摘要:隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn),新能源接入比例不斷提高,為保證送端大電網(wǎng)的穩(wěn)定,大電網(wǎng)要求各新能源場(chǎng)站能夠迅速調(diào)節(jié)全站功率輸出。由于新能源設(shè)備的響應(yīng)特征差異較大,可能存在響應(yīng)滯后、調(diào)節(jié)速度限幅等問(wèn)題,傳統(tǒng)PID算法難以獲得穩(wěn)定高效的調(diào)節(jié)效果。本文為解決上述問(wèn)題,使用前饋、動(dòng)態(tài)積分參數(shù)、不完全微分等方式改進(jìn)PID算法,使用遺傳算法整定調(diào)節(jié)參數(shù),優(yōu)化PID控制器對(duì)不同設(shè)備的調(diào)控能力,加快新能源場(chǎng)站輸出功率的調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力,提高電能質(zhì)量和供電可靠性。
關(guān)鍵詞:PID算法;動(dòng)態(tài)積分參數(shù);功率控制;新能源發(fā)電
最近十五年以來(lái),隨著世界各國(guó)常規(guī)化石能源供應(yīng)不確定性問(wèn)題和節(jié)能減排形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,綠色可再生能源和環(huán)保型低碳經(jīng)濟(jì)越來(lái)越受到重視。隨著市場(chǎng)需求和技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電、光伏等裝機(jī)容量也迅速增大。尤其最近十年,中國(guó)光伏和風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)極為迅速,并已于2010年年底超越美國(guó)成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一的國(guó)家,于2016年超越德國(guó)成為光伏發(fā)電量世界第一的國(guó)家。我國(guó)各個(gè)地區(qū)新能源裝機(jī)量都有大幅度增加,尤其是西北地區(qū),新能源裝機(jī)總量已經(jīng)超過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)能源[1]。因風(fēng)電、光伏不具備快速頻率響應(yīng)能力,電網(wǎng)頻率控制特性的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題也愈發(fā)明顯。
為解決上述問(wèn)題,西北、華中、南網(wǎng)等各個(gè)區(qū)域電網(wǎng),陸續(xù)推行新能源場(chǎng)站快速頻率響應(yīng)功能的應(yīng)用工作。目前對(duì)新能源場(chǎng)站的要求為利用有功控制系統(tǒng)或其他裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)快速頻率響應(yīng)(一次調(diào)頻)功能,功率于頻率的關(guān)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(shí)際新能源設(shè)備的響應(yīng)特性,對(duì)PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)新能源場(chǎng)站輸出功率的快速穩(wěn)定控制。
一、新能源場(chǎng)站的功率控制
(一)新能源設(shè)備的響應(yīng)特性
各個(gè)新能源設(shè)備廠家的設(shè)備響應(yīng)特性有所差異,對(duì)于全站功率控制而言,一般可將設(shè)備簡(jiǎn)化為帶少量純滯后的一階線性模型。也有部分廠家會(huì)使用斜率控制模式,限制設(shè)備的調(diào)節(jié)速率,使其簡(jiǎn)化模型帶有一個(gè)升功率的斜率限幅??紤]網(wǎng)損、設(shè)備輸出偏差等因素,下發(fā)給新能源設(shè)備的輸出功率設(shè)定值和新能源場(chǎng)站的輸出功率實(shí)際值之間一般存在一定的偏差,因此一般構(gòu)建反饋回路對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)整,以確保場(chǎng)站能夠達(dá)到設(shè)定的輸出功率。
除設(shè)備自身的響應(yīng)特性外,新能源設(shè)備極易受到自然環(huán)境的影響,如風(fēng)機(jī)遇到風(fēng)速、風(fēng)向改變導(dǎo)致輸出功率變化,光伏逆變器因云層飄過(guò)導(dǎo)致光照不均衡,或因被被濃密的云層遮擋導(dǎo)致無(wú)法發(fā)電。這些環(huán)境因素不確定性高,改變迅速,且較難預(yù)測(cè)。由于環(huán)境因素的改變,設(shè)備的發(fā)電能力可能產(chǎn)生連續(xù)、隨機(jī)的快速變化,這類(lèi)變化需要控制算法具備靈活高效的抗擾動(dòng)能力。同時(shí)光照等因素的改變可能只影響部分設(shè)備,為確保系統(tǒng)能夠充分利用其他未受影響的設(shè)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(chǎng)站能量管理系統(tǒng)
