大規(guī)模風電并網(wǎng)條件下AGC機組跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制

張　磊　羅　毅　肖雅元　葉　婧　王　罡

(1.華中科技大學電氣與電子工程學院　武漢　430074 2.武漢大學電氣工程學院　武漢　430074 3.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院　天津　300000)

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大規(guī)模風電并網(wǎng)條件下AGC機組跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制

張磊1羅毅1肖雅元1葉婧2王罡3

(1.華中科技大學電氣與電子工程學院武漢430074 2.武漢大學電氣工程學院武漢430074 3.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院天津300000)

摘要我國風電資源主要集中在西部和北部，外送是解決風電消納問題的有效手段。但隨著風電滲透率的增加，其不確定性帶來的風電功率波動造成部分區(qū)域或省份的自動發(fā)電控制(AGC)出現(xiàn)了較為嚴重的調(diào)節(jié)資源不足及控制問題。為解決這一問題，利用分布在全網(wǎng)的AGC機組實現(xiàn)跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制。引入?yún)f(xié)調(diào)因子建立AGC最優(yōu)協(xié)調(diào)控制模型，采用原始對偶梯度算法對該模型進行變換，并利用線性變換得到基于協(xié)調(diào)因子的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器。仿真算例表明，隨著風電滲透率增加，各區(qū)AGC機組能協(xié)調(diào)地進行頻率控制，有效平衡風電不確定性引起的功率不平衡量。

關(guān)鍵詞：分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制大規(guī)模風電并網(wǎng)自動發(fā)電控制頻率控制

0引言

我國風電資源主要集中在西部和北部。將西部和北部的大規(guī)模風電采用特高壓或超高壓交流或直流輸送到負荷集中的中部、東部和南部地區(qū)是我國能源利用的趨勢。由于風電功率存在固有的波動特性[1]，大規(guī)模風電并網(wǎng)后需要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)電源平抑風電功率波動，以確保電網(wǎng)頻率在允許范圍內(nèi)。按照我國目前各省采用聯(lián)絡(luò)線功率頻率偏差控制(TBC)方式來分省平衡省內(nèi)功率缺額的方法，風電滲透率越高的省份所需的調(diào)節(jié)容量越大，部分區(qū)域或省份必然會出現(xiàn)嚴重的調(diào)節(jié)能力不足問題。根據(jù)我國調(diào)節(jié)資源分布情況，有一些調(diào)節(jié)能力不足區(qū)域或省份不具備建設(shè)調(diào)節(jié)電源的條件，或建設(shè)調(diào)節(jié)電源非常不經(jīng)濟。而一些區(qū)域或省份(如西南地區(qū))則可建設(shè)大容量的調(diào)節(jié)電源?？梢姡笠?guī)模風電并網(wǎng)后若僅采用省調(diào)自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)機組分省平衡方式進行調(diào)節(jié)將失去意義，研究大規(guī)模風電并網(wǎng)后如何實現(xiàn)頻率調(diào)整是一個全新的課題。

目前國內(nèi)外學者進行了一些相關(guān)的研究工作。文獻[2-5]利用儲能資源快速響應(yīng)的特點，提出了采用儲能資源參與AGC調(diào)頻的各種控制策略。但該方法需要建設(shè)儲能裝置，僅能應(yīng)用于風電滲透率較小的情況，且儲能裝置還需面臨頻繁調(diào)節(jié)的問題。文獻[6]研究了高風電滲透背景下高峰時段面臨的問題，提出了非AGC機組與AGC機組高峰協(xié)調(diào)控制策略。文獻[7]采用分布式增量一致算法，構(gòu)建了分鐘級時間尺度下的風電場與AGC機組分布式協(xié)同實時控制模型。文獻[8]利用最優(yōu)控制實現(xiàn)了負荷側(cè)對一次調(diào)頻的控制。以上文獻考慮在引入新的頻率調(diào)節(jié)資源(儲能、非AGC、風電、負荷側(cè))以期彌補省內(nèi)調(diào)節(jié)資源不足的情況。另一方面，部分學者利用全網(wǎng)發(fā)電資源(包括非AGC機組、AGC機組以及負荷側(cè))和超短期風電功率預(yù)測值，通過經(jīng)濟調(diào)度[9，10]調(diào)節(jié)發(fā)電機組的基點功率來抑制風電功率波動。文獻[11]采用鞍點設(shè)計法(SDA)實現(xiàn)實時的經(jīng)濟調(diào)度，本質(zhì)上是從經(jīng)濟調(diào)度的角度對發(fā)電機組(包括AGC機組)的基點功率進行實時調(diào)節(jié)來實現(xiàn)頻率控制。但是在實時調(diào)度時間尺度上調(diào)節(jié)任務(wù)主要是由AGC機組來承擔，實時經(jīng)濟調(diào)度僅能提高和優(yōu)化AGC機組的調(diào)節(jié)能力。利用全網(wǎng)發(fā)電資源通過經(jīng)濟調(diào)度來抑制風電功率波動不能從根本上解決本文提出的調(diào)節(jié)能力不足帶來的問題。

