摘要：隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，新能源接入比例不斷提高，為保證送端大電網(wǎng)的穩(wěn)定，大電網(wǎng)要求各新能源場站能夠迅速調(diào)節(jié)全站功率輸出。由于新能源設(shè)備的響應(yīng)特征差異較大，可能存在響應(yīng)滯后、調(diào)節(jié)速度限幅等問題，傳統(tǒng)PID算法難以獲得穩(wěn)定高效的調(diào)節(jié)效果。本文為解決上述問題，使用前饋、動態(tài)積分參數(shù)、不完全微分等方式改進(jìn)PID算法，使用遺傳算法整定調(diào)節(jié)參數(shù)，優(yōu)化PID控制器對不同設(shè)備的調(diào)控能力，加快新能源場站輸出功率的調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，提高電能質(zhì)量和供電可靠性。

關(guān)鍵詞：PID算法;動態(tài)積分參數(shù);功率控制;新能源發(fā)電

最近十五年以來，隨著世界各國常規(guī)化石能源供應(yīng)不確定性問題和節(jié)能減排形勢的日益嚴(yán)峻，綠色可再生能源和環(huán)保型低碳經(jīng)濟越來越受到重視。隨著市場需求和技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電、光伏等裝機容量也迅速增大。尤其最近十年，中國光伏和風(fēng)電裝機容量的增長極為迅速，并已于2010年年底超越美國成為全球風(fēng)電裝機容量第一的國家，于2016年超越德國成為光伏發(fā)電量世界第一的國家。我國各個地區(qū)新能源裝機量都有大幅度增加，尤其是西北地區(qū)，新能源裝機總量已經(jīng)超過35%，新能源滲透率不斷升高，擠占了常規(guī)水電、火電等具備轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)能源[1]。因風(fēng)電、光伏不具備快速頻率響應(yīng)能力，電網(wǎng)頻率控制特性的結(jié)構(gòu)性問題也愈發(fā)明顯。

為解決上述問題，西北、華中、南網(wǎng)等各個區(qū)域電網(wǎng)，陸續(xù)推行新能源場站快速頻率響應(yīng)功能的應(yīng)用工作。目前對新能源場站的要求為利用有功控制系統(tǒng)或其他裝置來實現(xiàn)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)（一次調(diào)頻）功能，功率于頻率的關(guān)系滿足頻率-功率下垂特性曲線。

本文從改善傳統(tǒng)PID控制功率控制的穩(wěn)定性出發(fā)，考慮實際新能源設(shè)備的響應(yīng)特性，對PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)新能源場站輸出功率的快速穩(wěn)定控制。

一、新能源場站的功率控制

（一）新能源設(shè)備的響應(yīng)特性

各個新能源設(shè)備廠家的設(shè)備響應(yīng)特性有所差異，對于全站功率控制而言，一般可將設(shè)備簡化為帶少量純滯后的一階線性模型。也有部分廠家會使用斜率控制模式，限制設(shè)備的調(diào)節(jié)速率，使其簡化模型帶有一個升功率的斜率限幅?？紤]網(wǎng)損、設(shè)備輸出偏差等因素，下發(fā)給新能源設(shè)備的輸出功率設(shè)定值和新能源場站的輸出功率實際值之間一般存在一定的偏差，因此一般構(gòu)建反饋回路對輸出功率進(jìn)行調(diào)整，以確保場站能夠達(dá)到設(shè)定的輸出功率。

除設(shè)備自身的響應(yīng)特性外，新能源設(shè)備極易受到自然環(huán)境的影響，如風(fēng)機遇到風(fēng)速、風(fēng)向改變導(dǎo)致輸出功率變化，光伏逆變器因云層飄過導(dǎo)致光照不均衡，或因被被濃密的云層遮擋導(dǎo)致無法發(fā)電。這些環(huán)境因素不確定性高，改變迅速，且較難預(yù)測。由于環(huán)境因素的改變，設(shè)備的發(fā)電能力可能產(chǎn)生連續(xù)、隨機的快速變化，這類變化需要控制算法具備靈活高效的抗擾動能力。同時光照等因素的改變可能只影響部分設(shè)備，為確保系統(tǒng)能夠充分利用其他未受影響的設(shè)備，要求控制算法能夠有一套合理的均衡分配策略。

（二）新能源場站能量管理系統(tǒng)

