程江洲，陳奕睿，張 韜，李 遙，溫靜怡

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)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(jī)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(shù)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(jī)組并不是理想的AGC調(diào)頻電源，文獻(xiàn)[1,2]提出了在常規(guī)火電機(jī)組基礎(chǔ)上，結(jié)合抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)頻控制策略，但在實(shí)質(zhì)上，都是基于負(fù)荷分配，忽略了火電與抽蓄機(jī)組間調(diào)頻性能問題。PJM市場通過將自動頻率調(diào)節(jié)信號劃分慢響應(yīng)和快速響應(yīng)[3]，從調(diào)頻性能的性質(zhì)上對調(diào)頻資源進(jìn)行劃分，使抽水蓄能機(jī)組更有效地參與調(diào)頻輔助。本研究在PJM市場機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對抽水蓄能性能制定相關(guān)的控制參數(shù)，提出抽水蓄能機(jī)組參與AGC調(diào)頻的控制策略，并通過搭建模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果有效驗(yàn)證控制策略。

1 AGC系統(tǒng)控制模型

采用聯(lián)絡(luò)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(jié)合火電、抽水蓄能機(jī)組模型，并對機(jī)組設(shè)置了非線性約束[5]和爬坡約束（設(shè)置為0.001 7pu·(MW/s)）。

圖1 含抽蓄參與AGC調(diào)頻的區(qū)域控制模型

2 抽水蓄能參與AGC調(diào)頻的控制策略

抽蓄電站參與AGC輔助服務(wù)時(shí)，將與其他電源聯(lián)合參與調(diào)頻服務(wù)，面對抽蓄電站這種快速資源，需提出對應(yīng)的頻率控制策略，使抽蓄機(jī)組能夠快速精準(zhǔn)地進(jìn)行功率補(bǔ)償。在PJM市場機(jī)制的基礎(chǔ)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(jié)合調(diào)頻性能，將市場主體劃分快速資源與常規(guī)資源，同時(shí)通過分解頻率控制信號（規(guī)則A（RegA）、規(guī)則D（RegD））使其對應(yīng)調(diào)頻資源。RegA指能夠長期輸出能量但斜率有限，如火電機(jī)組。而RegD指具有快速調(diào)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(shí)針對區(qū)域控制偏差(ACE)的分解，可以通過濾波器進(jìn)行級別劃分，本研究主要考慮抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組，從而可設(shè)置兩級濾波，將區(qū)域控制偏差分解成兩種調(diào)頻機(jī)組所對應(yīng)的調(diào)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(shè)置頻率分量完成對低通濾波部分參數(shù)的設(shè)置。高低頻率的劃分是結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，其中[8×10‐3Hz，1.6×10‐2Hz]設(shè)置為低頻，大于1.6×10‐2Hz設(shè)置為高頻，而區(qū)別電池儲能時(shí)，一般是以0.1 Hz及以上為分界點(diǎn)。結(jié)合水蓄能機(jī)組性能特點(diǎn)，可以確定兩級濾波頻率劃分范圍，在RegA的濾波器可以設(shè)置較低的分量。并非所有的低頻都交給火電機(jī)組，同時(shí)RegD的濾波器可以設(shè)置較高的分量，滿足抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)頻率寬度，從而更契合抽水蓄能的特點(diǎn)。

2.2 對比控制策略

為了驗(yàn)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(jìn)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(diào)頻仿真分析

圖1中抽水蓄能采用PID控制，同時(shí)為再熱汽輪機(jī)組、抽蓄機(jī)組、AGC模型設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表1?；诒?中參數(shù)設(shè)置，并結(jié)合圖2模型對3種AGC控制策略進(jìn)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(shè)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(shè)為17 s，KI設(shè)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(shè)置

3.1 擾動頻率偏差仿真分析

為更貼近隨機(jī)因素的影響，針對區(qū)域i設(shè)置了定擾動與隨機(jī)擾動兩種情況對三種策略進(jìn)行分析，定擾動設(shè)置為在1 s時(shí)，對區(qū)域i設(shè)置0.013 pu的擾動，而隨機(jī)擾動則是對區(qū)域i設(shè)置了擾動幅值為[‐0.017，0.015]pu，擾動時(shí)間在10 s～25 s內(nèi)的信號，前者仿真時(shí)間為70 s，后者仿真時(shí)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(jī)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(jī)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(fù)速度加快，恢復(fù)時(shí)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(diào)節(jié)時(shí)間減少，振蕩幅值更小。在設(shè)置的不規(guī)則擾動源下，控制結(jié)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(shí)質(zhì)上都對抽水蓄能機(jī)組和傳統(tǒng)火電機(jī)組的性能進(jìn)行了劃分，通過對區(qū)域頻率偏差A(yù)CE分解，使系統(tǒng)能夠更有效地利用抽蓄機(jī)組解決系統(tǒng)頻率差額，能夠減少傳統(tǒng)負(fù)荷分配控制下的實(shí)際調(diào)頻需求。但由于策略3中對分配給抽水蓄能機(jī)組的頻率控制信號進(jìn)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(jī)組資源。當(dāng)ACE波動平緩時(shí)，其頻率分量主要由火電機(jī)組負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)，控制過程平穩(wěn)，同時(shí)抽蓄機(jī)組對負(fù)荷變化的反應(yīng)降低；當(dāng)ACE波動過快時(shí)，在時(shí)間順序上抽蓄機(jī)組優(yōu)先響應(yīng)并進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，然后火電機(jī)組響應(yīng)，使得傳統(tǒng)的火電資源和抽水蓄能調(diào)節(jié)能夠更加協(xié)調(diào)，從而共同提升AGC的動態(tài)品質(zhì)。

3.2 CPS1仿真分析

CPS1標(biāo)準(zhǔn)是基于嚴(yán)密的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，以控制頻率偏差和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中聯(lián)絡(luò)線交換電量為目標(biāo)考核控制區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。利用CPS1準(zhǔn)則來對3種策略下控制區(qū)域的控制性能比較分析。

CPS1準(zhǔn)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(diǎn)處的ACE、Δf代替對應(yīng)的最小值，研究不同策略下對CPS1的影響。設(shè)置在1 s時(shí)，并給區(qū)域i施加定擾動，其參數(shù)設(shè)置為初始時(shí)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(jié)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(jī)組性能分配的策略1所得結(jié)果。因此在相同試驗(yàn)條件下，采用抽水蓄能頻率控制策略對機(jī)組調(diào)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(jié)果

4 結(jié)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(dá)到更好的控制效果，同時(shí)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(jī)組的性能差異分配調(diào)頻資源，使抽水蓄能調(diào)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(shí)意義。