可見，在風電大規(guī)模外送時，AGC作為智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的必備手段之一[12]，應(yīng)通過調(diào)整面向常規(guī)機組的控制模式和分省平衡控制方式來滿足新能源接入后實時控制的需要，改進原有區(qū)域控制思想，在更廣泛區(qū)域范圍內(nèi)進行協(xié)調(diào)控制，解決風電功率波動對電網(wǎng)帶來的影響。

本文考慮區(qū)域或省間調(diào)節(jié)容量的相互支援，引入?yún)f(xié)調(diào)因子來構(gòu)建基于全網(wǎng)AGC機組的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制數(shù)學模型。采用對偶思想及線性變換方法對最優(yōu)協(xié)調(diào)控制模型進行轉(zhuǎn)換，結(jié)合現(xiàn)有電網(wǎng)AGC控制動態(tài)方程獲得了基于協(xié)調(diào)因子的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器。并通過三區(qū)域仿真模型，對本文提出的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制進行了驗證。同時采用某地區(qū)2013年典型時段凈負荷波動(負荷波動與風電功率波動的差值)數(shù)據(jù)進行仿真，結(jié)果表明在風電高滲透率條件下，相比于傳統(tǒng)AGC控制，本文采用分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制能有效地應(yīng)對風電不確定性帶來的功率波動造成的影響。

1全網(wǎng)AGC機組最優(yōu)協(xié)調(diào)控制數(shù)學模型

風電外送過程中需對外送電量及備用決策進行一定調(diào)整[13]。外送通道不僅要外送電量還需承擔送端地區(qū)的備用需求，該備用需求為AGC機組跨區(qū)協(xié)調(diào)控制提供了先決條件。如圖1所示，本文采用全網(wǎng)AGC機組來跨區(qū)平衡風電波動。

圖1　全網(wǎng)AGC機組跨區(qū)協(xié)調(diào)控制原理圖Fig.1　The schematic of AGC unit trans-regional coordination control

當A區(qū)大規(guī)模風電波動時，傳統(tǒng)AGC控制模式僅由A區(qū)的AGC機組參與。

為了利用全網(wǎng)AGC機組同時協(xié)調(diào)參與控制以平衡風電波動，需要構(gòu)建全網(wǎng)AGC機組協(xié)調(diào)控制模型。為此，首先分析在面對風電波動時各區(qū)AGC機組的動態(tài)控制過程及其穩(wěn)態(tài)特性。研究AGC控制時通常采用平均系統(tǒng)頻率模型(ASF)[14]，在互聯(lián)系統(tǒng)中該模型主要包括以下幾個動態(tài)環(huán)節(jié)。

1)發(fā)電機負荷動態(tài)方程[15]

(1)

(2)

2)聯(lián)絡(luò)線動態(tài)方程[15]

(3)

3)原動機及調(diào)速器動態(tài)方程

為簡化分析，本文采用一階慣性環(huán)節(jié)來表征原動機和調(diào)速器特性[16]，如式(4)所示。

(4)

4)AGC控制動態(tài)方程[16]

以常用的積分環(huán)節(jié)AGC控制為例，可得

(5)

式(1)～式(5)為進行AGC控制的動態(tài)方程，采用ASF模型進行分省模式下的仿真可得各變量的穩(wěn)態(tài)解。

Ν區(qū)域

(6)

Ω區(qū)域

(7)

式(7)表明，在分省協(xié)調(diào)控制模式下風電受端區(qū)域無法參與風電功率波動控制。

文獻[17]提出的協(xié)調(diào)因子表示省內(nèi)各AGC機組參與二次調(diào)頻的份額。本文提出廣域協(xié)調(diào)因子(簡稱協(xié)調(diào)因子γ)的概念，表征各區(qū)參與全網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的份額，并構(gòu)造了全網(wǎng)AGC機組跨區(qū)最優(yōu)協(xié)調(diào)控制數(shù)學模型為