新能源場站一般使用能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)全站的功率計算、分配及設(shè)備管理。對于并網(wǎng)的新能源場站，能量管理系統(tǒng)一般獲取調(diào)度的AGC有功功率指令，以AGC有功功率指令為基準(zhǔn)，根據(jù)新能源場站并網(wǎng)點實時頻率及下垂功率曲線計算頻率偏差，并將目標(biāo)功率值進(jìn)行合理分配，下發(fā)到各個發(fā)電設(shè)備中，并通過并網(wǎng)點有功功率進(jìn)行反饋閉環(huán)控制，以實現(xiàn)并網(wǎng)點功率的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制，常用控制算法為PID算法。

功率分配是將設(shè)定的全站輸出功率的目標(biāo)值，按照一定的分配策略，下發(fā)至各個發(fā)電設(shè)備中，由設(shè)備進(jìn)行有功功率的實際輸出。功率的分配一般考慮采用按照相似裕度分配、等比例分配、均衡分配等多種分配策略，也可根據(jù)設(shè)備可調(diào)節(jié)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)系統(tǒng)升功率時，將系統(tǒng)的目標(biāo)功率，按照各個設(shè)備的當(dāng)前輸出功率的比例，劃分給各個設(shè)備;監(jiān)測各個設(shè)備的運行狀態(tài)，如果設(shè)備能達(dá)到設(shè)定值，可視為仍有調(diào)節(jié)裕度，若未能達(dá)到設(shè)定值，可視為裕度不足。根據(jù)調(diào)節(jié)裕度對功率進(jìn)行二次分配，可以充分利用所有發(fā)電設(shè)備，將目標(biāo)功率準(zhǔn)確輸出到區(qū)域大電網(wǎng)。

二、功率控制PID算法

（一）傳統(tǒng)PID算法

PID控制算法是目前工業(yè)領(lǐng)域使用最多的控制算法，該算法根據(jù)目標(biāo)值和實際值偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行調(diào)節(jié)量的計算[2]，算法原理和實現(xiàn)簡單，參數(shù)整定方便，并有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，適合各類難以獲得精確模型的工業(yè)控制過程。其中，比例調(diào)節(jié)作用主要用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，積分調(diào)節(jié)作用主要用于消除目標(biāo)值與實際值的靜態(tài)誤差，微分調(diào)節(jié)作用主要用于應(yīng)對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)對偏差變化量的處理能力，優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（二）前饋-反饋PID算法

對于新能源風(fēng)電場站和光伏場站，系統(tǒng)的主要輸出為場站的輸出功率，場站的能量管理系統(tǒng)一般可選用PID控制算法調(diào)節(jié)新能源場站的輸出功率。考慮PID是一種反饋調(diào)節(jié)，使用實際值與設(shè)定值之間的偏差作為調(diào)節(jié)變化量的輸入，系統(tǒng)只有在檢測到偏差之后才會調(diào)節(jié)功率的設(shè)置和輸出。當(dāng)調(diào)度下發(fā)新的輸出功率時，系統(tǒng)首先修改目標(biāo)功率值，檢測到目標(biāo)功率與并網(wǎng)點實際測量功率存在較大偏差，根據(jù)偏差使用PID算法調(diào)節(jié)功率輸出量。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速率，為PID算法增加前饋控制，形成前饋-反饋PID控制。前饋控制可以有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但調(diào)節(jié)精度一般不高，比較適合系統(tǒng)的“粗調(diào)”，前饋控制調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)輸出的設(shè)定值與實際值之間的偏差一般會減少到一個較小范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)所需的時間和調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性均優(yōu)于直接使用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（三）動態(tài)積分參數(shù)

對于新能源場站，尤其是部分存在調(diào)節(jié)限幅、響應(yīng)滯后等問題的場站，使用傳統(tǒng)PID算法或前饋-反饋PID算法，一般會有第一個波峰超調(diào)較大的問題，除去比例參數(shù)設(shè)置不合理之外，主要問題是積分項在調(diào)節(jié)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)點之前，積累了較大的調(diào)節(jié)量，導(dǎo)致積分飽和。

為解決此問題，一般考慮采用積分限幅、積分分離等方式[3]，積分限幅的基本方法為：當(dāng)積分值累計達(dá)到限幅值后，對積分值進(jìn)行限制，以確保積分值不會超出限幅值;積分分離的基本方法為：當(dāng)目標(biāo)與實際值的偏差超出設(shè)定范圍時，不進(jìn)行積分值的累加操作。上述兩種方法可以解決積分飽和問題，但當(dāng)功率偏差一直超出設(shè)定范圍等情況下，由于積分不再起作用，可能導(dǎo)致偏差始終過大、無法有效調(diào)節(jié)等問題。

