中国农业大学叶林等：面对含大规模风电并网的电力系统，如何实现风电参与AGC，提高电力系统频率稳定性？ξζ

原标题：中国农业大学叶林等：面对含大规模风电并网的电力系统，如何实现风电参与AGC，提高电力系统频率稳定性？

基于分布式模型预测控制的风电场参与AGC控制方法/叶林，陈超宇，张慈杭，孙舶皓，汤涌，仲悟之，翟丙旭，蓝海波，吴林林

《电网技术》2019年第9期：3261-3270.

1. 研究背景

风力发电作为当今发展前景最好，技术最成熟的可再生清洁能源发电技术，已成为我国发展新能源发电的重要方向之一。但是，风能具有间歇性、波动性和不确定性的特点，随着风电并网规模的不断增加，常规电源频率控制难以满足系统稳定性要求，需要风电参与系统调频。为消除风电对电网频率的影响，国内外最新发布的一些电网导则明确提出了并网风电场需要提供和常规发电厂一样的旋转备用、惯性响应以及频率调节等附属功能，我国颁布的国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》明确指出并网风电场应具备参与电力系统调频、调峰和备用的能力。自动发电控制(AGC)是为了实现电力系统电源发电功率和负荷的实时平衡，保证电网频率与联络线交换功率维持在指定值的自动综合控制系统。风电主动参与AGC问题是当今研究的热点问题之一。从风电场/集群的角度，如何合理地将有功控制指令分配给多个不同的风电场，更好地利用风电场的备用容量是主要的研究目标。

2. 主要内容

1）含风电集群的区域互联系统频率控制思路

将复杂电力系统分成若干个子控制区域，本文的控制方法基本思路框图如图1所示。由于负荷扰动和风电场有功功率波动扰动导致电力系统频率的波动，AGC控制器根据系统频率波动偏差以及联络线交换功率偏差计算该区域在本时刻所有AGC电源需要调频的有功功率变化总量；根据各AGC风电场有功功率预测值，判断未来一段时间各风电场的备用容量，并考虑AGC火电机组的有功功率，将需要调整的有功功率变化总量按照风电利用最大化、减少火电机组出力的目标进行优化分配，并将有功功率分配的控制指令下发给各AGC机组，实现AGC控制；同时，由于风电功率预测具有误差，导致AGC控制误差，根据各AGC控制之后的实测值，计算AGC控制误差， 用于补偿修正下一时刻风电功率预测值，从而减少AGC控制误差，提高AGC控制精度。

图1 控制方法基本思路图

2）建立区域互联系统状态空间模型

将系统分为N个区域，假设区域i中有m个火电机组和n个风电场，以区域控制偏差(ACE)为控制器输入信号(由频率偏差乘以偏差系数并与联络线交换功率偏差值组成)，考虑各AGC风电场的功率预测信息，以各AGC电源作为输出控制指令，建立含风电场的多区域互联系统状态空间模型，如图2所示。

图2 区域互联系统状态空间模型控制框图

3）基于分布式模型预测控制的AGC控制策略

本文以1 min为AGC的控制时间步长。区域系统频率的扰动源不仅有负荷扰动，还有风电场有功出力扰动。本文假设火电机组出力能够跟踪控制指令，有备用容量的风电场也能够跟踪控制指令；而由于可发功率达不到控制指令的风电场实际发出的功率为可发功率，具有较高的波动性和不确定性，此时该风电场不参与AGC，应将其视作区域系统频率的扰动源，当可发功率大于控制指令时再参与AGC。因此，风电场并非每个控制时间步长都参与AGC。

模型预测控制(MPC)作为工业控制过程的新型计算机控制算法含有灵活的预测模型、在线的滚动优化和实时的反馈校正3个环节，使其具有鲁棒性高、控制效果好、自适应能力强等特点。而分布式模型预测控制(DMPC)可将一个系统整体分成多个子系统，再由每个子系统的控制器进行优化控制，各子系统之间通过一个信息交互网络实时共享各区域的状态信息，每个子控制器在计算中均考虑其余子系统的信息。图3是DMPC在AGC控制器中应用思路图。

图3 DMPC在AGC中的应用控制思路图

选取三区域IEEE-RTS 96系统为算例进行仿真验证本文方法的有效性。每个区域中均有AGC火电机组，区域1和区域2中均含有风电集群，将DMPC控制时间步长设为1 min，预测时域Np=15min，控制时域Nu=5min，优化函数中的误差权矩阵Qi为半正定矩阵，且主对角线上频率和联络线交换功率的惩罚系数为100，其余为0，控制权矩阵Ri为正定矩阵，对角线上元素为1。经过仿真对比验证本文方法有效地利用风电的备用容量，实现风电参与频率控制，提高电力系统的频率稳定性。图4为区域1某风电场经不同控制方法下的控制结果。

图4 区域1某风电场经不同控制方法下的控制结果

3. 结论

本文针对含风电集群电力系统AGC控制问题，提出了一种风电参与的基于分布式模型预测控制的多区域互联系统AGC控制方法，通过控制集群风电场与常规电源的有功输出变化实现电力系统频率稳定，得到如下结论：

