張斌，張超，韓曉娟

含規(guī)?；L(fēng)電并網(wǎng)的負(fù)荷頻率云PI控制策略研究

張斌1，張超2，韓曉娟3

（1．國(guó)網(wǎng)冀北三河市供電有限公司，河北省 三河市 065200；2．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林省 松原市 138000；3．華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206）

針對(duì)規(guī)?；L(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻造成的不確定性問題，提出了一種計(jì)及風(fēng)電不確定性的云模型負(fù)荷頻率控制策略。首先將風(fēng)電出力作為擾動(dòng)信號(hào)，與聯(lián)絡(luò)線功率偏差組成的區(qū)域控制偏差作為負(fù)荷頻率控制器的輸入量，根據(jù)云模型規(guī)則發(fā)生器建立了具有不確定性映射關(guān)系的云(比例-積分，PI)負(fù)荷頻率控制器。以含有風(fēng)電的三區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)為例，通過某區(qū)域電網(wǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)仿真分析表明，所建立的云PI控制器能夠較好地跟蹤風(fēng)電功率波動(dòng)，具有較強(qiáng)的抗干擾性。所提方法不僅滿足了風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻的要求，而且控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器。

風(fēng)電并網(wǎng)；負(fù)荷頻率；控制；云模型；不確定性

0 引言

規(guī)模化風(fēng)電接入電網(wǎng)會(huì)加劇電網(wǎng)的不確定性，而風(fēng)電機(jī)組大多采用有功解耦控制，無(wú)法有效跟蹤電網(wǎng)頻率的波動(dòng)變化，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電有功輸出的不確定性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]在全風(fēng)速下分別設(shè)計(jì)了變槳距模糊控制器和基于滑膜控制的發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制器，充分考慮了風(fēng)電出力的不確定性對(duì)電能質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[4]提出了基于兩階段切換的變比調(diào)差系數(shù)策略，提高了系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[5]利用虛擬慣量和下垂控制實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，改善了頻率暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)能力。

利用負(fù)荷頻率控制(load frequency control，LFC)是維持規(guī)模化風(fēng)電并網(wǎng)引起的頻率波動(dòng)在穩(wěn)定區(qū)間最有效的手段[6-8]。文獻(xiàn)[9]提出含風(fēng)電機(jī)組的模型預(yù)測(cè)負(fù)荷頻率控制策略，利用預(yù)測(cè)信息優(yōu)化控制器指令生成和分配控制器參數(shù)，從而提升了控制器的非線性響應(yīng)能力，滿足了含風(fēng)電的頻率調(diào)節(jié)要求。文獻(xiàn)[10]針對(duì)三區(qū)域電力系統(tǒng)，提出一種基于線性矩陣不等式與延遲邊際估計(jì)的魯棒負(fù)荷頻率控制策略，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]利用灰狼算法優(yōu)化負(fù)荷頻率控制器參數(shù)，該方法具有較強(qiáng)的尋優(yōu)能力和控制性能，提升了系統(tǒng)的魯棒性和非脆弱性。文獻(xiàn)[12]根據(jù)常規(guī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)軌跡，設(shè)計(jì)了以全狀態(tài)時(shí)域仿真為基礎(chǔ)的含高滲透率風(fēng)電互聯(lián)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)策略，但所提出的控制方法未計(jì)及區(qū)域控制偏差(area frequently control，ACE)信號(hào)，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[13]針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)在高峰時(shí)段的調(diào)頻壓力，提出了在高峰時(shí)段的非AGC機(jī)組、按期望點(diǎn)運(yùn)行的AGC型以及按ACE自適應(yīng)的AGC型，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)節(jié)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[14]分析了風(fēng)電參與一次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，在額定風(fēng)速下利用最大功率點(diǎn)追蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電有功輸出最大跟蹤，在額定風(fēng)速以上采用恒功率控制，保證風(fēng)電系統(tǒng)安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于事件驅(qū)動(dòng)通信下的魯棒負(fù)荷頻率控制策略，該方法提高了頻率調(diào)節(jié)的增益，并減少了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的通信次數(shù)。

針對(duì)風(fēng)電輸出具有隨機(jī)性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，本文提出了基于云模型理論的負(fù)荷頻率控制方法。通過分析風(fēng)電出力的波動(dòng)特性，利用云模型規(guī)則發(fā)生器對(duì)PI控制器參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定，充分考慮了風(fēng)電出力波動(dòng)和聯(lián)絡(luò)線功率偏差對(duì)電網(wǎng)頻率的影響。以某三區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

