基于多Agent的儲能參與電網一次調頻控制

李吉晨，陳堂龍，葛維春，葛延峰，王琛淇

（1.南瑞集團有限公司，江蘇南京 211100；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽 110000；3.國網遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧阜新 123000）

電網一次調頻是指利用電力系統固有的負荷頻率特性和發電機組調速器的作用，對電力系統的頻率進行調節[1]。一次調頻信號可以自動平衡快速小幅度的負載隨機波動，同時也可以緩沖異常情況下的突發負載變化。主頻的調節需要與調頻控制相結合，才能達到無差調節頻率[2]。

常規時域方法是通過計算儲能爬坡速率來計算儲能波動對電網頻率的影響程度，利用小波變換和經驗模式分解在頻域上對儲能波動進行了頻域劃分，按對電網頻率的影響程度排序[3]。但是，這種方法的缺點是不能對儲能波動的特性進行深入分析，因為儲能波動本質上是一個正常的隨機過程，它包含著復雜的時序過程；用T-location 概率分布模型描述電網的隨機波動特性，用序列蒙特卡羅方法模擬電網發電時間序列。電網總裝機容量即使在波動最劇烈的情況下，也不會使電網的頻率動態超過極限[4]。但是，使用這種方法的缺點是，儲能功率波動(對電網頻率影響的上升幅度)較大，會對電網產生較大危害。

針對以上問題，提出了一種基于多Agent 的儲能參與電網一次調頻控制。該方法主要是研究多個電網主體之間的頻率協調以控制儲能。

1 基于多Agent調頻控制原理

通過對多Agent分層設計，利用多Agent配電網無功協調控制方案，可以實現具體配電網無功優化[5-6]。圖1 所示為多Agent頻率調制控制過程。

圖1 多Agent一次調頻控制流程

在程序中，初始化主要用于為每個Agent 定義基本行為準則，多Agent協調控制的操作步驟如下：

第一步，初始化單元，為每個代理分配必要的約束和基本規則；

第二步，收集反應性組件的節點參數和操作參數，并為每一個組件提供所需的控制；

第三步，向區域代理提供受控組件的操作狀態[7]。同時，區域代理為節點代理提供控制策略，讓節點代理更改每個組件的操作狀態[8]；

第四步，每個區域代理首先提供各自管轄的、處于運行狀態的分銷網絡代理，以及與其他外部分銷網絡代理的運行參數相結合的初始數據處理，然后將數據處理結果發送到預先確定的統一格式的信息處理系統；

第五步，在模型預測后，估計環節將每個區域的無功控制策略反饋給相應的區域代理[9]。地區代理改變了電網的運行狀態，再一次把電網的運行參數提交給評估環節進行調整[10-11]。

多Agent 通過連續的協調控制使電力系統既能保證自身的電網安全、可靠、經濟運行，又能滿足上級電網對合適電能的需求。

2 多Agent一次調頻控制策略

2.1 調頻死區分析

參加頻率調制的主要目的是利用它的快速吞吐量，降低常規參加能量調制和頻率存儲單元的損耗，所以儲能參與頻率調制時的作用范圍要小于常規機組。若系統未設置調頻死區，系統調頻功能輸入頻繁，影響電網穩定運行[12-13]。所以，在儲能輔助電網調頻應用中，儲能系統死區問題也是影響其調頻性能不可忽視的因素[14]。

利用儲能裝置中儲能裝置吸收/釋放功率的SoC特性來描述超限區域，根據儲能類型確定超限區域上下限值，調頻死區控制策略，如圖2 所示。

圖2 儲能參與電網一次調頻死區控制策略

由 圖2 可 知，當SoC?(SoCmin,SoCmax)時，有P=Pbess；當SoC∈(SoCmin,SoCmax)時，有：

其中，ΔPbess為儲能參與電網一次調頻的輸出功率，其表達式如下：

2.2 電網一次調頻仿真模型

電網頻率穩定運行的前提是系統有功的供需平衡。在電網中，有功功率變化較小的節點，用系統頻率來反映。為保證各地區的供電質量，必須采用一定的方式合理地分配各機組用電需求，由控制中心對各機組的發電進行調節與控制。

電網是一個相互聯系整體，單獨的電網不可能達到安全穩定運行的目的。所以在實際系統中，一般不存在包含多個相關子系統的獨立電源系統。對由兩個或兩個以上電源連接的子系統來說，除了保證其功率需求平衡外，還應保證其頻率穩定。