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2基于協(xié)調(diào)因子的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器

2.1基于對偶思想的最優(yōu)控制分析

為實現(xiàn)式(8)～式(12)所示模型的控制，由文獻[16]，本文從該最優(yōu)問題的對偶問題入手構(gòu)造基于協(xié)調(diào)因子的最優(yōu)控制器。引入拉格朗日乘子λi∈RΝ×1、 λj∈RΩ×1、 μi∈RΝ×1、 μj∈RΩ×1。

式(8)～式(12)可改寫為

(13)

式中，i∈Ν； j∈Ω。

對式(13)采用原始對偶梯度算法[16]可得

Δfi=λi

(14)

式中，i∈Ν∪Ω。

(15)

式中，i, j∈Ν∪Ω。

(16)

式中，i, j∈Ν∪Ω。

(17)

式中，j∈Ν∪Ω。

(18)

式中，i∈Ν。

(19)

式中，j∈Ω。

(20)

式中，i∈Ν。

(21)

式中，j∈Ω。

εγij、 εPij、 εPj、 ελi、 ελj、 εμi、 εμj均為正的步長。對比式(17)～式(21)和式(1)～式(5)，原始對偶梯度算法的對偶變量與頻率控制中的狀態(tài)變量有較為密切的聯(lián)系，因此，對變量進行線性變換(λ, μ)→(Δf,ΔPC)，可得如式(22)所示關(guān)系。

(22)

將式(22)帶入式(14)～式(21)求解可得

(23)

令

(24)

將式(14)及式(22)～式(24)帶入式(15)～式(21)可得

(25)

式中，i∈Ν。

(26)

式中，j∈Ω。

(27)

式中，i, j∈Ν∪Ω。

(28)

式中，j∈Ν∪Ω。

(29)

式中，i∈Ν。

(30)

式中，j∈Ω。

(31)

式中，i, j∈Ν∪Ω。

式(25)～式(28)與傳統(tǒng)AGC控制的動態(tài)方程式(1)～式(4)一致。求解式(25)～式(31)可得式(8)～式(12)的最優(yōu)解。即根據(jù)式(29)～式(31)可實現(xiàn)基于協(xié)調(diào)因子的AGC機組跨區(qū)最優(yōu)協(xié)調(diào)控制。

2.2分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)

(32)

圖2　AGC機組跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器Fig.2　AGC unit’s trans-regional and distributed optimal coordination controller

式中，εμi、 εμj為式(23)所示的常系數(shù)；εγij為決策因子，網(wǎng)調(diào)中心可根據(jù)電力系統(tǒng)運行的實際情況通過決策因子調(diào)節(jié)各區(qū)AGC機組的參與度。由式(32)可知協(xié)調(diào)因子Δγ僅需本控制區(qū)域的實時信息即可計算獲得。綜上，本文采用式(29)、式(30)和式(32)構(gòu)造了基于最優(yōu)協(xié)調(diào)特性的三區(qū)域分布式控制器。如圖2所示，各區(qū)計算本區(qū)的協(xié)調(diào)因子后，互相通信實現(xiàn)協(xié)調(diào)因子的互相交換。從物理角度，各區(qū)協(xié)調(diào)因子攜帶的是基于本區(qū)控制能力的功率可調(diào)節(jié)量信息，協(xié)調(diào)因子間相互通信實現(xiàn)各區(qū)調(diào)節(jié)量的相互協(xié)調(diào)和平衡。從控制角度，各區(qū)在協(xié)調(diào)因子的作用下實時修正ACE實現(xiàn)風電不平衡功率在全網(wǎng)中的協(xié)調(diào)分配，協(xié)調(diào)因子攜帶的是各區(qū)在平衡風電功率波動中的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)量信息。

3算例分析

在Matlab/Simulink中構(gòu)建如圖1所示的三區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)作為測試算例，并采用圖2所示設(shè)計跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器。該互聯(lián)系統(tǒng)總的最大負荷為5 200 MW，常規(guī)裝機4 500 MW。各區(qū)由3條聯(lián)絡(luò)線連接，其聯(lián)絡(luò)線電抗分別為xAB=0.059 6 (pu)、xAC=0.038 6 (pu)、xBC=0.029 4 (pu)，網(wǎng)調(diào)AGC機組參數(shù)及系統(tǒng)各區(qū)情況如附表1和附表2所示。假設(shè)A區(qū)風電基地滿發(fā)出力的概率很小，全年風電出力超過風電銘牌容量64%的概率不足5%。在本仿真系統(tǒng)中考慮傳輸通道對風電消納的促進作用，風場出力按照銘牌出力的75%考慮。此外預(yù)留20%的聯(lián)絡(luò)線備用需求。風電出力具有典型的反調(diào)峰特性，因此，風電出力占總體負荷的比重在28%～72%，風電預(yù)測誤差設(shè)為20%。

