新能源快速功率調節(jié)PID算法的應用和優(yōu)化

摘要：隨著能源轉型的不斷推進，新能源接入比例不斷提高，為保證送端大電網的穩(wěn)定，大電網要求各新能源場站能夠迅速調節(jié)全站功率輸出。由于新能源設備的響應特征差異較大，可能存在響應滯后、調節(jié)速度限幅等問題，傳統(tǒng)PID算法難以獲得穩(wěn)定高效的調節(jié)效果。本文為解決上述問題，使用前饋、動態(tài)積分參數(shù)、不完全微分等方式改進PID算法，使用遺傳算法整定調節(jié)參數(shù)，優(yōu)化PID控制器對不同設備的調控能力，加快新能源場站輸出功率的調節(jié)速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，提高電能質量和供電可靠性。

關鍵詞：PID算法;動態(tài)積分參數(shù);功率控制;新能源發(fā)電

最近十五年以來，隨著世界各國常規(guī)化石能源供應不確定性問題和節(jié)能減排形勢的日益嚴峻，綠色可再生能源和環(huán)保型低碳經濟越來越受到重視。隨著市場需求和技術的發(fā)展，風電、光伏等裝機容量也迅速增大。尤其最近十年，中國光伏和風電裝機容量的增長極為迅速，并已于2010年年底超越美國成為全球風電裝機容量第一的國家，于2016年超越德國成為光伏發(fā)電量世界第一的國家。我國各個地區(qū)新能源裝機量都有大幅度增加，尤其是西北地區(qū)，新能源裝機總量已經超過35%，新能源滲透率不斷升高，擠占了常規(guī)水電、火電等具備轉動慣量的常規(guī)能源[1]。因風電、光伏不具備快速頻率響應能力，電網頻率控制特性的結構性問題也愈發(fā)明顯。

為解決上述問題，西北、華中、南網等各個區(qū)域電網，陸續(xù)推行新能源場站快速頻率響應功能的應用工作。目前對新能源場站的要求為利用有功控制系統(tǒng)或其他裝置來實現(xiàn)系統(tǒng)的功率調節(jié)，以實現(xiàn)快速頻率響應（一次調頻）功能，功率于頻率的關系滿足頻率-功率下垂特性曲線。

本文從改善傳統(tǒng)PID控制功率控制的穩(wěn)定性出發(fā)，考慮實際新能源設備的響應特性，對PID控制算法進行優(yōu)化，以實現(xiàn)新能源場站輸出功率的快速穩(wěn)定控制。

一、新能源場站的功率控制

（一）新能源設備的響應特性

各個新能源設備廠家的設備響應特性有所差異，對于全站功率控制而言，一般可將設備簡化為帶少量純滯后的一階線性模型。也有部分廠家會使用斜率控制模式，限制設備的調節(jié)速率，使其簡化模型帶有一個升功率的斜率限幅?？紤]網損、設備輸出偏差等因素，下發(fā)給新能源設備的輸出功率設定值和新能源場站的輸出功率實際值之間一般存在一定的偏差，因此一般構建反饋回路對輸出功率進行調整，以確保場站能夠達到設定的輸出功率。

除設備自身的響應特性外，新能源設備極易受到自然環(huán)境的影響，如風機遇到風速、風向改變導致輸出功率變化，光伏逆變器因云層飄過導致光照不均衡，或因被被濃密的云層遮擋導致無法發(fā)電。這些環(huán)境因素不確定性高，改變迅速，且較難預測。由于環(huán)境因素的改變，設備的發(fā)電能力可能產生連續(xù)、隨機的快速變化，這類變化需要控制算法具備靈活高效的抗擾動能力。同時光照等因素的改變可能只影響部分設備，為確保系統(tǒng)能夠充分利用其他未受影響的設備，要求控制算法能夠有一套合理的均衡分配策略。

（二）新能源場站能量管理系統(tǒng)

新能源場站一般使用能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)全站的功率計算、分配及設備管理。對于并網的新能源場站，能量管理系統(tǒng)一般獲取調度的AGC有功功率指令，以AGC有功功率指令為基準，根據(jù)新能源場站并網點實時頻率及下垂功率曲線計算頻率偏差，并將目標功率值進行合理分配，下發(fā)到各個發(fā)電設備中，并通過并網點有功功率進行反饋閉環(huán)控制，以實現(xiàn)并網點功率的調節(jié)和穩(wěn)定控制，常用控制算法為PID算法。