新能源場(chǎng)站一般使用能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全站的功率計(jì)算、分配及設(shè)備管理。對(duì)于并網(wǎng)的新能源場(chǎng)站,能量管理系統(tǒng)一般獲取調(diào)度的AGC有功功率指令,以AGC有功功率指令為基準(zhǔn),根據(jù)新能源場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)時(shí)頻率及下垂功率曲線計(jì)算頻率偏差,并將目標(biāo)功率值進(jìn)行合理分配,下發(fā)到各個(gè)發(fā)電設(shè)備中,并通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)有功功率進(jìn)行反饋閉環(huán)控制,以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)功率的調(diào)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(shè)定的全站輸出功率的目標(biāo)值,按照一定的分配策略,下發(fā)至各個(gè)發(fā)電設(shè)備中,由設(shè)備進(jìn)行有功功率的實(shí)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(shè)備可調(diào)節(jié)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)系統(tǒng)升功率時(shí),將系統(tǒng)的目標(biāo)功率,按照各個(gè)設(shè)備的當(dāng)前輸出功率的比例,劃分給各個(gè)設(shè)備;監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),如果設(shè)備能達(dá)到設(shè)定值,可視為仍有調(diào)節(jié)裕度,若未能達(dá)到設(shè)定值,可視為裕度不足。根據(jù)調(diào)節(jié)裕度對(duì)功率進(jìn)行二次分配,可以充分利用所有發(fā)電設(shè)備,將目標(biāo)功率準(zhǔn)確輸出到區(qū)域大電網(wǎng)。
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(lǐng)域使用最多的控制算法,該算法根據(jù)目標(biāo)值和實(shí)際值偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行調(diào)節(jié)量的計(jì)算[2],算法原理和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(lèi)難以獲得精確模型的工業(yè)控制過(guò)程。其中,比例調(diào)節(jié)作用主要用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,積分調(diào)節(jié)作用主要用于消除目標(biāo)值與實(shí)際值的靜態(tài)誤差,微分調(diào)節(jié)作用主要用于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的干擾,提高系統(tǒng)對(duì)偏差變化量的處理能力,優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
(二)前饋-反饋PID算法
對(duì)于新能源風(fēng)電場(chǎng)站和光伏場(chǎng)站,系統(tǒng)的主要輸出為場(chǎng)站的輸出功率,場(chǎng)站的能量管理系統(tǒng)一般可選用PID控制算法調(diào)節(jié)新能源場(chǎng)站的輸出功率??紤]PID是一種反饋調(diào)節(jié),使用實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差作為調(diào)節(jié)變化量的輸入,系統(tǒng)只有在檢測(cè)到偏差之后才會(huì)調(diào)節(jié)功率的設(shè)置和輸出。當(dāng)調(diào)度下發(fā)新的輸出功率時(shí),系統(tǒng)首先修改目標(biāo)功率值,檢測(cè)到目標(biāo)功率與并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量功率存在較大偏差,根據(jù)偏差使用PID算法調(diào)節(jié)功率輸出量。為提高系統(tǒng)響應(yīng)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(yīng)速度,但調(diào)節(jié)精度一般不高,比較適合系統(tǒng)的“粗調(diào)”,前饋控制調(diào)節(jié)后,系統(tǒng)輸出的設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差一般會(huì)減少到一個(gè)較小范圍內(nèi),在該范圍內(nèi)進(jìn)行PID調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)所需的時(shí)間和調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性均優(yōu)于直接使用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。
(三)動(dòng)態(tài)積分參數(shù)
對(duì)于新能源場(chǎng)站,尤其是部分存在調(diào)節(jié)限幅、響應(yīng)滯后等問(wèn)題的場(chǎng)站,使用傳統(tǒng)PID算法或前饋-反饋PID算法,一般會(huì)有第一個(gè)波峰超調(diào)較大的問(wèn)題,除去比例參數(shù)設(shè)置不合理之外,主要問(wèn)題是積分項(xiàng)在調(diào)節(jié)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之前,積累了較大的調(diào)節(jié)量,導(dǎo)致積分飽和。
為解決此問(wèn)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(dāng)積分值累計(jì)達(dá)到限幅值后,對(duì)積分值進(jìn)行限制,以確保積分值不會(huì)超出限幅值;積分分離的基本方法為:當(dāng)目標(biāo)與實(shí)際值的偏差超出設(shè)定范圍時(shí),不進(jìn)行積分值的累加操作。上述兩種方法可以解決積分飽和問(wèn)題,但當(dāng)功率偏差一直超出設(shè)定范圍等情況下,由于積分不再起作用,可能導(dǎo)致偏差始終過(guò)大、無(wú)法有效調(diào)節(jié)等問(wèn)題。
