基于火电—风电机组调节速率的电网AGC指令分配方法

高 嵩，路 宽，张 琳，魏梦瑶，王建东

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

新能源代替常规火力发电机组是减缓气候变化，推动可持续发展的重要举措。截至2020 年，我国风电、光伏等新能源装机规模已居世界首位。由于新能源发电具有较强的间歇性、波动性、周期性等特点［1-2］，而且随着常规火电机组的占比减少，此时系统中参与自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）的火电机组将没有充足的容量调节新能源功率波动，从而引起系统频率稳定问题，导致电网频率波动加剧。自动发电控制［3］是电网提供的辅助服务之一，主要包括频率控制和AGC指令分配。当电网输出功率与负荷不平衡导致电网频率波动时，为了消除电网频率波动而产生的电网输出功率期望值就是电网AGC 指令，将电网AGC 指令分配到各台机组，机组根据指令调整出力使电网总功率与负荷达到新的平衡，进而消除电网频率偏差，保障电力系统稳定运行。本文重点研究电网AGC指令的优化分配。

随着风电并网机组数量的不断增加，要求风电机组必须参与电网发电计划，实现在线调度、实时控制等，即风电电源具备传统电源的有功功率稳定输出特性和调节性能［4-6］。赵嘉兴等［7］指出通过桨距角控制和转子转速控制使风电机组具有自动发电控制功能。刘柳等［8］提出了一种基于桨距角控制的双馈风机参与电网二次调频控制策略，在所提控制方案下，风机利用其可控的二次调频能力，有效地降低了严重的负荷扰动下系统频率的变化率。综上所述，风电机组的有功功率控制技术逐渐完善和成熟［9-11］，为风电机组参与电网功率调节提供技术支撑。

对于常规火电机组，通常采用平均法将电网AGC 指令分配给机组，机组通过调整输出功率完成负荷响应。高宗和等［12］提出了一种按机组相同可调容量比例分配法对AGC 指令进行分配。武晓冬等［13］总结了风电场常用的AGC 指令分配策略有：有功变化量平均分配、有功等比分配和相似出力裕度分配等方法。为了在灵活调度常规火电机组的基础上充分利用风电机组的有功备用容量，联合火电与风电机组共同参与电网功率调节成为一种新的发展趋势［14-16］。李静坤等［17］将风电场有功控制纳入电网自动发电控制中，采用优先顺序法对风电、水电及火电机组进行调度。叶林等［18］通过固定比例分配方法和变比例分配方法对含常规机组和风电集群的多区域互联系统的AGC 指令进行分配。何成明［19］采用分布式增量一致算法在常规AGC机组与风电场之间通过等边际成本法则进行调频功率指令的分配。综上所述，现有方法以尽量利用风电参与AGC控制、减少火电机组出力为目标，但在高比例新能源并网新形势下，消除电网频率偏差的快速性有待进一步提升。

为了快速消除电网频率波动，提出一种基于火电-风电机组调节速率的电网AGC 指令分配方法。首先，考虑不同风速下风电机组的功率调节速率和调节容量；然后，以最短电网响应时间为优化目标建立联合火电与风电的电网AGC 指令优化分配模型，通过求解确定了一种按机组调节速率比例分配的方法；最后，搭建含有火电和风电场的电网区域仿真模型，与现有方法对比验证了所提方法的有效性。

1 问题描述

如图1 所示，假设区域电网由I-1 台火电机组和1 个风电场组成。当电网AGC 指令为ΔP时，根据某种分配方法将ΔP分配到火电机组和风电场。那么，I-1 台火电机组和风电场的负荷指令分别为ΔP1，ΔP2，…，ΔPI-1，ΔPI，根据机组调节速率r1，r2，…，rI-1，rI可以计算出每台机组的响应时间t1，t2，…，tI-1，tI。电网总响应时间T为各个机组响应时间的最大值，即