功率分配是將設定的全站輸出功率的目標值，按照一定的分配策略，下發(fā)至各個發(fā)電設備中，由設備進行有功功率的實際輸出。功率的分配一般考慮采用按照相似裕度分配、等比例分配、均衡分配等多種分配策略，也可根據(jù)設備可調節(jié)狀態(tài)進行優(yōu)化。當系統(tǒng)升功率時，將系統(tǒng)的目標功率，按照各個設備的當前輸出功率的比例，劃分給各個設備;監(jiān)測各個設備的運行狀態(tài)，如果設備能達到設定值，可視為仍有調節(jié)裕度，若未能達到設定值，可視為裕度不足。根據(jù)調節(jié)裕度對功率進行二次分配，可以充分利用所有發(fā)電設備，將目標功率準確輸出到區(qū)域大電網。

二、功率控制PID算法

（一）傳統(tǒng)PID算法

PID控制算法是目前工業(yè)領域使用最多的控制算法，該算法根據(jù)目標值和實際值偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行調節(jié)量的計算[2]，算法原理和實現(xiàn)簡單，參數(shù)整定方便，并有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，適合各類難以獲得精確模型的工業(yè)控制過程。其中，比例調節(jié)作用主要用于加快系統(tǒng)的響應速度，積分調節(jié)作用主要用于消除目標值與實際值的靜態(tài)誤差，微分調節(jié)作用主要用于應對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)對偏差變化量的處理能力，優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（二）前饋-反饋PID算法

對于新能源風電場站和光伏場站，系統(tǒng)的主要輸出為場站的輸出功率，場站的能量管理系統(tǒng)一般可選用PID控制算法調節(jié)新能源場站的輸出功率?？紤]PID是一種反饋調節(jié)，使用實際值與設定值之間的偏差作為調節(jié)變化量的輸入，系統(tǒng)只有在檢測到偏差之后才會調節(jié)功率的設置和輸出。當調度下發(fā)新的輸出功率時，系統(tǒng)首先修改目標功率值，檢測到目標功率與并網點實際測量功率存在較大偏差，根據(jù)偏差使用PID算法調節(jié)功率輸出量。為提高系統(tǒng)響應速率，為PID算法增加前饋控制，形成前饋-反饋PID控制。前饋控制可以有效提高系統(tǒng)的響應速度，但調節(jié)精度一般不高，比較適合系統(tǒng)的“粗調”，前饋控制調節(jié)后，系統(tǒng)輸出的設定值與實際值之間的偏差一般會減少到一個較小范圍內，在該范圍內進行PID調節(jié)，調節(jié)所需的時間和調節(jié)的穩(wěn)定性均優(yōu)于直接使用PID算法進行調節(jié)。

（三）動態(tài)積分參數(shù)

對于新能源場站，尤其是部分存在調節(jié)限幅、響應滯后等問題的場站，使用傳統(tǒng)PID算法或前饋-反饋PID算法，一般會有第一個波峰超調較大的問題，除去比例參數(shù)設置不合理之外，主要問題是積分項在調節(jié)第一次達到穩(wěn)態(tài)點之前，積累了較大的調節(jié)量，導致積分飽和。

為解決此問題，一般考慮采用積分限幅、積分分離等方式[3]，積分限幅的基本方法為：當積分值累計達到限幅值后，對積分值進行限制，以確保積分值不會超出限幅值;積分分離的基本方法為：當目標與實際值的偏差超出設定范圍時，不進行積分值的累加操作。上述兩種方法可以解決積分飽和問題，但當功率偏差一直超出設定范圍等情況下，由于積分不再起作用，可能導致偏差始終過大、無法有效調節(jié)等問題。

