新能源電力系統(tǒng)分布式模型預(yù)測(cè)負(fù)荷頻率控制

張怡，常鵬飛

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

在我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，減少煤等不可再生能源的燃燒，采用新能源發(fā)電已成為重要任務(wù)。新能源發(fā)電方式與傳統(tǒng)發(fā)電方式相融合組成新的分布式能源網(wǎng)絡(luò)，可有效解決當(dāng)前環(huán)境和能源危機(jī)。風(fēng)能和太陽(yáng)能是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的新能源發(fā)電方式，截止到2019年底，我國(guó)風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)總量超過(guò)4.1億kW，占全國(guó)總裝機(jī)容量的21%[1]。隨著新能源技術(shù)的不斷突破，新能源發(fā)電水平持續(xù)提升，發(fā)電成本顯著下降，發(fā)電利用水平不斷提高，新能源機(jī)組參與到負(fù)荷頻率控制過(guò)程中已成必然[2]。

負(fù)荷頻率控制（LFC）對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)非常重要，通過(guò)控制各發(fā)電單元的功率輸出來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，使得區(qū)域與區(qū)域間的交換功率在計(jì)劃值，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定在50 Hz[3]。由于風(fēng)、光的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組介入電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定和有功平衡造成影響。近年來(lái)，與負(fù)荷頻率控制有關(guān)的先進(jìn)控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等被廣泛應(yīng)用[4]。

作為計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的新方法，模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）由于易建模、動(dòng)態(tài)性能佳等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用[5]。在電力領(lǐng)域也有了一定的應(yīng)用，尤其適用于輸出不確定、風(fēng)電、光伏介入下的新能源電力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于分布式模型預(yù)測(cè)控制（DMPC）的風(fēng)電場(chǎng)參與自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）的方法，系統(tǒng)中有負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，根據(jù)各區(qū)域風(fēng)電集群、火電機(jī)組與負(fù)荷情況，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)與火電機(jī)組作為調(diào)頻電源。文獻(xiàn)[7]基于MPC和大系統(tǒng)分層遞階理論，提出了一種大規(guī)模風(fēng)電介入的有功調(diào)度控制方法。文獻(xiàn)[8]針對(duì)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)采用分布式預(yù)測(cè)控制，通過(guò)迭代算法獲得全局最優(yōu)解為各風(fēng)力機(jī)組提供出力給定值。然而，上述文獻(xiàn)未考慮諸如風(fēng)速、槳距角等物理約束對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響。

針對(duì)包含風(fēng)電、光伏和常規(guī)機(jī)組的新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)，提出了一種基于分布式模型預(yù)測(cè)控制的負(fù)荷頻率控制方法。日間光伏機(jī)組有出力時(shí)，不同風(fēng)速條件下，對(duì)各區(qū)域設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)風(fēng)速條件下的目標(biāo)函數(shù)，并將常規(guī)機(jī)組的發(fā)電速率約束、風(fēng)速約束、槳距角約束等物理約束考慮在內(nèi)。在Matlab/Simulink中建立四區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)LFC模型，并在不同工況下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明DMPC算法下系統(tǒng)頻率偏差超調(diào)量更小，頻率恢復(fù)速度更快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。

1 問(wèn)題描述

現(xiàn)代新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)由N個(gè)控制區(qū)域組成，區(qū)域之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)線相連并有專用的通信網(wǎng)絡(luò)用以實(shí)現(xiàn)信息交換，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，DMPC給各發(fā)電機(jī)組下發(fā)指令以控制輸出功率，從而跟蹤負(fù)荷波動(dòng)。四區(qū)域新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，區(qū)域1和區(qū)域3為火電區(qū)域，區(qū)域2為風(fēng)電區(qū)域，區(qū)域4為光伏區(qū)域。每個(gè)區(qū)域有一個(gè)分布式控制器，各區(qū)域通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與相鄰區(qū)域連接，并配有專用的通信網(wǎng)絡(luò)用以信息交換。

圖1 四區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the four-area interconnected power system