1 計(jì)及風(fēng)功率不確定性的負(fù)荷頻率控制模型

1.1 風(fēng)電場(chǎng)有功輸出特性

受風(fēng)速等影響，風(fēng)電場(chǎng)出力對(duì)電網(wǎng)造成擾動(dòng)，與單機(jī)組輸出功率不盡相同，如圖1所示。

從圖1中可以看出，風(fēng)電場(chǎng)出力的動(dòng)態(tài)特性與機(jī)組空間排布有關(guān)。由于單臺(tái)機(jī)組受各時(shí)域的風(fēng)速不同，導(dǎo)致單臺(tái)機(jī)組具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性。而在風(fēng)電場(chǎng)的匯集效應(yīng)和葉輪慣性作用下，致使風(fēng)電場(chǎng)整體輸出功率趨于平緩。

圖1 單機(jī)組與風(fēng)場(chǎng)出力曲線圖

1.2 計(jì)及風(fēng)電不確定性的多區(qū)域負(fù)荷頻率控制模型

LFC的目的是保證互聯(lián)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定與聯(lián)絡(luò)線功率按計(jì)劃值運(yùn)行，本文將風(fēng)電場(chǎng)輸出功率作為L(zhǎng)FC模型中的輸入信號(hào)。在規(guī)模化風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，含風(fēng)電的互聯(lián)電力系統(tǒng)第個(gè)區(qū)域的LFC系統(tǒng)模型如圖2所示。

系統(tǒng)受風(fēng)電有功擾動(dòng)后的能量守恒方程為擾動(dòng)，W；為阻尼系數(shù)；Δ系統(tǒng)角頻率變化量。

式中：ΔPe為發(fā)電機(jī)電磁功率變化量，W；ΔPwind為風(fēng)電有功出力的變化量，W；ΔPL為常規(guī)負(fù)荷

在含風(fēng)電的負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)中，ACE是受到擾動(dòng)后形成的頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的偏差量，其定義如下：

式中：β為頻率偏差系數(shù)；Δ?為區(qū)域的頻率偏差，Hz；Δtie為與區(qū)域聯(lián)接的聯(lián)絡(luò)線功率偏差，W。

2 基于云模型的負(fù)荷頻率控制器設(shè)計(jì)

2.1 云模型理論

云模型理論是一種具有不確定性映射關(guān)系的理論，其定性概念與定量數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換具有模糊性和隨機(jī)性。在非線性的控制系統(tǒng)中，云模型能夠在模糊的論域內(nèi)逼近其期望值，構(gòu)成了不確定性的轉(zhuǎn)換模型，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制功能[16-19]。

設(shè)是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，是上的定性概念，()是到閉區(qū)間[0，1]的映射。對(duì)任意元素∈都存在一個(gè)具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)：

則在論域上的分布稱為云，記為()。每一個(gè)稱為云滴，若干個(gè)云滴組成了云。

云模型是由期望E、熵E和超熵H來(lái)表達(dá)一個(gè)具有模糊邊界和各隨機(jī)確定度組成的整體概念，如圖3所示。

2.2 多規(guī)則云PI控制器設(shè)計(jì)

在充分考慮風(fēng)電出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于云模型理論的負(fù)荷頻率PI控制器，如圖4所示。

從圖4中可以看出，由風(fēng)電場(chǎng)出力引起的擾動(dòng)ACE以偏差量的形式輸入到云PI控制器中，規(guī)則前件在設(shè)定的論域內(nèi)對(duì)進(jìn)行非線性逼近處理，生成隸屬度P、I；通過規(guī)則后件對(duì)P、I進(jìn)行定量處理，得到控制量Δ和Δ，經(jīng)過PI控制器得到控制量。

圖3 云模型的3個(gè)數(shù)字特征

圖4 云PI頻率控制器結(jié)構(gòu)

由于風(fēng)電出力波動(dòng)一般集中在中、低頻分量，在滿足風(fēng)電功率并網(wǎng)要求下，利用云規(guī)則發(fā)生器，將風(fēng)電功率分為5個(gè)等級(jí)。以“負(fù)大”“負(fù)小”“零”“正小”“正大”來(lái)表示，劃分結(jié)果如表1所示。其中，作為規(guī)則前件；Δ、Δ為規(guī)則后件；(-0.15,0.2,0.05)三個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)E，E和H。

3 仿真實(shí)例

三區(qū)域含風(fēng)電接入的互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制模型如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)各參數(shù)見表2。