為解決該問題，本文采用動態(tài)積分參數(shù)進行PID控制算法的優(yōu)化，可保持原有PID的穩(wěn)定性和魯棒性，也能夠有效解決積分飽和等問題，同時可以優(yōu)化PID調節(jié)的第一個波峰的超調量。當新能源場站從調度獲取一個新的輸出功率目標值時，系統(tǒng)進行功率調節(jié)，此時期望起主要調節(jié)作用的是前饋調節(jié)和PID比例、微分調節(jié)，因此削弱積分作用，將積分的參數(shù)設置為較小值;隨著調節(jié)過程不斷推進，前饋調節(jié)和PID比例調節(jié)趨于穩(wěn)定，此時期望起主要調節(jié)而作用的分量由前饋調節(jié)和PID比例調節(jié)轉化為PID積分調節(jié)，因此在調節(jié)過程中不斷恢復積分的參數(shù)，在前饋調節(jié)和PID比例調節(jié)完全作用后，積分的參數(shù)也恢復為初值，具備完整的積分調節(jié)能力。

（四）不完全微分及微分先行

PID算法中的微分可以用來提高系統(tǒng)動態(tài)特性。微分作用根據(jù)偏差的變化速率，提供一個超前的調節(jié)效果，可以提高系統(tǒng)調節(jié)的快速性，同時具備減少超調量、削弱震蕩等功能。但如果系統(tǒng)存在高頻變化，或突變等情況，系統(tǒng)的調節(jié)穩(wěn)定性會有所降低。對于新能源場站這類系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量受限于自然界的風光資源，本身具有較強的不確定性，可能產生一些隨機的波動，微分作用對此類波動較為敏感，會產生較大的調節(jié)量，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為解決該問題，一般可以使用不完全微分控制。不完全微分是在微分作用后引入一個一階慣性環(huán)節(jié)，讓本會突然變化的微分調節(jié)量，分成多個控制周期，以一種較為平緩的方式輸出。使用不完全微分，可以在不減小微分作用總調節(jié)量的前提下，降低因為偏差突變產生的波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

新能源場站的有功功率設定值會根據(jù)調度AGC有功功率指令頻繁變化，且變化值可能較大。如直接使用微分控制，在每次功率設定值變化時，易產生較大的微分作用。微分先行是使微分作用僅對測量值產生的偏差起作用，不對設定值起作用，使用微分先行可以避免因設定值的變化而產生較大的調節(jié)波動，讓微分作用專注于解決因自然風光資源變化產生的功率波動。

（五）參數(shù)整定

PID算法比例、積分、微分參數(shù)的設置會直接影響算法的控制效果，傳統(tǒng)的參數(shù)整定方法包括：臨界比例法（Z-N法）、衰減曲線法等。除傳統(tǒng)方法外，也可使用隨機搜索算法進行參數(shù)整定，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等人工智能算法。

通過遺傳算法進行參數(shù)整定的PID算法，調節(jié)曲線與常規(guī)PID曲線相比，一般調節(jié)初期的波峰更小，調節(jié)更為平穩(wěn)，抗干擾能力更強。為確保系統(tǒng)綜合工況的穩(wěn)定性，對此類參數(shù)整定的PID算法，應當做更為充分的測試，以確保算法的可靠性。

三、結語

本文討論了新能源場站的功率控制PID算法的多種優(yōu)化途徑和優(yōu)化效果。其中，增加前饋功能可提高系統(tǒng)調節(jié)的快速性;使用動態(tài)積分參數(shù)可減小系統(tǒng)超調量，使系統(tǒng)調節(jié)更為平穩(wěn)，適合新能源發(fā)電等對平穩(wěn)性要求高的場景;不完全微分及微分先行能夠避免系統(tǒng)調節(jié)量因目標值變化而產生突變，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。同時使用遺傳算法整定PID控制參數(shù)，綜合優(yōu)化算法的控制效果。使用上述優(yōu)化方案，可提高新能源場站輸出功率控制的快速性和穩(wěn)定性，提高供電可靠性和電能質量。

參考文獻：

[1]孫驍強，高敏，劉鑫，等.風電場參與西北送端大電網頻率調節(jié)的快速頻率響應能力實測與分析[J].南方電網技術，2018（1）：48-54.

[2]劉漢程.PID控制算法的研究[J].城市建設理論研究，2014，000（015）：1-5.

[3]萬冰.船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中PID算法的應用與探究[J].計算機技術與發(fā)展，2015，25，221（09）：178-181.

作者簡介：周岳（1991— ），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制、新能源發(fā)電。