電源有多種形式。電網在穩定運行過程中，一旦發生負荷擾動，電網的頻率變化很快。通過對調頻死區備用資源在負載干擾下的輸出狀態分析，建立其模型是十分必要的。電網負荷有功需求的變化將使原穩定運行的有功功率產生偏差，有功功率的偏離將通過轉矩反映到發電機的角速度上，引起功率角的變化，從而影響整個電力系統的頻率變化。

對電網有功功率和頻率偏差關系的研究，如下所示：

其中，D表示電力系統慣性響應常數，ω表示角速度，ΔPL表示有功偏差。

當兩個發電機并聯時，要求兩個發電機具有相同的初始轉速。若兩臺發電機的初始轉速不一致，則在并聯運行時會發生碰撞，嚴重時會引起電機損壞。為使兩臺機組的并聯工作順利進行，電網中明確規定兩臺機組必須具有相同調速特性才能進行并聯。速度調速特性通常用R表示：

式（5）中，a表示速度變化率，ap表示功率輸出變化率。

頻率偏差與負荷擾動的關系如式（6）所示：

式（6）中，D表示負荷阻尼常數。

電網一次調頻模型公式如式（7）所示：

電網具有揮發性和間歇性，它輸出的有功功率短時波動較大，W也會隨之變大，電網頻率就會相應地增加，為頻率調節能力提出了新的要求。

2.3 一次調頻控制策略

在以上分析的基礎上，形成的一次調頻控制策略流程，如下所示：

Step1：根據設定的誤差信號確定儲能初始運行時刻；

Step2：儲能投入后，利用第i時刻的儲能調頻容量DDAA,ES(i)和初始調頻容量DDAA,G(i)，按照1∶1 比例對誤差信號SACE(t)進行動態分配；

Step3：分析儲能參與因子α和電網動態情況ΔPES，計算調頻所需電網儲能靈敏度；

Step5：切換檢測模式，利用儲能調頻容量DDAA,ES(i)和初始調頻備用容量PG·cap(i)，按照1∶1 比例對控制需求信號SARR(t)進行動態分配；

Step6：按照上述比例，再一次重復Step3；

Step7：當誤差信號SARR(t) 和頻域Δf(t)穩定在閾值范圍內，控制儲能，由此完成一次調頻。

3 仿真實驗

3.1 仿真系統

Simulink 建立了額定工作頻率60 Hz 的電能儲存裝置，在儲能裝置中安裝兩臺輔助設備，分別是帶有25 MW/5 MWh 的完整調速設備和帶有250 MVA的勵磁設備。仿真系統示意圖如圖3 所示。

圖3 仿真系統

3.2 一次調頻控制偏差仿真分析

在極端擾動場景、連續擾動場景下，分別使用基于時域計算風電功率爬坡率調頻控制方法Q1、利用T-location 概率分布模型調頻控制方法Q2 和基于多Agent 調頻控制方法Q3 對一次調頻控制偏差仿真分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 3種方法一次調頻控制偏差對比分析

分析圖4（a）：在極端擾動場景下，使用3 種調頻控制方法，受到擾動影響較大。尤其使用基于時域計算風電功率爬坡率調頻控制方法、利用T-location 概率分布模型調頻控制方法，在時間分別為0～t1、t4～t5段內，頻率偏差達到最高，分別為0.055 Hz和0.035 Hz。使用基于多Agent 調頻控制方法在時間為0～t1段內，頻率偏差達到最高為0.020 Hz。

分析圖4（b）：在連續擾動場景下，使用3 種調頻控制方法，受到擾動影響較小。使用基于時域計算風電功率爬坡率調頻控制方法在時間為t1～t2段內，頻率偏差達到最高為0.039 Hz。利用T-location 概率分布模型調頻控制方法的時間為t7時間點，頻率偏差達到最高為0.018 Hz。使用基于多Agent 調頻控制方法的時間在t6～t7段內，頻率偏差達到最高為0.002 5 Hz。

通過上述分析結果可知，使用基于多Agent 調頻控制方法無論是在極端擾動場景和連續擾動場景下，都具有良好控制效果。

4 結束語

大規模分布式電源和微網接入主配電網絡，給整個電網的控制帶來了極大的挑戰。基于多Agent的儲能參與電網一次調頻控制是一種分布式、靈活、自主、協同控制的多Agent 系統，能滿足電網對電力系統的控制要求。

受條件限制，文中對研究內容考慮得不夠全面。可從以下幾個方面進行深入探討：

1）電網調頻存儲輔助裝置中，僅考慮電池諧振反饋、充放電效率和功率限制等因素。未來，該儲能模型可細化成不同類型的儲能單體。

2）在后續研究中，由于不同的儲能調頻死區差異，需要進一步探討儲能特性，而在輔助電網調頻系統中，則以最小容量配置協調控制。