3.1不同風電滲透率下的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制

現(xiàn)考慮決策因子為1，風電滲透率在28%、50%及72%三種方案下的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制，其風電波動量分別為276 MW、332 MW、479 MW。采用階躍響應(yīng)作為風電波動輸入，其不同方案下的頻率偏差對比如圖3所示。在傳統(tǒng)AGC分省控制模式下，由于風電所在區(qū)域調(diào)節(jié)量不足，隨著風電滲透率的增加，頻率偏差越來越大。在AGC分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制下，即使風電滲透率增加到72%也能很好地保持頻率穩(wěn)定。

圖3　不同風電滲透率下頻率偏差Fig.3　Frequency deviation in different wind power penetration

圖4為不同風電滲透率下各區(qū)協(xié)調(diào)因子變化情況。風電所在區(qū)域的協(xié)調(diào)因子與風電受端協(xié)調(diào)因子具有相反的變化趨勢且各時刻協(xié)調(diào)因子之和為零。

圖4　不同風電滲透率下各區(qū)域協(xié)調(diào)因子變化Fig.4　All regions coordination factor in different wind power penetration

圖5為各區(qū)AGC機組出力變化情況。A區(qū)AGC機組在不同風電滲透率下都已達到極限出力變化；若按傳統(tǒng)方法進行控制，此時風電所在區(qū)域無法調(diào)節(jié)該風電波動下的功率不平衡。但采用協(xié)調(diào)控制后，B區(qū)和C區(qū)協(xié)調(diào)參與了A區(qū)風電功率的波動控制，使得風電功率波動在全網(wǎng)范圍內(nèi)得到了有效調(diào)節(jié)，對互聯(lián)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定起到了重要的支撐作用。

圖5　不同風滲透率下各區(qū)域AGC機組出力Fig.5　All regions AGC output in different wind power penetration

3.2不同決策變量下的出力費用對比

表1為不同風電滲透率下各區(qū)AGC機組的出力及調(diào)節(jié)費用。在不同風電滲透率下A區(qū)的出力和調(diào)節(jié)費用不變，B區(qū)和C區(qū)的調(diào)節(jié)費用隨著滲透率的增加而增大。但隨著風電滲透率增加，B區(qū)和C區(qū)調(diào)節(jié)費用的比值一直穩(wěn)定在0.86左右，沒有隨風電滲透率的增加而發(fā)生劇烈變化。

表1　不同方案的機組出力變化及調(diào)節(jié)費用

圖6為風電滲透率在50%時，不同決策因子條件下B區(qū)和C區(qū)調(diào)節(jié)費用的比值。

圖6　不同決策因子調(diào)節(jié)下B、C區(qū)調(diào)節(jié)費用比值Fig.6　B and C adjustment cost ratio in different decision factor

由圖6可知，隨著決策因子的增加，B區(qū)和C區(qū)的調(diào)節(jié)費用比值在不斷增加。以上分析表明，決策因子具有調(diào)節(jié)各風電受端區(qū)域調(diào)節(jié)費用的作用，網(wǎng)調(diào)中心可利用該特性合理調(diào)節(jié)決策因子，更經(jīng)濟地確定各協(xié)調(diào)區(qū)域AGC機組的頻率調(diào)節(jié)出力。

3.3某地區(qū)典型凈負荷波動下的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制

為驗證本文所提控制器在實際中的控制能力，選取某地區(qū)2013年某時段10 min凈負荷波動數(shù)據(jù)作為波動源，如圖7所示。

采用本文所提協(xié)調(diào)控制可得頻率偏差情況，如圖8所示。與傳統(tǒng)AGC控制方法相比，在風電功率波動期間，采用分布式協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)頻率偏差一直在0附近波動，且波動范圍一直保持在允許范圍之內(nèi)。傳統(tǒng)AGC控制的頻率一直在-0.004 (pu)附近波動。即在傳統(tǒng)控制模式下無法提供充足的調(diào)節(jié)量來平衡風電功率波動，使得頻率偏差超出允許的范圍，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了較為嚴重的影響。