1）考虑超短期风电功率预测信息，AGC风电场预留一定备用容量，使风电场能够参与电力系统频率调节，有效提高含风电集群电力系统的频率稳定性。

2）基于分布式模型预测控制原理，以风电场超短期功率预测为预测模型，以尽可能地利用风电参与AGC控制为优化目标进行滚动优化，对风电场实际可发功率与预测功率进行对比修正预测模型的预测误差，减少预测误差对控制的影响。

3）通过与固定比例分配方法和变比例分配方法的仿真对比，本文提出的AGC控制方法，能够更好地利用集群内各风电场的备用容量参与AGC控制，减少风电场的弃风。

研究模型预测控制在含多种新能源并网的电力系统稳定性控制方面的应用。

基金资助：国家自然科学基金项目(51477174)；国家自然科学基金中英国际合作交流基金项目(51711530227)；国家电网公司科技项目(5201011600TS)；国家重点研发计划项目(2017YFB0902200)。

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Ye Lin，Chen Chaoyu，Zhang Cihang，et al．Wind farm participating in AGC based on distributed model predictive control[J]．Power System Technology，2019，43(9)：3261-3270(in Chinese)．

Lin Ye*, Cihang Zhang, et al. Hierarchical Model Predictive Control Strategy based on Dynamic Active Power Dispatch for Wind Power Cluster Integration [J]. IEEE Transactions on Power Systems.DOI:10.1109/TPWRS.2019.2914277.https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsptp=&arnumber=8703728.

Lin Ye*, CihangZhang, et al. Study of Assessment on Capability of Wind Power Accommodation in Regional Power Grids[J]. Renewable Energy, 2019, 133(4): 647-662.DOI:10.1016/j.renene.2018.10.042.https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.042.

孙舶皓，汤涌，叶林，等．基于分层分布式模型预测控制的多时空尺度协调风电集群综合频率控制策略[J]．中国电机工程学报，2019，39(1)：155-167．

叶林，李智，孙舶皓，等．基于随机预测控制理论和功率波动相关性的风电集群优化调度[J]．中国电机工程学报，2018，38(11)：3172-3183．

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作者介绍

中国农业大学叶林教授领导的电力系统运行与控制团队主要从事电力系统自动化、考虑大规模风电/太阳能接入的电网安全稳定分析、新能源功率预测和时空相关性算法、基于功率预测信息的区域风电场有功功率控制策略、电力系统电磁暂态建模与实时仿真以及区域风电场风能资源精细化评估等领域的科学研究。

叶林(1968)，男，德国洪堡学者、教育部新世纪优秀人才、霍英东青年基金（优先资助）奖励获得者、中国农业大学电气工程领域首批领军教授、博士生导师，研究方向为电力系统自动化、新能源发电技术。2000-2003年在德国卡尔斯鲁厄大学（KIT）从事科学研究，2004-2007年在英国剑桥大学工程系/卡文迪许实验室工作。近年来先后主持国家自然科学基金研究项目6项（其中1项中国NSFC-英国皇家学会RS国际合作交流基金项目）、教育部科学技术重点研究项目、教育部博士点基金（博导类）课题、霍英东青年教师奖励（基金）项目、北京市自然科学基金研究项目、教育部出国留学回国人员启动基金等纵向科研项目以及国家电网公司总部科技项目等30多项。近年来在国内外学术期刊发表高水平的研究论文被SCI收录26篇、EI收录论文63篇，授权国家发明专利11项和计算机软件著作权39项。担任《电力系统自动化》、《电力系统保护与控制》、《电力与能源进展》、《Protection & Control of Modern Power Systems》、英国IOP《Engineering Research Express》等期刊的编委。2000年获德国政府最高荣誉Alexander von Humboldt Stiftung/Foundation奖励（德国洪堡学者）；2008年入选教育部新世纪优秀人才资助计划；获2012年度教育部科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖二等奖和2019年度中国电力科学技术科技进步二等奖。

陈超宇(1994)，男，工学硕士，研究方向为电力系统运行与控制、新能源发电技术，chenchaoyu@cau.edu.cn，现就职于国网北京电力公司。

张慈杭(1994)，男，工学硕士，研究方向为电力系统运行与控制、新能源发电技术等，zhangch@cau.edu.cn，现就职于国网北京电力公司。

孙舶皓(1988)，男，工学博士，研究方向为电力系统稳定与控制，hobson_choice@126.com，现就职于国网冀北电力有限公司。

汤涌(1959)，男，博士，教授级高级工程师，博士生导师，研究方向为电力系统仿真分析和稳定控制。

仲悟之(1979)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为电力系统仿真与分析。

翟丙旭(1987)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统运行与控制，E-mail：zhaibingxu@126.com。

蓝海波(1979)，男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为电力系统运行与控制。

吴林林(1986)，男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源电站运行优化控制，E-mail：wulin226@163.com。

责编：王金芝

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