吳偉剛

（中電建新能源集團(tuán)股份有限公司西南分公司，四川 成都 610000）

隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識的增強(qiáng)，作為一種重要的可再生能源發(fā)電形式，光伏電站在能源領(lǐng)域中具有越來越重要的作用。光伏電站的發(fā)電方式主要依賴光照強(qiáng)度，而天氣等因素的影響會使其輸出功率存在一定的波動性，進(jìn)而出現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)偏差問題。其相關(guān)研究眾多。李振坤等（2023）研究了基于時間卷積網(wǎng)絡(luò)和誤差函數(shù)的光伏電站有功功率優(yōu)化分配[1]。盛師賢等（2022）研究了虛擬同步風(fēng)電場協(xié)同光伏電站附加阻尼控制方法[2]。朱慧敏等（2023）研究了含儲能環(huán)節(jié)的光伏電站虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略[3]。段正陽等（2020）研究了使適應(yīng)電網(wǎng)側(cè)自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）不同控制模式的光伏發(fā)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)[4]。唐一銘等（2019）研究了大型并網(wǎng)光伏電站有功功率控制策略與試驗(yàn)分析[5]。奚鑫澤等（2018）研究了大型光伏電站直流升壓匯集接入系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真[6]。馬立凡等（2018）研究了光伏電站多逆變器有功功率協(xié)調(diào)分配策略[7]。吳雙惠等（2015）研究了基于組播的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)在光伏電站的應(yīng)用[8]。湯海寧等（2015）研究了光伏電站并網(wǎng)有功功率控制策略的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[9]。

1 基于頻差預(yù)期的控制

1.1 控制目標(biāo)

該文提出了一種基于頻差預(yù)期的控制思想，旨在實(shí)現(xiàn)頻差控制時段的容量性能標(biāo)準(zhǔn)1（Capacity Performance Standard1，CPS1）指標(biāo)大于200%的目標(biāo)。CPS1指標(biāo)是中國電力系統(tǒng)中用于評價和考核自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）性能的指標(biāo)。

基于上述控制目標(biāo)，該文提出了一種具體的控制思想。當(dāng)電力系統(tǒng)中的頻差預(yù)期準(zhǔn)確時，可以通過控制自動發(fā)電控制系統(tǒng)，使區(qū)域控制誤差（Area Control Error，ACE）的符號與頻差預(yù)期的符號相反。因此在被控制的時段內(nèi)，CPS1指標(biāo)可達(dá)200%以上，從而滿足控制目標(biāo)。而當(dāng)頻差預(yù)期失效時，可以調(diào)節(jié)ACE的數(shù)值，以保證該時段的CPS1指標(biāo)仍然維持在100%以上，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種靈活的控制策略可以滿足不同情況下的電力系統(tǒng)運(yùn)行要求，提高控制的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，該文將CPS1評價與考核的目標(biāo)值轉(zhuǎn)化為ACE的控制目標(biāo)。

1.2 頻差預(yù)期準(zhǔn)確

ACE與頻差數(shù)值是相關(guān)時間序列，具體來說，ACE的時間序列是一個含有多個時刻的列表，用大括號表示，例如ACE序列有{ACE1（t0），ACE1（t1），ACE1（t2），...，ACE1（tn）}。其中，ACE1（t0）表示初始時刻的區(qū)域控制誤差數(shù)值；ACE1（t1）表示第一個時刻的區(qū)域控制誤差數(shù)值。以此次類推，ACE1（tn）表示第n個時刻的區(qū)域控制誤差數(shù)值。

同樣地，頻差的時間序列也是一個含有多個時刻的列表，用大括號表示，例如頻差序列有{Af（t0），Af（t1），Af（t2），...，Af（tn）}。其中，Af（t0）表示初始時刻的頻差數(shù)值，Af（t1）表示第一個時刻的頻差數(shù)值。以此類推，Af（tn）表示第n個時刻的頻差數(shù)值。

這2個時間序列是相關(guān)的，因?yàn)樗鼈兠枋隽穗娏ο到y(tǒng)在不同時刻的運(yùn)行狀態(tài)。ACE代表系統(tǒng)的實(shí)際功率與計劃功率間的差異，反映了系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)狀況。而頻差表示系統(tǒng)的實(shí)際頻率與額定頻率間的偏差，反映了系統(tǒng)頻率的變化情況。

