圖1中抽水蓄能采用PID控制，同時為再熱汽輪機組、抽蓄機組、AGC模型設置相關參數(shù)如表1?；诒?中參數(shù)設置，并結合圖2模型對3種AGC控制策略進行仿真分析，其中策略1：第2.2節(jié)提出的傳統(tǒng)控制策略，其中PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd分別為2、0.3、1，PI控制參數(shù)設為0.5。策略2：第2.2節(jié)提出的常規(guī)頻率控制策略，其中TLP設為17 s，KI設為0.5。策略3：第2.1節(jié)提出的抽水蓄能頻率控制策略，PID控制參數(shù)參考策略1。

表1 基本參數(shù)設置

3.1 擾動頻率偏差仿真分析

為更貼近隨機因素的影響，針對區(qū)域i設置了定擾動與隨機擾動兩種情況對三種策略進行分析，定擾動設置為在1 s時，對區(qū)域i設置0.013 pu的擾動，而隨機擾動則是對區(qū)域i設置了擾動幅值為[‐0.017，0.015]pu，擾動時間在10 s～25 s內的信號，前者仿真時間為70 s，后者仿真時間為50 s，不同頻率控制策略下定擾動區(qū)頻率偏差和隨機擾動區(qū)域頻率偏差分別如圖4、5所示。

圖4 不同頻率控制策略下定擾動區(qū)頻率偏差

圖5 不同頻率控制策略下隨機擾動區(qū)域頻率偏差

從圖4可以看到策略3較之策略1、2頻率波動范圍降低，且頻率恢復速度加快，恢復時間提前5 s～7 s，區(qū)域頻率偏差最大值較之策略1減少了約40%。圖5中策略3控制比策略1、2自我調節(jié)時間減少，振蕩幅值更小。在設置的不規(guī)則擾動源下，控制結果更能體現(xiàn)策略3控制下使系統(tǒng)更具有安全性和穩(wěn)定性。

策略2與策略3實質上都對抽水蓄能機組和傳統(tǒng)火電機組的性能進行了劃分，通過對區(qū)域頻率偏差ACE分解，使系統(tǒng)能夠更有效地利用抽蓄機組解決系統(tǒng)頻率差額，能夠減少傳統(tǒng)負荷分配控制下的實際調頻需求。但由于策略3中對分配給抽水蓄能機組的頻率控制信號進行了二次濾波，從而可以更好地根據(jù)ACE的變化來利用抽蓄機組資源。當ACE波動平緩時，其頻率分量主要由火電機組負責調節(jié)，控制過程平穩(wěn)，同時抽蓄機組對負荷變化的反應降低；當ACE波動過快時，在時間順序上抽蓄機組優(yōu)先響應并進行頻率調節(jié)，然后火電機組響應，使得傳統(tǒng)的火電資源和抽水蓄能調節(jié)能夠更加協(xié)調，從而共同提升AGC的動態(tài)品質。

3.2 CPS1仿真分析

CPS1標準是基于嚴密的數(shù)學統(tǒng)計方法，以控制頻率偏差和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中聯(lián)絡線交換電量為目標考核控制區(qū)域的標準。利用CPS1準則來對3種策略下控制區(qū)域的控制性能比較分析。

CPS1準則模型為：

其中ε1作為固定常數(shù)，是電力系統(tǒng)中的互聯(lián)區(qū)域頻率控制期望值。通過每一采樣點處的ACE、Δf代替對應的最小值，研究不同策略下對CPS1的影響。設置在1 s時，并給區(qū)域i施加定擾動，其參數(shù)設置為初始時間為1 s，幅值為0.013 pu。得到不同策略下擾動區(qū)域CPS1的仿真結果如圖6所示。在策略3下擾動區(qū)域的CPS1較之策略1和策略2得到了提升，且收斂速度也明顯快于不考慮機組性能分配的策略1所得結果。因此在相同試驗條件下，采用抽水蓄能頻率控制策略對機組調節(jié)功率能優(yōu)化分配，體現(xiàn)了該模型的優(yōu)越性。

圖6 不同策略下擾動區(qū)域CPS1的仿真結果

4 結論

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)抽水蓄能頻率控制策略較之其他策略能達到更好的控制效果，同時能夠提升了控制區(qū)域的CPS1。抽水蓄能頻率控制策略利用不同機組的性能差異分配調頻資源，使抽水蓄能調頻資源利用率提高，充分展現(xiàn)了抽水蓄能其快速資源的替代性，具有現(xiàn)實意義。