接下來(lái)，分別建立火電、風(fēng)電和光伏區(qū)域的負(fù)荷頻率控制模型。

1.1 火電機(jī)組模型

火電機(jī)組主要由發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)和調(diào)速器等構(gòu)成，簡(jiǎn)化的線性模型如圖2所示。圖中，ACEi為區(qū)域控制偏差，KBi為頻率偏差因子，Ri為調(diào)差系數(shù)，TGi為火電機(jī)組時(shí)間常數(shù)，TTi為汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)，KPi為發(fā)電機(jī)增益，TPi為發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)，Ksij為區(qū)域間交互增益，ΔXgi為調(diào)節(jié)閥位置變化量，Δfi為頻率偏差，ΔPgi為輸出功率變化量，ΔPtie,i為聯(lián)絡(luò)線功率偏差。

圖2 火電機(jī)組線性模型Fig.2 Linear model of thermal power plant

1.2 風(fēng)電機(jī)組模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，由多個(gè)風(fēng)機(jī)組成一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，單個(gè)風(fēng)機(jī)一般由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電力電子變換器等構(gòu)成。風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of wind generation system

從系統(tǒng)層面看，關(guān)注重點(diǎn)是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，可將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)視為一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該臺(tái)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)空間模型可寫為

式中：xw為狀態(tài)變量；uw為控制量；ww為擾動(dòng)變量，選取風(fēng)速波動(dòng)；zw為輸出變量；Δθε為轉(zhuǎn)子與低速軸旋轉(zhuǎn)角度差；Δωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差；Δωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差；Δβ為槳距角控制量偏差；Δβref為槳距角控制量偏差參考值；ΔTg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差。

1.3 光伏機(jī)組模型

光伏發(fā)電利用“光生伏特效應(yīng)”將太陽(yáng)光照輻射轉(zhuǎn)化為電能，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括將光能轉(zhuǎn)化為電能的電池板、升高輸出電壓的升壓變換器、逆變器和控制系統(tǒng)4個(gè)部分。光伏電池板輸出直流電經(jīng)DC/DC變換后作為逆變器的直流電源，后經(jīng)DC/AC逆變器轉(zhuǎn)化為交流電送至電網(wǎng)，這里升壓變換器選用Boost電路。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等效電路如圖4所示。當(dāng)變換器中的開關(guān)頻率足夠大時(shí)，控制量可以視為占空比控制，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比可控制輸出電壓。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of PV power generation system

2 分布式模型預(yù)測(cè)控制器

LFC目的是調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)組的輸出功率，保持負(fù)荷與發(fā)電側(cè)有功功率的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)某區(qū)域負(fù)荷發(fā)生變化，該區(qū)域DMPC控制器利用當(dāng)前時(shí)刻該區(qū)域的狀態(tài)信息，結(jié)合與其相鄰區(qū)域的狀態(tài)和上一時(shí)刻預(yù)測(cè)得到的控制量序列，預(yù)測(cè)出（k+NP）時(shí)刻所有的狀態(tài)，通過(guò)協(xié)調(diào)各發(fā)電單元之間的出力，計(jì)算得到該區(qū)域的控制信號(hào)，將此控制信號(hào)作用于該區(qū)域發(fā)電機(jī)，使得該區(qū)域的頻率偏差為0，與其相連區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率在計(jì)劃值，即使得該區(qū)域的區(qū)域控制偏差（area control error，ACE）信號(hào)為 0，從而保證電網(wǎng)供需平衡。

設(shè)計(jì)DMPC控制器時(shí)，系統(tǒng)所有狀態(tài)可通過(guò)傳感器測(cè)量得到，電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，平均風(fēng)速在一段時(shí)間內(nèi)可預(yù)測(cè)得到，太陽(yáng)光照強(qiáng)度和溫度在短時(shí)間內(nèi)是保持不變的?？紤]在日間高風(fēng)速和低風(fēng)速兩種情況，對(duì)各區(qū)域設(shè)計(jì)相應(yīng)自然工況下的目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)圖1中的系統(tǒng)，當(dāng)區(qū)域2中風(fēng)速大于額定風(fēng)速，DMPC控制目標(biāo)設(shè)為輸出額定功率；當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速，DMPC控制目標(biāo)設(shè)為輸出當(dāng)前風(fēng)速下的平均功率。對(duì)于光伏系統(tǒng)，控制目標(biāo)為跟蹤輸出當(dāng)前輻射強(qiáng)度和溫度下的最大功率。對(duì)于兩個(gè)火電機(jī)組，在跟蹤本區(qū)域負(fù)荷變化的同時(shí)，還要與其相鄰的區(qū)域控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，補(bǔ)充風(fēng)電和光伏區(qū)域的缺額功率。

