含抽水蓄能電站參與AGC調頻控制策略優化研究

程江洲，陳奕睿，張 韜，李 遙，溫靜怡

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

引言

近年來，隨著我國新能源并網數量不斷增多，電網的隨機性與波動性使電力系統的穩定性下降。自動發電控制即AGC是電力系統維持穩定性的技術手段，其作用十分重要。我國目前的電源格局以燃煤發電為主，但火電機組并不是理想的AGC調頻電源，文獻[1,2]提出了在常規火電機組基礎上，結合抽水蓄能電站實現聯合調頻控制策略，但在實質上，都是基于負荷分配，忽略了火電與抽蓄機組間調頻性能問題。PJM市場通過將自動頻率調節信號劃分慢響應和快速響應[3]，從調頻性能的性質上對調頻資源進行劃分，使抽水蓄能機組更有效地參與調頻輔助。本研究在PJM市場機制的基礎上，針對抽水蓄能性能制定相關的控制參數，提出抽水蓄能機組參與AGC調頻的控制策略，并通過搭建模型進行仿真分析，仿真結果有效驗證控制策略。

1 AGC系統控制模型

采用聯絡線頻率偏差控制模式來建立兩區域控制模型[4]，如圖1所示。結合火電、抽水蓄能機組模型，并對機組設置了非線性約束[5]和爬坡約束（設置為0.001 7pu·(MW/s)）。

圖1 含抽蓄參與AGC調頻的區域控制模型

2 抽水蓄能參與AGC調頻的控制策略

抽蓄電站參與AGC輔助服務時，將與其他電源聯合參與調頻服務，面對抽蓄電站這種快速資源，需提出對應的頻率控制策略，使抽蓄機組能夠快速精準地進行功率補償。在PJM市場機制的基礎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市場結合調頻性能，將市場主體劃分快速資源與常規資源，同時通過分解頻率控制信號（規則A（RegA）、規則D（RegD））使其對應調頻資源。RegA指能夠長期輸出能量但斜率有限，如火電機組。而RegD指具有快速調整能量輸出，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，同時針對區域控制偏差(ACE)的分解，可以通過濾波器進行級別劃分，本研究主要考慮抽水蓄能機組與常規火電機組，從而可設置兩級濾波，將區域控制偏差分解成兩種調頻機組所對應的調頻需求，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，通過設置頻率分量完成對低通濾波部分參數的設置。高低頻率的劃分是結合實際數據基礎上的，其中[8×10‐3Hz，1.6×10‐2Hz]設置為低頻，大于1.6×10‐2Hz設置為高頻，而區別電池儲能時，一般是以0.1 Hz及以上為分界點。結合水蓄能機組性能特點，可以確定兩級濾波頻率劃分范圍，在RegA的濾波器可以設置較低的分量。并非所有的低頻都交給火電機組，同時RegD的濾波器可以設置較高的分量，滿足抽水蓄能機組調節頻率寬度，從而更契合抽水蓄能的特點。

2.2 對比控制策略

為了驗證提出的抽水蓄能控制策略的優化性,分別采用了傳統控制策略以及常規頻率控制策略[6]來進行對比分析，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調頻仿真分析

圖1中抽水蓄能采用PID控制，同時為再熱汽輪機組、抽蓄機組、AGC模型設置相關參數如表1。基于表1中參數設置，并結合圖2模型對3種AGC控制策略進行仿真分析，其中策略1：第2.2節提出的傳統控制策略，其中PID控制參數Kp、Ki、Kd分別為2、0.3、1，PI控制參數設為0.5。策略2：第2.2節提出的常規頻率控制策略，其中TLP設為17 s，KI設為0.5。策略3：第2.1節提出的抽水蓄能頻率控制策略，PID控制參數參考策略1。

表1 基本參數設置

3.1 擾動頻率偏差仿真分析

為更貼近隨機因素的影響，針對區域i設置了定擾動與隨機擾動兩種情況對三種策略進行分析，定擾動設置為在1 s時，對區域i設置0.013 pu的擾動，而隨機擾動則是對區域i設置了擾動幅值為[‐0.017，0.015]pu，擾動時間在10 s～25 s內的信號，前者仿真時間為70 s，后者仿真時間為50 s，不同頻率控制策略下定擾動區頻率偏差和隨機擾動區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頻率偏差

圖5 不同頻率控制策略下隨機擾動區域頻率偏差

從圖4可以看到策略3較之策略1、2頻率波動范圍降低，且頻率恢復速度加快，恢復時間提前5 s～7 s，區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自我調節時間減少，振蕩幅值更小。在設置的不規則擾動源下，控制結果更能體現策略3控制下使系統更具有安全性和穩定性。

策略2與策略3實質上都對抽水蓄能機組和傳統火電機組的性能進行了劃分，通過對區域頻率偏差ACE分解，使系統能夠更有效地利用抽蓄機組解決系統頻率差額，能夠減少傳統負荷分配控制下的實際調頻需求。但由于策略3中對分配給抽水蓄能機組的頻率控制信號進行了二次濾波，從而可以更好地根據ACE的變化來利用抽蓄機組資源。當ACE波動平緩時，其頻率分量主要由火電機組負責調節，控制過程平穩，同時抽蓄機組對負荷變化的反應降低；當ACE波動過快時，在時間順序上抽蓄機組優先響應并進行頻率調節，然后火電機組響應，使得傳統的火電資源和抽水蓄能調節能夠更加協調，從而共同提升AGC的動態品質。

3.2 CPS1仿真分析

CPS1標準是基于嚴密的數學統計方法，以控制頻率偏差和聯網系統中聯絡線交換電量為目標考核控制區域的標準。利用CPS1準則來對3種策略下控制區域的控制性能比較分析。

CPS1準則模型為：

其中ε1作為固定常數，是電力系統中的互聯區域頻率控制期望值。通過每一采樣點處的ACE、Δf代替對應的最小值，研究不同策略下對CPS1的影響。設置在1 s時，并給區域i施加定擾動，其參數設置為初始時間為1 s，幅值為0.013 pu。得到不同策略下擾動區域CPS1的仿真結果如圖6所示。在策略3下擾動區域的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組性能分配的策略1所得結果。因此在相同試驗條件下，采用抽水蓄能頻率控制策略對機組調節功率能優化分配，體現了該模型的優越性。

圖6 不同策略下擾動區域CPS1的仿真結果

4 結論

通過仿真可以發現抽水蓄能頻率控制策略較之其他策略能達到更好的控制效果，同時能夠提升了控制區域的CPS1。抽水蓄能頻率控制策略利用不同機組的性能差異分配調頻資源，使抽水蓄能調頻資源利用率提高，充分展現了抽水蓄能其快速資源的替代性，具有現實意義。