陈国武
华能陇东能源有限责任公司 甘肃省庆阳市 745000
摘要：在互联电力系统中，某个区域的负荷变化或异常，会引起整个电力系统的频率和区域间联络线交换功率的失配，而保证系统频率稳定、联络线交换功率在计划值，实现电网安全稳定运行的关键是负荷频率控制（Load Frequency Control，LFC）。近年来，自适应控制］、鲁棒控制以及基于人工智能的神经网络等先进控制方法被广泛应用在了负荷频率控制中。随着风电、光伏等新能源的大量涌现，由于其间歇性和随机性的特点，并入电网后对电网的安全稳定运行提出了更高的要求。模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）由于建模方便，有动态性能好、稳定性和鲁棒性强等特点，被广泛应用在各领域，在电力生产中也取得了广泛的应用。
关键词：新能源;电力系统;负荷频率控制;
引言
随着电网技术的不断发展，区域性的电力系统互联成为可能，其通过联络线将多个领域连接成一个整体。互联电力系统的优势在于能够整合不同区域间的资源优势，可有效解决负载和能源之间的分布不平衡问题。此外，互联不仅可以增大电力系统的容量，实现不同区域的相互支援，还可以在保持电力系统经济运行的同时，提高供电的可靠性。但是多区域电网互联后，不同区域之间的相关性增强，致使单一的故障可能引发整个电力系统的电压、频率变化。而在电网系统中，即使是微小的频率变化也容易引发供电装置的连锁反应，甚至造成大面积停电，因此实现对互联电网负荷频率的控制显得尤为重要。一般通过配置储能维持系统的有功平衡或者通过控制系统中传统发电机的出力来维持频率稳定。值得注意的是，多个区域的电力系统互联使得电网结构变得更复杂，也进一步增大了负荷频率控制的难度。
1供电负荷稳定性的优化控制意义
如今，经济水平的提升和科学技术的进步，使得电网辐射范围逐渐扩大，电网区域的互联程度也在不断提高，电网已然成为了多区互联的电力系统。电力系统在运行环节会受到多种因素干扰，其中的不可抗力因素较多，所以系统运行的稳定性难以维护。但是，稳定、安全、持续地供电，是电力系统的运行目标，所以为了达成这一目标，相关工作人员必须对其进行控制和优化。在此环节，供电负荷扰动会造成系统频率偏差，因此通过优化控制供电负荷稳定性来保障电力系统运行安全、稳定十分可行。也就是说，优化控制电力系统供电负荷稳定性，有利于提高电力系统运行质量，维护生产生活用电安全。在优化控制负荷频率时，相关工作人员应该牢记其主要任务：其一是让受干扰状态下的电力系统供电负荷频率偏差为0，并保证联络线交换功率可以能回到初始设定值；其二是针对具有不确定性的外部干扰和系统模型，应在确保鲁棒性能的基础上开展控制器设计。
2系统建模
多区域互联电力系统由N个控制区域组成，每个控制区域通过联络线互联，区域之间可由专用的通信网络实现信息交换，保持各区域频率在额定值、联络线交换功率在计划值的任务，由分布式模型预测控制器实现。分别建立火电区域、光伏区域和风电区域的负荷频率控制模型如下。火电区域主要由调速器、汽轮机和发电机构成，状态空间可写为：x（t）＝Atxt（t）＋Btut（t）＋Ftwt（t）yt（t）＝Ctxtt（t）（1）选取火电区域的状态变量为xt（t）＝［ΔfΔPtieΔPgΔXg］T，控制量ut＝ΔPc，扰动变量wt＝ΔPd，输出yt＝ACEt。At、Bt、Ft和Ct分别为火电区域的系统矩阵、输入矩阵、扰动矩阵和输出矩阵。对于火电机组，有发电速率约束｜△Pg｜≤0．0017以及阀门位置约束ΔXgmin≤ΔXg≤ΔXgmax。