為解決該問(wèn)題,本文采用動(dòng)態(tài)積分參數(shù)進(jìn)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(wèn)題,同時(shí)可以?xún)?yōu)化PID調(diào)節(jié)的第一個(gè)波峰的超調(diào)量。當(dāng)新能源場(chǎng)站從調(diào)度獲取一個(gè)新的輸出功率目標(biāo)值時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié),此時(shí)期望起主要調(diào)節(jié)作用的是前饋調(diào)節(jié)和PID比例、微分調(diào)節(jié),因此削弱積分作用,將積分的參數(shù)設(shè)置為較小值;隨著調(diào)節(jié)過(guò)程不斷推進(jìn),前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定,此時(shí)期望起主要調(diào)節(jié)而作用的分量由前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為PID積分調(diào)節(jié),因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷恢復(fù)積分的參數(shù),在前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)完全作用后,積分的參數(shù)也恢復(fù)為初值,具備完整的積分調(diào)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(lái)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。微分作用根據(jù)偏差的變化速率,提供一個(gè)超前的調(diào)節(jié)效果,可以提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性,同時(shí)具備減少超調(diào)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(diào)節(jié)穩(wěn)定性會(huì)有所降低。對(duì)于新能源場(chǎng)站這類(lèi)系統(tǒng),系統(tǒng)的輸入量受限于自然界的風(fēng)光資源,本身具有較強(qiáng)的不確定性,可能產(chǎn)生一些隨機(jī)的波動(dòng),微分作用對(duì)此類(lèi)波動(dòng)較為敏感,會(huì)產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)量,降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為解決該問(wèn)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(gè)一階慣性環(huán)節(jié),讓本會(huì)突然變化的微分調(diào)節(jié)量,分成多個(gè)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(diào)節(jié)量的前提下,降低因?yàn)槠钔蛔儺a(chǎn)生的波動(dòng),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
新能源場(chǎng)站的有功功率設(shè)定值會(huì)根據(jù)調(diào)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(shè)定值變化時(shí),易產(chǎn)生較大的微分作用。微分先行是使微分作用僅對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生的偏差起作用,不對(duì)設(shè)定值起作用,使用微分先行可以避免因設(shè)定值的變化而產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)波動(dòng),讓微分作用專(zhuān)注于解決因自然風(fēng)光資源變化產(chǎn)生的功率波動(dòng)。
(五)參數(shù)整定
PID算法比例、積分、微分參數(shù)的設(shè)置會(huì)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(jī)搜索算法進(jìn)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(guò)遺傳算法進(jìn)行參數(shù)整定的PID算法,調(diào)節(jié)曲線與常規(guī)PID曲線相比,一般調(diào)節(jié)初期的波峰更小,調(diào)節(jié)更為平穩(wěn),抗干擾能力更強(qiáng)。為確保系統(tǒng)綜合工況的穩(wěn)定性,對(duì)此類(lèi)參數(shù)整定的PID算法,應(yīng)當(dāng)做更為充分的測(cè)試,以確保算法的可靠性。
三、結(jié)語(yǔ)
本文討論了新能源場(chǎng)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(diào)節(jié)的快速性;使用動(dòng)態(tài)積分參數(shù)可減小系統(tǒng)超調(diào)量,使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更為平穩(wěn),適合新能源發(fā)電等對(duì)平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)景;不完全微分及微分先行能夠避免系統(tǒng)調(diào)節(jié)量因目標(biāo)值變化而產(chǎn)生突變,可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。同時(shí)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(chǎng)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(zhì)量。
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作者簡(jiǎn)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。