圖7　某地區(qū)某時段凈負荷波動Fig.7　A period of net load fluctuations in a region

圖8　不同控制方式下頻率偏差Fig.8　Frequency deviation in different control modes

圖9為本文所提控制方式下凈負荷波動時各區(qū)AGC機組出力變化。圖10為本文所提控制方式下負荷波動時各區(qū)域AGC機組出力變化。

圖9　凈負荷波動下各區(qū)域AGC機組出力Fig.9　All regions AGC output in net load fluctuation

圖10　負荷波動下各區(qū)域AGC機組出力Fig.10　All regions AGC output in load fluctuations

由圖9可知，在協(xié)調(diào)過程中協(xié)調(diào)因子優(yōu)先協(xié)調(diào)風電波動區(qū)域AGC機組出力來調(diào)節(jié)風電波動，當風電波動區(qū)域出力達到極限時，協(xié)調(diào)因子加大協(xié)調(diào)區(qū)域的AGC機組出力。由圖10可知，風電所在區(qū)域負荷波動時，僅由本區(qū)域調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)因子的作用較小。協(xié)調(diào)因子所表現(xiàn)出的這種特性使分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制既能滿足傳統(tǒng)AGC控制下的頻率控制，又能在風電發(fā)生大規(guī)模波動時協(xié)調(diào)全網(wǎng)AGC機組進行跨區(qū)調(diào)節(jié)，具有較好的工程應(yīng)用前景。

4結(jié)論

本文從跨區(qū)協(xié)調(diào)控制的角度，利用全網(wǎng)AGC機組，引入?yún)f(xié)調(diào)因子實現(xiàn)了基于網(wǎng)調(diào)AGC機組的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制。采用仿真程序及實際波動數(shù)據(jù)對本文所提方法進行了驗證，所得結(jié)論如下：

1)提出了廣域協(xié)調(diào)因子的概念及利用全網(wǎng)范圍內(nèi)AGC機組實現(xiàn)跨區(qū)協(xié)調(diào)抑制風電功率波動的思想。

2)設(shè)計了一種可以實現(xiàn)跨區(qū)協(xié)調(diào)的分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制器。在更廣范圍內(nèi)研究了大規(guī)模風電并網(wǎng)情況下的AGC控制難題。

3)該分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制即能兼顧現(xiàn)有AGC控制模式，又能協(xié)調(diào)全網(wǎng)資源進行風電波動抑制。

4)本文未對省內(nèi)AGC機組間的功率分配問題進行討論，也未對網(wǎng)調(diào)AGC機組和省調(diào)AGC機組在波動情況下的協(xié)調(diào)配合問題進行討論。這將是跨區(qū)協(xié)調(diào)控制實際運用過程中需要深入研究的問題。

附　　錄

附表2　系統(tǒng)容量

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作者簡介

張磊男，1986年生，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制等。

E-mail：104602084@qq.com

羅毅男，1966年生，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制、電力系統(tǒng)安全運行監(jiān)控和配電自動化等。

E-mail：luoyee2007@163.com(通信作者)

Trans-Regional and Distributed Optimal Coordination Control of AGC Units Under Large-Scale Wind Power Grid

Zhang Lei1Luo Yi1Xiao Yayuan1Ye Jing2Wang Gang3

(1.School of Electrical and Electronic EngineeringHuazhong University of Science and Technology Wuhan430074China 2.School of Electrical EngineeringWuhan UniversityWuhan430074China 3.State Grid Tianjin Power Economics Research InstituteTianjin300000China)

AbstractWind power resources in China are mainly concentrated in the west and north.Large-scale wind power delivery is an effective way to solve the problem of wind power consumption.But with the increase of wind power penetration，the uncertainty caused by the power fluctuation enables that the automatic generation control (AGC) under some regions or provinces appears more serious problems，e.g.insufficient adjustable resources and control.To solve the problem，this paper uses the AGC units distributed in the whole network to achieve the optimal coordinated and distributed control.First，this paper introduces the concept of the coordination factor to establish the optimal coordinated AGC control model.Second，by using the original dual gradient algorithm to transform the model and the linear transformation method，the optimal coordination controller based on a distributed coordination factor is constructed.The simulation examples show that the grid dispatching AGC units can control the frequency deviation in coordination with the increase of the wind power penetration and effectively balance the amount of power imbalance caused by wind uncertainty.

Keywords：Distributed optimal coordinated control，large-scale wind power，automatic generation control，frequency control

中圖分類號：TM734

收稿日期2015-04-09改稿日期2015-06-07