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摘 要
【目的】構(gòu)建新能源外送系統(tǒng)是緩解資源空間分布不均的重要手段，但高比例新能源接入對外送基地電力系統(tǒng)頻率安全與控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。【方法】為此，針對高比例新能源送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和安全性，提出了一種面向異質(zhì)多源協(xié)同的頻率控制及參數(shù)優(yōu)化方法。首先，在異質(zhì)多源送端系統(tǒng)的主動頻率支撐方面，基于系統(tǒng)參數(shù)與安全性指標(biāo)的耦合模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。其次，綜合考慮系統(tǒng)頻率偏差、發(fā)電成本和排放成本，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)模型預(yù)測的自動發(fā)電控制方法，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻指令的合理分配，降低系統(tǒng)綜合成本并提升新能源利用率。【結(jié)果】理論分析與仿真結(jié)果表明，所提方法能夠有效將系統(tǒng)頻率響應(yīng)指標(biāo)穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。此外，相較于傳統(tǒng)頻率控制方法，所提策略在頻率偏差抑制、動態(tài)響應(yīng)速度及經(jīng)濟(jì)性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢?！窘Y(jié)論】所提出的協(xié)同控制及參數(shù)優(yōu)化方法為新能源高滲透率外送系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制提供了創(chuàng)新性解決方案。該方法在保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時，兼顧了經(jīng)濟(jì)性與調(diào)頻性能，為新能源送端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論支撐。
研究背景
隨著全球能源結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)型和清潔能源比重的不斷提升，風(fēng)電、光伏等新能源在電力系統(tǒng)中的滲透率逐年增加。我國目前面臨顯著的發(fā)電與用電空間分布不均，西南地區(qū)可再生資源豐富，而東中部負(fù)荷中心的能源需求較大。近年來，國家積極推動新能源基地的開發(fā)，通過政策引導(dǎo)大規(guī)模新能源的布局和并網(wǎng)。然而，新能源機(jī)組通常通過電力電子器件并網(wǎng)，其有功出力與電網(wǎng)頻率解耦，導(dǎo)致新能源高滲透率電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力下降。此外，新能源發(fā)電具有波動性、間歇性和隨機(jī)性，使得電力系統(tǒng)面臨更大的頻率穩(wěn)定性和安全性問題。因此，在高滲透率新能源背景下，如何實(shí)現(xiàn)新能源協(xié)同參與頻率控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
針對高比例新能源的外送基地頻率穩(wěn)定性問題，通常需要多種電源之間的協(xié)同參與，如火電、抽水蓄能、電化學(xué)儲能、光熱和新能源機(jī)組。在外送基地出現(xiàn)高比例有功功率缺口時，各類電源需協(xié)同參與頻率響應(yīng)。然而，不同類型電源的動態(tài)特性差異顯著，導(dǎo)致傳統(tǒng)加權(quán)平均式協(xié)同調(diào)頻方式難以滿足高比例新能源系統(tǒng)頻率安全穩(wěn)定需求，因此需要更先進(jìn)的異質(zhì)多源協(xié)同優(yōu)化方法。
為了提升高比例新能源送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，近年來，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。然而，現(xiàn)有方法在高比例新能源系統(tǒng)頻率控制方面仍存在以下挑戰(zhàn)：1）現(xiàn)有參數(shù)優(yōu)化方法多采用單一類型機(jī)組整定模式，難以滿足實(shí)際系統(tǒng)異質(zhì)多源協(xié)同頻率控制需求。2）單一頻率優(yōu)化目標(biāo)難以滿足新型電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、低碳要求。3）單一時間尺度下的頻率控制研究難以充分發(fā)揮異質(zhì)調(diào)頻機(jī)組的優(yōu)勢。