當(dāng)頻差預(yù)期準(zhǔn)確時，ACE的控制目標(biāo)是要使CPS1指標(biāo)達(dá)到200%以上。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要確保ACE與頻率偏差在整個時段內(nèi)的符號相反，也就是說，ACE與頻差的乘積在平均時段內(nèi)的均值小于等于零，如公式（1）所示。

式中：ACE為區(qū)域控制誤差，表示系統(tǒng)實(shí)際功率與計劃功率間的差異；為ACE與頻率偏差預(yù)期值的差異；Δf1為頻率偏差預(yù)期值，表示預(yù)期的頻率偏差；為ACE與頻率偏差預(yù)期值的乘積，即ACE與頻率偏差的乘積；ε12代表一個小的正數(shù)，表示控制目標(biāo)的誤差容忍度。

公式（1）含義是希望ACE與頻率偏差的乘積在整個時段內(nèi)的均值小于等于一個很小的正數(shù)ε2。表明當(dāng)頻差預(yù)期準(zhǔn)確時，ACE與頻差的乘積應(yīng)該在一個接近零的范圍內(nèi)波動，以實(shí)現(xiàn)CPS1指標(biāo)大于200%的目標(biāo)。因此需要AVG[ACE·Afi]≤0。

1.3 頻差預(yù)期失效

當(dāng)頻差預(yù)期失效時，ACE的控制目標(biāo)是要保證CPS1指標(biāo)達(dá)到100%以上。在該情況下，由于頻差預(yù)期失效，ACE與頻率偏差的符號變?yōu)橥颍虼薈PS1指標(biāo)大于200%已不可能實(shí)現(xiàn)。為此，該文通過控制ACE的波動來保證CPS1指標(biāo)維持在100%以上，同時也要確保ACE的絕對值不過大。因此即需要公式（2）。

式中：ACE為區(qū)域控制誤差，表示系統(tǒng)實(shí)際功率與計劃功率間的差異；Δf為頻率偏差，表示實(shí)際頻率與額定頻率間的偏差；AVG[ACE·Δf]為ACE與頻率偏差的乘積在整個時段內(nèi)的均值。-10Be2是一個負(fù)數(shù)常數(shù)，表示控制目標(biāo)的誤差容忍度。

不等式AVG[ACE·Δf]≤-10Be2的含義是希望ACE與頻率偏差的乘積在整個時段內(nèi)的均值小于等于一個負(fù)數(shù)-10Be2。表明在頻差預(yù)期失效時，需要控制ACE與頻率偏差的乘積，使其維持在一個小的負(fù)數(shù)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)CPS1指標(biāo)大于100%的目標(biāo)，并避免ACE波動過大。

綜上所述，通過公式（4）和公式（5），該文在頻差預(yù)期準(zhǔn)確和失效的情況下分別實(shí)現(xiàn)了ACE的控制目標(biāo)，以滿足相應(yīng)的CPS1指標(biāo)要求，并保證控制的穩(wěn)定性。

1.4 長期指標(biāo)

雖然國內(nèi)對電力系統(tǒng)的CPS1指標(biāo)通常進(jìn)行短時段考核，但是僅根據(jù)短期指標(biāo)來制定AGC的控制目標(biāo)是不夠的。實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)有的控制策略無法保證短期（如10min）內(nèi)的CPS1指標(biāo)完全合格。為了提高AGC的調(diào)節(jié)效率，應(yīng)該設(shè)立更長周期的控制目標(biāo)，使控制目標(biāo)的波動周期與AGC的調(diào)節(jié)能力更匹配，并能更好地跟蹤目標(biāo)。

因此，該文將24h的長時段CPS1滾動平均值作為控制目標(biāo)，原因是平均時間較長，指標(biāo)變化較平穩(wěn)，更容易直觀地進(jìn)行控制。當(dāng)前CPS1指標(biāo)值與長期CPS1目標(biāo)的差值代表當(dāng)前控制的緊急程度。如果差值較小甚至為負(fù)值，表示當(dāng)前控制未滿足目標(biāo)要求，需要加大控制力度。反之，如果差值較大，說明當(dāng)前控制已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)，此時可以考慮降低控制力度，以保證調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性。