图1 电网自动发电控制结构

其中

本文的目的是：在保证电网安全稳定运行的前提下，考虑火电机组和不同风速下风电机组的调节速率和调节容量约束，让调节速率快的机组承担更多的负荷指令，使电网在最短时间内完成AGC指令，消除电网频率波动。

2 风电机组可调节范围和调节速率

根据空气动力学可知，风电机组发出功率［20］为

式中：R为叶片半径；V为风速；ρ为空气密度；Cp为风能利用系数，其大小与桨距角β和叶尖速比λ有关。

式中：wr为风轮机转子的角速度。式（3）中存在最大风能利用系数Cpmax，使风电机组具有最大功率输出，即

由式（5）可知，风电机组的最大出力和调节速率与风速大小有关。当风速小于额定风速时，机组实发功率调节上限可由式（5）确定；当风速大于额定风速时，机组的实发功率调节上限为额定功率。

机组调节速率是指在一段时间内机组有功功率出力产生上升或下降幅度变化的速度。与火电机组不同的是，风电机组的调节速率不是一个固定值，它随着风速的变化而变化。通过采集不同风速下机组实发功率数据，利用文献［21］所提技术方法得到不同风速下风电机组的调节速率估计结果。

3 电网AGC指令优化分配

考虑火电、风电机组联合的电网AGC 指令分配方法，火电机组运行环境较为稳定，其机组调节速率值也相对确定。但风电机组要考虑不同时间下风速的变化性，对应风电机组的运行条件也会改变，调节速率也会发生变化。因此在进行指令分配时，需要根据当前风速大小判断风电机组的调节速率和可调节范围，然后再进行电网AGC指令分配。

3.1 优化分配模型

首先基于以往风速数据统计，根据当前的风速大小V判断此时风电机组的调节速率rI，以及出力调节范围。以电网总响应时间最短为优化目标，考虑不同类型火电机组和不同风速下风电机组的调节速率和调节范围，建立优化模型为

约束条件为

式中：ΔPi为分配到第i（i=1，2，…，I-1）台火电机组的调整负荷；ri为第i台火电机组的调节速率；ΔPI为分配到风电场的调整负荷；rI为风电场的调节速率；T为电网AGC 指令的响应时间。由式（1）、式（2）可以看出电网总响应时间与各机组的负荷响应时间相关，而机组的响应时间与机组调整负荷和调节速率有关，可以根据式（1）、式（2）得到式（7）所示不等式约束条件。

3.2 按机组调节速率分配

通过非负拉格朗日算子λi和α，将式（7）、式（8）约束条件引入优化目标函数，得到拉格朗日函数为

对式（9）求偏导，使偏导等于0，由此得到该函数的解为：

通过求偏导过程可知，该方法要求所有机组同时完成负荷响应，即

因此电网响应时间为

每台机组分配的调整负荷为

为确保机组能正常执行AGC 指令，第i 台机组的调整负荷ΔPi必须在机组可调节范围内，即

如果第j台机组不满足约束条件式（16），则以当前机组最大可调容量分配调整负荷。剔除第j台越限机组，将剩余的调整负荷根据式（15）在其他机组内重新分配，直到分配给各台机组的调整负荷ΔPi都满足式（16）。

当机组的调整负荷过小时，机组无法根据指令改变出力。为确保机组能正常执行负荷指令，要使调整负荷大于机组最低限值Δp，即

其中，不同机组的Δp存在差异［22］。

如果第j台机组的调整负荷小于Δp，则剔除第j台机组，由式（15）对总AGC 指令调整负荷ΔP重新分配，直到各台机组的调整负荷满足式（16）、式（17），得到最终的分配结果。