從而，在日間不同風(fēng)速條件下各區(qū)域目標(biāo)函數(shù)可表示如下：

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建圖1所示四區(qū)域新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)LFC模型，基于第2節(jié)所述設(shè)計(jì)DMPC控制器。采樣時(shí)間設(shè)置為T=0.1s，預(yù)測(cè)時(shí)域NP=15，控制時(shí)域NC=15，權(quán)重矩陣Q=10I，R=S=I。日間有光伏出力時(shí)，分別在高風(fēng)速和低風(fēng)速條件下，階躍負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)采用DMPC算法進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行對(duì)比。

3.1 日間高風(fēng)速條件下仿真

設(shè)置仿真時(shí)間600 s，風(fēng)速均值17 m/s，溫度25℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在仿真時(shí)間內(nèi)不變。t=0 s時(shí)區(qū)域1負(fù)荷減少20%，t=300 s時(shí)區(qū)域3負(fù)荷增加10%。各區(qū)域頻率偏差波形（高風(fēng)速）如圖5所示。

圖5 負(fù)荷擾動(dòng)下各區(qū)域頻率偏差（高風(fēng)速）Fig.5 Frequency deviation of each area under load disturbance（high wind speed）

區(qū)域1在t=0 s時(shí)負(fù)荷減少20%，該區(qū)域頻率偏差較大，區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4由于區(qū)域1的負(fù)荷變化導(dǎo)致頻率有了略微的上升。t=300 s時(shí)區(qū)域3負(fù)荷增大，頻率有較大下降，區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域4的頻率有略微的下降。

3.2 日間低風(fēng)速條件下仿真

設(shè)置風(fēng)速均值12 m/s，t=100 s時(shí)區(qū)域1負(fù)荷增加10%。各區(qū)域頻率偏差波形（低風(fēng)速）如圖6所示。區(qū)域1負(fù)荷增加導(dǎo)致頻率下降較大，與其相鄰區(qū)域的頻率也有了略微的下降。

圖6 負(fù)荷擾動(dòng)下各區(qū)域頻率偏差（低風(fēng)速）Fig.6 Frequency deviation of each area under load disturbance（low wind speed）

由圖5和圖6可以看出，發(fā)生負(fù)荷變化的區(qū)域頻率偏差較大，在DMPC控制下，相較于傳統(tǒng)的PI控制算法，該區(qū)域頻率偏差超調(diào)量更小，且能更快地逼近至0，即該區(qū)域頻率能夠更快地恢復(fù)到50 Hz；無(wú)負(fù)荷變化的區(qū)域，由于聯(lián)絡(luò)線功率偏差的變化，頻率也有較小的波動(dòng)，但DMPC控制下該區(qū)域的頻率偏差更小，頻率恢復(fù)速度更快。由此，風(fēng)電、光伏介入下的新能源電力系統(tǒng)，在不同工況下有負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，相較于PI控制算法，DMPC控制算法可以更好地協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)組出力，使得系統(tǒng)的頻率超調(diào)量更小，頻率的恢復(fù)速度更快，從而使系統(tǒng)擁有更好的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)論

針對(duì)含有風(fēng)電和光伏的新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)，提出了一種基于DMPC算法的負(fù)荷頻率控制策略。由于風(fēng)、光的隨機(jī)性和間歇性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)在不同風(fēng)速條件下設(shè)計(jì)了不同的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行切換控制，日間光伏發(fā)電系統(tǒng)有出力時(shí)，光伏機(jī)組始終跟蹤當(dāng)前輻射強(qiáng)度和溫度下的最大功率。系統(tǒng)中存在負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的頻率不穩(wěn)定，由火電機(jī)組控制器與風(fēng)電場(chǎng)、光伏機(jī)組控制器協(xié)調(diào)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。以四區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)為例，在系統(tǒng)中有階躍負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了DMPC算法的有效性和更佳的控制效果。