為解決該問題，本文采用動態(tài)積分參數(shù)進(jìn)行PID控制算法的優(yōu)化，可保持原有PID的穩(wěn)定性和魯棒性，也能夠有效解決積分飽和等問題，同時可以優(yōu)化PID調(diào)節(jié)的第一個波峰的超調(diào)量。當(dāng)新能源場站從調(diào)度獲取一個新的輸出功率目標(biāo)值時，系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，此時期望起主要調(diào)節(jié)作用的是前饋調(diào)節(jié)和PID比例、微分調(diào)節(jié)，因此削弱積分作用，將積分的參數(shù)設(shè)置為較小值;隨著調(diào)節(jié)過程不斷推進(jìn)，前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定，此時期望起主要調(diào)節(jié)而作用的分量由前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為PID積分調(diào)節(jié)，因此在調(diào)節(jié)過程中不斷恢復(fù)積分的參數(shù)，在前饋調(diào)節(jié)和PID比例調(diào)節(jié)完全作用后，積分的參數(shù)也恢復(fù)為初值，具備完整的積分調(diào)節(jié)能力。

（四）不完全微分及微分先行

PID算法中的微分可以用來提高系統(tǒng)動態(tài)特性。微分作用根據(jù)偏差的變化速率，提供一個超前的調(diào)節(jié)效果，可以提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，同時具備減少超調(diào)量、削弱震蕩等功能。但如果系統(tǒng)存在高頻變化，或突變等情況，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性會有所降低。對于新能源場站這類系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量受限于自然界的風(fēng)光資源，本身具有較強的不確定性，可能產(chǎn)生一些隨機的波動，微分作用對此類波動較為敏感，會產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)量，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為解決該問題，一般可以使用不完全微分控制。不完全微分是在微分作用后引入一個一階慣性環(huán)節(jié)，讓本會突然變化的微分調(diào)節(jié)量，分成多個控制周期，以一種較為平緩的方式輸出。使用不完全微分，可以在不減小微分作用總調(diào)節(jié)量的前提下，降低因為偏差突變產(chǎn)生的波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

新能源場站的有功功率設(shè)定值會根據(jù)調(diào)度AGC有功功率指令頻繁變化，且變化值可能較大。如直接使用微分控制，在每次功率設(shè)定值變化時，易產(chǎn)生較大的微分作用。微分先行是使微分作用僅對測量值產(chǎn)生的偏差起作用，不對設(shè)定值起作用，使用微分先行可以避免因設(shè)定值的變化而產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)波動，讓微分作用專注于解決因自然風(fēng)光資源變化產(chǎn)生的功率波動。

（五）參數(shù)整定

PID算法比例、積分、微分參數(shù)的設(shè)置會直接影響算法的控制效果，傳統(tǒng)的參數(shù)整定方法包括：臨界比例法（Z-N法）、衰減曲線法等。除傳統(tǒng)方法外，也可使用隨機搜索算法進(jìn)行參數(shù)整定，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等人工智能算法。

通過遺傳算法進(jìn)行參數(shù)整定的PID算法，調(diào)節(jié)曲線與常規(guī)PID曲線相比，一般調(diào)節(jié)初期的波峰更小，調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)，抗干擾能力更強。為確保系統(tǒng)綜合工況的穩(wěn)定性，對此類參數(shù)整定的PID算法，應(yīng)當(dāng)做更為充分的測試，以確保算法的可靠性。

三、結(jié)語

本文討論了新能源場站的功率控制PID算法的多種優(yōu)化途徑和優(yōu)化效果。其中，增加前饋功能可提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性;使用動態(tài)積分參數(shù)可減小系統(tǒng)超調(diào)量，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)，適合新能源發(fā)電等對平穩(wěn)性要求高的場景;不完全微分及微分先行能夠避免系統(tǒng)調(diào)節(jié)量因目標(biāo)值變化而產(chǎn)生突變，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。同時使用遺傳算法整定PID控制參數(shù)，綜合優(yōu)化算法的控制效果。使用上述優(yōu)化方案，可提高新能源場站輸出功率控制的快速性和穩(wěn)定性，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫驍強，高敏，劉鑫，等.風(fēng)電場參與西北送端大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的快速頻率響應(yīng)能力實測與分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2018（1）：48-54.

[2]劉漢程.PID控制算法的研究[J].城市建設(shè)理論研究，2014，000（015）：1-5.

[3]萬冰.船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中PID算法的應(yīng)用與探究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2015，25，221（09）：178-181.

作者簡介：周岳（1991— ），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制、新能源發(fā)電。