含抽水蓄能电站参与AGC调频控制策略优化研究

程江洲，陈奕睿，张 韬，李 遥，温静怡

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000）

引言

近年来，随着我国新能源并网数量不断增多，电网的随机性与波动性使电力系统的稳定性下降。自动发电控制即AGC是电力系统维持稳定性的技术手段，其作用十分重要。我国目前的电源格局以燃煤发电为主，但火电机组并不是理想的AGC调频电源，文献[1,2]提出了在常规火电机组基础上，结合抽水蓄能电站实现联合调频控制策略，但在实质上，都是基于负荷分配，忽略了火电与抽蓄机组间调频性能问题。PJM市场通过将自动频率调节信号划分慢响应和快速响应[3]，从调频性能的性质上对调频资源进行划分，使抽水蓄能机组更有效地参与调频辅助。本研究在PJM市场机制的基础上，针对抽水蓄能性能制定相关的控制参数，提出抽水蓄能机组参与AGC调频的控制策略，并通过搭建模型进行仿真分析，仿真结果有效验证控制策略。

1 AGC系统控制模型

采用联络线频率偏差控制模式来建立两区域控制模型[4]，如图1所示。结合火电、抽水蓄能机组模型，并对机组设置了非线性约束[5]和爬坡约束（设置为0.001 7pu·(MW/s)）。

图1 含抽蓄参与AGC调频的区域控制模型

2 抽水蓄能参与AGC调频的控制策略

抽蓄电站参与AGC辅助服务时，将与其他电源联合参与调频服务，面对抽蓄电站这种快速资源，需提出对应的频率控制策略，使抽蓄机组能够快速精准地进行功率补偿。在PJM市场机制的基础上提出了抽水蓄能的频率控制方法。

2.1 抽水蓄能频率控制策略

PJM市场结合调频性能，将市场主体划分快速资源与常规资源，同时通过分解频率控制信号（规则A（RegA）、规则D（RegD））使其对应调频资源。RegA指能够长期输出能量但斜率有限，如火电机组。而RegD指具有快速调整能量输出，但长期维持能量输出的能力有限的资源，如储能（电池、飞轮等）。抽水蓄能电站可作为快速资源，同时针对区域控制偏差(ACE)的分解，可以通过滤波器进行级别划分，本研究主要考虑抽水蓄能机组与常规火电机组，从而可设置两级滤波，将区域控制偏差分解成两种调频机组所对应的调频需求，提出抽蓄频率控制策略，模型如图2所示。

图2 抽水蓄能频率控制策略

为更贴合抽水蓄能，通过设置频率分量完成对低通滤波部分参数的设置。高低频率的划分是结合实际数据基础上的，其中[8×10‐3Hz，1.6×10‐2Hz]设置为低频，大于1.6×10‐2Hz设置为高频，而区别电池储能时，一般是以0.1 Hz及以上为分界点。结合水蓄能机组性能特点，可以确定两级滤波频率划分范围，在RegA的滤波器可以设置较低的分量。并非所有的低频都交给火电机组，同时RegD的滤波器可以设置较高的分量，满足抽水蓄能机组调节频率宽度，从而更契合抽水蓄能的特点。

2.2 对比控制策略

为了验证提出的抽水蓄能控制策略的优化性,分别采用了传统控制策略以及常规频率控制策略[6]来进行对比分析，如图3所示。

图3 对比控制策略

3 不同策略下抽水蓄能电站参与AGC调频仿真分析

图1中抽水蓄能采用PID控制，同时为再热汽轮机组、抽蓄机组、AGC模型设置相关参数如表1。基于表1中参数设置，并结合图2模型对3种AGC控制策略进行仿真分析，其中策略1：第2.2节提出的传统控制策略，其中PID控制参数Kp、Ki、Kd分别为2、0.3、1，PI控制参数设为0.5。策略2：第2.2节提出的常规频率控制策略，其中TLP设为17 s，KI设为0.5。策略3：第2.1节提出的抽水蓄能频率控制策略，PID控制参数参考策略1。

表1 基本参数设置

3.1 扰动频率偏差仿真分析

为更贴近随机因素的影响，针对区域i设置了定扰动与随机扰动两种情况对三种策略进行分析，定扰动设置为在1 s时，对区域i设置0.013 pu的扰动，而随机扰动则是对区域i设置了扰动幅值为[‐0.017，0.015]pu，扰动时间在10 s～25 s内的信号，前者仿真时间为70 s，后者仿真时间为50 s，不同频率控制策略下定扰动区频率偏差和随机扰动区域频率偏差分别如图4、5所示。

图4 不同频率控制策略下定扰动区频率偏差

图5 不同频率控制策略下随机扰动区域频率偏差

从图4可以看到策略3较之策略1、2频率波动范围降低，且频率恢复速度加快，恢复时间提前5 s～7 s，区域频率偏差最大值较之策略1减少了约40%。图5中策略3控制比策略1、2自我调节时间减少，振荡幅值更小。在设置的不规则扰动源下，控制结果更能体现策略3控制下使系统更具有安全性和稳定性。

策略2与策略3实质上都对抽水蓄能机组和传统火电机组的性能进行了划分，通过对区域频率偏差ACE分解，使系统能够更有效地利用抽蓄机组解决系统频率差额，能够减少传统负荷分配控制下的实际调频需求。但由于策略3中对分配给抽水蓄能机组的频率控制信号进行了二次滤波，从而可以更好地根据ACE的变化来利用抽蓄机组资源。当ACE波动平缓时，其频率分量主要由火电机组负责调节，控制过程平稳，同时抽蓄机组对负荷变化的反应降低；当ACE波动过快时，在时间顺序上抽蓄机组优先响应并进行频率调节，然后火电机组响应，使得传统的火电资源和抽水蓄能调节能够更加协调，从而共同提升AGC的动态品质。

3.2 CPS1仿真分析

CPS1标准是基于严密的数学统计方法，以控制频率偏差和联网系统中联络线交换电量为目标考核控制区域的标准。利用CPS1准则来对3种策略下控制区域的控制性能比较分析。

CPS1准则模型为：

其中ε1作为固定常数，是电力系统中的互联区域频率控制期望值。通过每一采样点处的ACE、Δf代替对应的最小值，研究不同策略下对CPS1的影响。设置在1 s时，并给区域i施加定扰动，其参数设置为初始时间为1 s，幅值为0.013 pu。得到不同策略下扰动区域CPS1的仿真结果如图6所示。在策略3下扰动区域的CPS1较之策略1和策略2得到了提升，且收敛速度也明显快于不考虑机组性能分配的策略1所得结果。因此在相同试验条件下，采用抽水蓄能频率控制策略对机组调节功率能优化分配，体现了该模型的优越性。

图6 不同策略下扰动区域CPS1的仿真结果

4 结论

通过仿真可以发现抽水蓄能频率控制策略较之其他策略能达到更好的控制效果，同时能够提升了控制区域的CPS1。抽水蓄能频率控制策略利用不同机组的性能差异分配调频资源，使抽水蓄能调频资源利用率提高，充分展现了抽水蓄能其快速资源的替代性，具有现实意义。