光伏发电系统利用太阳能电池板将太阳光能转化为电能，主要由实现光电转换的光伏阵列和改善电能质量、控制输出功率的DC／DC变换电路组成，可通过逆变器转换为交流电送至电网。这里选用Buck电路作为DC／DC变换电路。光伏发电系统的状态空间模型可写为：xs（t）＝Asxs（t）＋Bsus（t）＋Fsws（t）ys（t）＝Csxs≤（t）（2）选取状态变量xs（t）＝［ΔvptΔis］T，控制量us（t）＝Δd，即占空比，通过调节占空比可调节光伏系统的输出功率，扰动变量ws（t）＝［ΔiptΔvdc］T，输出为ys＝ΔPpv。风力发电系统是将风能转化为电能的系统装置，由一系列相互独立的风力发电机组成，典型风力发电机组主要由捕获风能的风力机、提高转速的传递系统、发电机系统和一系列整流器等组成。通过控制叶片桨距角可改变风机捕获风能的大小，控制调节整流器的通断，可调节发电系统的输出功率。风电机组的状态空间模型为：xw（t）＝Awxw（t）＋Bwuw（t）＋Fwww（t）yw（t）＝Cwxwt（t）（3）其中，状态变量xw＝［ΔwtΔwgΔθΔTgΔβ］T，输入变量uw＝［ΔTg*Δβ*］T，扰动变量ww＝Δv，输出yw＝ΔPe。这里Aw、Bw、Fw和Cw分别为风电区域的系统矩阵、输入矩阵、扰动矩阵和输出矩阵。
3负荷模型的机理研究
通过研究作用中负载平衡的机构分析和模型分布，您可以在许多新的作用中负载中有针对性地选取典型建模图元，同时从应用程式储存库的2D角度详细了解不同时间的建模需求。主动负荷构件的分析步骤如下:首先，对通过电气接口连接的大量负荷设备进行物理负荷分析，第一次汇总按特性、容量、电压等级等进行。然后，为上述建模对象选择典型设备，并根据其工作方式创建典型的详细模型。详细模型是一种混合模型，既包含电气元件，也包含机械元件，如电动机。对电磁时间尺度下典型设备细节模型进行数字仿真，得到不同端口电压/频率波动的反应曲线。最后，根据大量仿真和实验数据研究总结了有源载荷的特性。根据场景应用的不同时间间隔和需求组合，降低典型载荷，同时保留关键物理过程。
4负荷建模实践
对于主要通过手动检查进行负荷建模的设计应用程序，实际的设计应用程序受到限制，因为它们效率低下，复盖范围较小。此外，在传统的统计方法中，只记录载荷的名义容量，而不记录载荷在不同时间的实际性能，这可能会对载荷模型的响应造成严重限制。目前，荷载模型主要采用“季节”全局分析方法建模。对于网络中的大量负荷节点，负荷节点首先按负荷节点的日负荷曲线分类。然后在每个载荷节点中选择一个典型节点进行参数检测，再将典型节点的经验参数应用于同一个载荷节点，最后累计到特定数据。整体解决方案不需要捕获节点下载荷的准确分量，而是建立了载荷节点的一般外部特性模型。但是，由于模型资料来源的限制，一般分析方法只有在网面干扰时才能以参数化方式识别。因此，它在应对载荷时不够灵活。此外，载荷模型参数中还会考虑时间相关载荷，包括单个载荷的比例和单个载荷的参数。此时，通常在不同时间收敛载荷的动态响应，然后确定多圆弧拟合参数，以确定适用于多个时间点的载荷模型参数。但是，无论是单个力矩的整体解决方案还是多点曲线拟合的通用解决方案，您只能获得网格干扰的载荷模型参数。因此，对载荷的响应不够灵活。错误仿真方法主要用于检查模型。
结束语
负荷建模研究是电力系统运行与控制中的基础性问题，既具有重要的理论意义，又具有显著的实用价值.在不同的自然条件下，对每个区域设计了不同的目标函数。以含有小规模风电和光伏机组的两区域互联电力系统为例，在系统有阶跃负荷扰动时对系统进行了仿真，并与传统PI控制方法进行了对比。仿真结果表明，分布式模型预测控制方法下，系统具有更好的动态性能。
参考文献
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