從圖5中可以看出，區(qū)域1為規(guī)?；L(fēng)電場(chǎng)，暫不考慮其他負(fù)荷擾動(dòng)因素。在3個(gè)區(qū)域中，每個(gè)區(qū)域均有2臺(tái)AGC機(jī)組，各區(qū)域之間通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，互聯(lián)電網(wǎng)采用TBC-TBC控制模型，設(shè)定頻率為(50±0.2) Hz，聯(lián)絡(luò)線交換功率和ACE按照計(jì)劃值運(yùn)行。圖6是國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)有功輸出曲線，該風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量45MW，采樣時(shí)間間隔為10 min。

表1 云模型的3個(gè)參數(shù)

圖5 三區(qū)域負(fù)荷頻率控制模型

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖7為區(qū)域1的頻率響應(yīng)，傳統(tǒng)PI控制器在60~85s頻率出現(xiàn)較大的超調(diào)量(0.15Hz、0.18Hz)，超出了互聯(lián)電網(wǎng)允許的頻率偏差范圍±0.1 Hz，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的波動(dòng)性。采用云PI控制器后的頻率偏差均在正常范圍內(nèi)變化，具有較好控制效果。

圖8為區(qū)域1、2之間的聯(lián)絡(luò)線交換功率。從圖8可以看出，若聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差越接近零，則越趨于計(jì)劃值。對(duì)于傳統(tǒng)PI控制器，由于各區(qū)域間是由聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，在區(qū)域1發(fā)生較大的負(fù)荷波動(dòng)(如15 s、60 s、70s、85s時(shí)刻)，區(qū)域2會(huì)向區(qū)域1輸送功率以維持各區(qū)域間的負(fù)荷平衡，從而會(huì)出現(xiàn)功率攢動(dòng)現(xiàn)象。而云PI控制則維持聯(lián)絡(luò)線功率在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間。

圖9為區(qū)域1的ACE響應(yīng)曲線。受負(fù)荷擾動(dòng)形成的ACE由聯(lián)絡(luò)線功率和頻率偏差組成。

從圖7、8中可以看出，在15s、60~80s均出現(xiàn)了較大的偏差，所引起的ACE在相應(yīng)時(shí)刻也出現(xiàn)了波動(dòng)(如圖9所示)。區(qū)域1的頻率由區(qū)域1負(fù)荷擾動(dòng)所影響，而區(qū)域1、2間的聯(lián)絡(luò)線受其他相鄰區(qū)域影響。區(qū)域1的ACE與區(qū)域1、2間的聯(lián)絡(luò)線交換功率在某些時(shí)刻的偏差則較為相似，經(jīng)過云PI控制器出現(xiàn)短暫大幅波動(dòng)后趨于平緩，而傳統(tǒng)PI控制器的波動(dòng)幅度依然較大。

圖7 區(qū)域1的頻率響應(yīng)

圖8 區(qū)域1、2之間的聯(lián)絡(luò)線交換功率

圖9 區(qū)域1的ACE響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文以三區(qū)域含規(guī)?；L(fēng)電接入的互聯(lián)電網(wǎng)為例，在分析了風(fēng)電波動(dòng)特性的基礎(chǔ)上建立了云PI控制器，并制定了相應(yīng)云規(guī)則。仿真結(jié)果表明，云模型理論能有效改善風(fēng)電擾動(dòng)所產(chǎn)生的各項(xiàng)偏差，為風(fēng)電并網(wǎng)提供了新的解決思路。

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Research on Load Frequency Control Strategy Based on Cloud PI Controller in Large-scale Wind Power Connected to Grid

ZHANG Bin1, ZHANG Chao2, HAN Xiaojuan3

(1. State Grid Jibei Sanhe Power Supply Co., Ltd., Sanhe 065200, Hebei Province, China;2. Songyuan Power Supply Company, State Grid Jilin Power Co., Ltd., Songyuan 138000, Jilin Province, China;3.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

Aiming at the uncertainty caused by large- scale wind power grid-connected to system frequency modulation, a cloud model load frequency control strategy considering the uncertainty of wind power was proposed. Firstly, the wind power output was regarded as the disturbance signal, and the regional control deviation composed of the wind output power and the power deviation of the tie line was regarded as the input of the load frequency controller. According to the cloud model rule generator, the cloud PI load frequency controller with uncertainty mapping relationship was established. Taking the three-area interconnected power grid with wind power as an example, the simulation analysis of the measured data in a certain regional power grid showed that the established cloud PI controller can better track the fluctuations of the wind output power and has strong anti-interference. The method proposed not only satisfies the requirements of the frequency modulation for wind power connected to the grid, but also has better control effect than traditional PI controller.

wind power connected to grid; load frequency; control; cloud model; uncertainty

10.12096/j.2096-4528.pgt.19058

2019-04-02。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577065)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51577065).

(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))