综上所述，基于机组调节速率对总AGC 指令分配方法的算法流程如图2所示，简述为以下步骤：

图2 基于调节速率的AGC指令分配流程

1）根据当前风速大小V，确定当前风速对应的风电机组调节速率rI，以及机组出力调节范围；

2）根据式（15）计算每台机组调整负荷为：ΔPi(i=1，2，…，I)；

3）判断ΔP是否满足式（16），如果不满足，剔除越限机组，越限机组以最大可调容量分配调整负荷，重复步骤2）和步骤3）；

4）判断Pmin是否满足式（17），如果不满足，剔除越限机组，重复步骤2）—步骤4）。

4 方法验证

使用Simulink 搭建一个标准单区域模型，如图3所示。区域内包含3 台火电机组和1 个风电场。火电机组参数设置如表1所示。

图3 标准单区域模型

风电场由100 台同类型风电机组组成，在同一运行环境下机组的调节速率相同，将100 台风电机组调节速率累加即为风电场的调节速率。风电场的调节速率受风速的影响，风电场的参数在不同风速下有不同的取值。案例一通过仿真验证所提AGC 指令分配方法的有效性。案例二将所提方法与传统分配方法进行对比。

4.1 仿真案例Ⅰ

当区域的平均风速大小为6 m/s，电网的总AGC指令为ΔP=60 MW，其中，火电机组参数在表1中给出，风电场的实际运行参数如表2所示。

表1 火电机组基本参数

表2 不同风速下风电场的基本参数

根据式（15）—式（17）的约束条件，计算出分配给3 台火电机组和风电场的调整负荷分别为：14.55 MW、18.18 MW、10.9 MW、16.37 MW。各台机组的具体响应过程如图4 所示，整个区域的总响应时间为1.82 min。

图4 风速6 m/s时机组AGC指令响应过程

在不同时间、当区域的平均风速大小为10 m/s。同样AGC 指令ΔP=60 MW 条件下，对应风电机组参数如表2 所示。根据式（15）—式（17）的约束条件，计算出分配给3 台火电机组和风电场的调整负荷分别为：13.33 MW、16.67 MW，10 MW、20 MW。各台机组对AGC 指令进行响应，具体过程如图5 所示。总响应时间的为1.67 min。

图5 风速10 m/s时机组AGC指令响应过程

从上述仿真案例可以看出，调节速率大的机组承担了较多的调整负荷，最大化利用机组AGC 调节能力，使区域电网中所有机组在同一时刻完成AGC指令响应。

4.2 仿真案例Ⅱ

区域电网的总AGC 指令ΔP=60 MW，参与AGC响应的3台火电机组参数如表1所示，风电场的参数如表2所示。当前风速为6 m/s，按所提出的基于机组调节速率AGC 指令分配方法，3 台机组分配的调整负荷如表3 所示。各台机组AGC 指令的响应情况如图4所示。

表3 三种算法的AGC指令分配结果

电网调度中心通常会使用平均分配或按机组容量比例分配法对总AGC 指令进行分配，使用平均分配、机组容量分配法得到每台机组的调整负荷如表4所示。

区域对总AGC 指令的响应如图6 所示，从图中曲线可以看出，在相同机组条件和运行状态下，当调整负荷相同时，按平均分配法大约需要2.5 min 完成响应；按机组容量平均分配法大约需要3.54 min 完成；按机组调节速率平均分配法大约需要1.82 min。显然，按机组调节速率分配法能实现AGC 指令的快速响应。

图6 整体机组AGC指令响应

5 结语

针对风电—火电联合的电网AGC 指令分配问题，提出了一种基于调节速率的火电—风电机组AGC 指令分配方法。考虑不同风速下风电机组调节速率和调节容量的差异性，建立以最短响应时间为目标的优化模型，确定了一种基于机组调节速率的AGC指令分配方法。通过区域模型仿真结果表明：所提出的火电—风电机组AGC指令分配方法根据机组的调节速率分配电网AGC 指令，使调节速率大的机组承担更多的负荷指令。通过与现有方法对比表明，在同样AGC 指令下，所提分配方法比平均分配方法缩短了27%的响应时间，比按容量分配方法缩短了48%的响应时间，可以在最短时间内完成电网AGC指令响应，对电网的平稳运行具有重要的意义。