為了反映AGC機(jī)組的控制力度，該文根據(jù)對未來頻率偏差符號的預(yù)期長度，提出了控制松弛度的概念。控制松弛度的值越小，表示AGC所跟蹤目標(biāo)的周期越短，機(jī)組的調(diào)節(jié)越頻繁。但同時也要將控制松弛度限定在一定范圍內(nèi)，過小可能導(dǎo)致AGC機(jī)組無法跟蹤目標(biāo)，甚至引起反調(diào)，過大則不能充分利用AGC的調(diào)節(jié)能力，無法保證完成指標(biāo)要求。根據(jù)一般機(jī)組的調(diào)節(jié)特性、調(diào)節(jié)的有效性以及與超短期負(fù)荷預(yù)測時段的匹配，推薦將AGC跟蹤的目標(biāo)周期設(shè)置為15min～60min，以適應(yīng)不同區(qū)域自身的發(fā)電負(fù)荷特性。這一指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換函數(shù)

2 仿真模擬

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文仿真模擬研究采用基于頻差預(yù)期的AGC控制方法，旨在探究其在實(shí)際電力系統(tǒng)中的表現(xiàn)。該文選擇了10個24h的仿真樣本，樣本中的電力系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)包括頻差歷史數(shù)據(jù)和發(fā)電計劃功率數(shù)據(jù)。在仿真前，該文對數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，以確保其準(zhǔn)確性和完整性。

2.2 調(diào)節(jié)次數(shù)的比較

該文整理了歷次仿真中的調(diào)節(jié)次數(shù)，如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)次數(shù)的比較

根據(jù)圖2可知，不同仿真結(jié)果中的調(diào)節(jié)次數(shù)總量相對有限，在24h的較長周期內(nèi)可以控制較低水平的仿真次數(shù)且波動相對較小。該結(jié)果能夠驗(yàn)證現(xiàn)有控制方法的有效性，表明其具有實(shí)踐應(yīng)用價值。

2.3 CPS1指標(biāo)的表現(xiàn)

整理歷次仿真中CPS1數(shù)據(jù)的平均值如圖3所示。根據(jù)圖3可知，不同仿真結(jié)果中的CPS1數(shù)據(jù)波動較顯著，其數(shù)據(jù)波動在不同仿真結(jié)果中的分布與機(jī)組調(diào)節(jié)次數(shù)關(guān)聯(lián)性較弱，整體數(shù)據(jù)波動普遍略高于100%的指標(biāo)。因此該文進(jìn)一步細(xì)分了CPS1指標(biāo)的分組情況。

圖3 CPS1指標(biāo)的表現(xiàn)

2.4 CPS1指標(biāo)分組

CPS1指標(biāo)分組結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，歷次分組結(jié)果中CPS1的指標(biāo)分組結(jié)果分布相對均衡，在1200個CPS1考核點(diǎn)中，約25%結(jié)果有高于200%的較好表現(xiàn)，而低于200%的結(jié)果波動仍相對較小，整體而言能夠驗(yàn)證分析方法的有效性。

圖4 CPS1指標(biāo)分組

3 結(jié)論

基于頻差預(yù)期的控制思想，該文成功實(shí)現(xiàn)了頻差控制時段的CPS1指標(biāo)大于200%的目標(biāo)。該控制思想將CPS1評價與考核的目標(biāo)值轉(zhuǎn)化為ACE的控制目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)ACE與頻率偏差的乘積，使其在整個時段內(nèi)的均值小于等于零，從而使CPS1指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

頻差預(yù)期失效的應(yīng)對措施：當(dāng)頻差預(yù)期失效時，該文通過控制ACE的波動來保證CPS1指標(biāo)維持在100%以上。在這種情況下，由于頻差預(yù)期失效，ACE與頻率偏差的符號變?yōu)橥颍虼薈PS1指標(biāo)大于200%的目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。該文通過控制ACE與頻率偏差乘積在整個時段內(nèi)的均值小于一個負(fù)數(shù)閾值，有效保證了CPS1指標(biāo)在100%以上，同時避免了ACE波動過大。

長期指標(biāo)的應(yīng)用價值：在實(shí)際電力系統(tǒng)中，該文發(fā)現(xiàn)僅根據(jù)短時段的CPS1指標(biāo)進(jìn)行考核是不夠的。通過設(shè)立長期CPS1目標(biāo)和控制松弛度的映射函數(shù)，可以更好地匹配控制目標(biāo)的波動周期與AGC的調(diào)節(jié)能力，提高AGC的調(diào)節(jié)效率。