在電力系統(tǒng)中，頻率調(diào)節(jié)體系往往涉及多主體、多時間尺度的協(xié)調(diào)控制，包括慣性控制下的頻率支撐、一次頻率響應(yīng)和二次頻率響應(yīng)。這些響應(yīng)的控制目標(biāo)、作用順序各異，對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定指標(biāo)的影響也不同。對于頻率安全性指標(biāo)，通常需要考慮電力系統(tǒng)的慣性支撐能力和一次調(diào)頻能力，而自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）作為二次頻率控制，其反應(yīng)時間較長，通常側(cè)重于頻率恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)目標(biāo)。因此，異質(zhì)多源協(xié)同調(diào)頻需要同時滿足動態(tài)響應(yīng)差異性與目標(biāo)需求多元性的協(xié)同要求。
主要貢獻(xiàn)
本文針對高比例新能源送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和安全性問題，提出一種異質(zhì)多源協(xié)同頻率穩(wěn)定控制策略及其參數(shù)優(yōu)化方法。本文的貢獻(xiàn)如下：
1）構(gòu)建涵蓋慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的全時間鏈耦合模型。通過多時間尺度頻率響應(yīng)能力分析，量化表征火電、水電、新能源等異質(zhì)調(diào)頻機(jī)組的動態(tài)特性差異，并推導(dǎo)頻率安全指標(biāo)與系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的解析關(guān)系，為異質(zhì)多源協(xié)同調(diào)頻提供了理論依據(jù)和模型支撐。
2）構(gòu)建考慮頻率安全的異質(zhì)多源控制參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，可以對異質(zhì)多源控制參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，并采用滾動時域控制策略實(shí)時調(diào)整異質(zhì)多源有功出力，使異質(zhì)多源高效協(xié)同參與頻率響應(yīng)，從而提升高比例新能源送端系統(tǒng)的頻率安全性。
3）設(shè)計(jì)綜合考慮頻率響應(yīng)性能、機(jī)組發(fā)電成本和污染物排放成本的多目標(biāo)模型預(yù)測控制器，充分發(fā)揮異質(zhì)調(diào)頻機(jī)組的互補(bǔ)優(yōu)勢，從而顯著提升系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性并降低調(diào)頻成本。
? 圖1 新能源外送基地頻率響應(yīng)模型及控制策略
結(jié)論
本文綜合考慮了高比例新能源送端系統(tǒng)的慣性支撐和頻率調(diào)節(jié)能力，基于頻率安全指標(biāo)和參數(shù)模型對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)外送基地的綜合調(diào)頻成本設(shè)計(jì)了多目標(biāo)模型預(yù)測AGC方法。仿真結(jié)果表明，本文所提優(yōu)化方法能夠在最小化新能源發(fā)電效率和系統(tǒng)成本的前提下，將系統(tǒng)頻率指標(biāo)維持在安全范圍內(nèi)。此外，所提AGC方法能夠綜合考慮頻率調(diào)節(jié)性能和發(fā)電成本等因素，最大限度地利用外送基地中減載的新能源機(jī)組及成本較低的機(jī)組資源，為構(gòu)建靈活、高效的新能源外送系統(tǒng)提供了重要的理論支撐和優(yōu)化方法參考。
未來的研究可進(jìn)一步探索高比例新能源系統(tǒng)在極端場景下的頻率安全防御機(jī)制，著力解決臺風(fēng)、沙塵暴等極端天氣下新能源出力突變與多重故障疊加的防御難題，構(gòu)建融合電壓穩(wěn)定約束的頻率安全防護(hù)體系，并結(jié)合人工智能技術(shù)開發(fā)自適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性高的智能頻率控制算法，以提升系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。此外，在多物理量協(xié)調(diào)控制層面，應(yīng)深化有功-無功協(xié)同優(yōu)化理論研究，開發(fā)考慮電壓靈敏度與頻率耦合特性的虛擬同步機(jī)控制技術(shù)，攻克高比例電力電子設(shè)備接入引發(fā)的低慣量-弱電壓協(xié)同控制難題。
