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摘 要
【目的】構建新能源外送系統(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多源協(xié)同的頻率控制及參數(shù)優(yōu)化方法。首先，在異質多源送端系統(tǒng)的主動頻率支撐方面，基于系統(tǒng)參數(shù)與安全性指標的耦合模型進行參數(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，設計了多目標模型預測的自動發(fā)電控制方法，實現(xiàn)調頻指令的合理分配，降低系統(tǒng)綜合成本并提升新能源利用率。【結果】理論分析與仿真結果表明，所提方法能夠有效將系統(tǒng)頻率響應指標穩(wěn)定在安全范圍內。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)響應速度及經濟性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢?！窘Y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)安全運行的同時，兼顧了經濟性與調頻性能，為新能源送端系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供了理論支撐。
研究背景
隨著全球能源結構的快速轉型和清潔能源比重的不斷提升，風電、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)，通過政策引導大規(guī)模新能源的布局和并網。然而，新能源機組通常通過電力電子器件并網，其有功出力與電網頻率解耦，導致新能源高滲透率電力系統(tǒng)頻率響應能力下降。此外，新能源發(fā)電具有波動性、間歇性和隨機性，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，如何實現(xiàn)新能源協(xié)同參與頻率控制，增強系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，已成為當前研究的重點。
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、電化學儲能、光熱和新能源機組。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。然而，不同類型電源的動態(tài)特性差異顯著，導致傳統(tǒng)加權平均式協(xié)同調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，因此需要更先進的異質多源協(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，許多學者開展了相關研究。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組整定模式，難以滿足實際系統(tǒng)異質多源協(xié)同頻率控制需求。2）單一頻率優(yōu)化目標難以滿足新型電力系統(tǒng)的經濟、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)揮異質調頻機組的優(yōu)勢。
在電力系統(tǒng)中，頻率調節(jié)體系往往涉及多主體、多時間尺度的協(xié)調控制，包括慣性控制下的頻率支撐、一次頻率響應和二次頻率響應。這些響應的控制目標、作用順序各異，對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定指標的影響也不同。對于頻率安全性指標，通常需要考慮電力系統(tǒng)的慣性支撐能力和一次調頻能力，而自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）作為二次頻率控制，其反應時間較長，通常側重于頻率恢復和經濟調節(jié)目標。因此，異質多源協(xié)同調頻需要同時滿足動態(tài)響應差異性與目標需求多元性的協(xié)同要求。
主要貢獻
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。本文的貢獻如下：
1）構建涵蓋慣量響應、一次調頻和二次調頻的全時間鏈耦合模型。通過多時間尺度頻率響應能力分析，量化表征火電、水電、新能源等異質調頻機組的動態(tài)特性差異，并推導頻率安全指標與系統(tǒng)關鍵參數(shù)的解析關系，為異質多源協(xié)同調頻提供了理論依據(jù)和模型支撐。
2）構建考慮頻率安全的異質多源控制參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，可以對異質多源控制參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化，并采用滾動時域控制策略實時調整異質多源有功出力，使異質多源高效協(xié)同參與頻率響應，從而提升高比例新能源送端系統(tǒng)的頻率安全性。
3）設計綜合考慮頻率響應性能、機組發(fā)電成本和污染物排放成本的多目標模型預測控制器，充分發(fā)揮異質調頻機組的互補優(yōu)勢，從而顯著提升系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性并降低調頻成本。
? 圖1 新能源外送基地頻率響應模型及控制策略
結論
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節(jié)能力，基于頻率安全指標和參數(shù)模型對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，并根據(jù)外送基地的綜合調頻成本設計了多目標模型預測AGC方法。仿真結果表明，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)頻率指標維持在安全范圍內。此外，所提AGC方法能夠綜合考慮頻率調節(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組及成本較低的機組資源，為構建靈活、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制，著力解決臺風、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，構建融合電壓穩(wěn)定約束的頻率安全防護體系，并結合人工智能技術開發(fā)自適應性強、魯棒性高的智能頻率控制算法，以提升系統(tǒng)的可靠性和經濟性。此外，在多物理量協(xié)調控制層面，應深化有功-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控制技術，攻克高比例電力電子設備接入引發(fā)的低慣量-弱電壓協(xié)同控制難題。
