一體化電站對電力系統區域控制偏差指標的響應控制策略

解 大，賈玉健，馮俊淇，婁宇成，楊敏霞，張 宇

(1．上海交通大學電氣工程系，上海市200240;2． 華東電力設計院，上海市200063;3．上海市電力公司電力科學研究院，上海市200122)

0 引 言

我國電動汽車及充電設施的推廣與建設主要集中在公交用車、公務用車等示范運營方面［1-4］，國內研究人員提出了兼具充電、換電池、儲能、退役電池再利用功能于一體的電動汽車智能“充放儲”一體化電站［5］。相比于傳統的單一功能充電站、換電站或儲能站，一體化電站能夠顯著節約土地資源、降低電池使用成本，獲得了廣泛認可，被認為是推動電動汽車發展的有力保證。

一體化電站除作為電動汽車充電、換電池電站之外，還可利用站內大量儲能電池和變流器裝置，對電網提供一定的增值效益，包括削峰填谷、無功補償、頻率偏差調整等［6］。雖然單座一體化電站的容量有限，但是隨著電動汽車產業的大規模推廣［7-8］，一體化電站也將大量配套建設，對電網運行狀態的影響會大大加強，采用合理的控制方法可產生可觀的效益［9］。

目前，國內研究人員對電動汽車功能設施的基礎充放電功能有了較為完善的討論和實踐，但是對于深層次的優化、增值控制方法，卻鮮有報道［10-13］。為此，本文引入一體化電站區域控制偏差指標，建設性地提出一體化電站參與區域控制偏差的控制策略，并通過算例分析定量計算一體化電站參與區域控制偏差時的調整效果。

1 一體化電站區域控制偏差指標

1.1 一體化電站結構與功能

“充放儲”一體化電站系統的組成結構［5］如圖1所示，它包括調度中心、多用途變流裝置、充換電站、梯次電池儲能電站以及儲能電池。

圖1 一體化電站系統結構Fig.1 Structure of integrated power station

調度中心是電站系統的主控中心;多用途變流裝置是電站系統內部以及內部與電網之間能量多向流動的通道;電池充換電站的主要功能是對動力電池進行合理的充放電控制，對能量狀態不足的車輛進行電池換取;梯次電池儲能電站的主要功能是對退役電池做優化重組進行再利用。

1.2 電力系統運行狀態與一體化電站運行模式

根據歐洲輸電聯盟、美國紐約州電網等標準運行規程，頻率偏差、區域控制偏差、電壓裕度、電能質量等指標是電力系統運行監控的重要指標［14-15］。依據這些指標的數值可將電力系統劃分為:正常運行狀態、警戒狀態、緊急/嚴重緊急狀態、崩潰狀態、恢復狀態，其運行模式如圖2 所示。

圖2 電力系統運行狀態與一體化電站運行模式Fig.2 Power system states and integrated station operating modes

根據電力系統的運行狀態，一體化電站具有3 種運行模式:

(1)正常運行模式。電力系統正常運行狀態及警戒狀態下，一體化電站也應處于正常運行模式，運行目標是維持正常穩定運行，優化充放電控制，并選擇性采取一些增值效益運行模式。

(2)系統保護運行模式。電力系統在緊急狀態和嚴重緊急下，“充放儲”一體化電站采用系統保護運行模式，采取一系列緊急控制措施，充分發揮儲能系統和多用途變流裝置快速控制的技術優勢，支持電網恢復正常狀態。

(3)孤島(自治)運行模式。在電力系統崩潰及系統恢復狀態下，一體化電站主動從電網解列，采取孤島運行模式。

1.3 電力系統ACE 指標與一體化電站ISACE指標

由于現代電力系統采取區域電網大范圍互聯組成大電網運行方式，各區域電網之間通過交換功率取得系統有功功率的動態平衡，因此電力系統區域控制偏差(area control error，ACE)是調度工作重點監控指標。

ACE 計算公式如式(1)所示。

式中:常數β 為頻率偏置系數;Δf 為頻率偏差;ΔPT為聯絡線實際交換功率與計劃交換功率之間的偏差。

電力系統的控制目標是通過調節自動發電控制，使得區域控制偏差εACE為0。當系統頻率發生擾動，εACE達到一定數值之后，由網調電廠在調節容量范圍內進行調節，省調按給定的計劃進行調整。

AGC 依據ACE 指標的運行值控制，這種控制體系最早采用經驗體系A 標準進行調節。北美電力可靠性委員會于1996年提出了控制性能標準(control performance standard，CPS)標準，CPS 標準包括2個部分:CPS1 和CPS2 標準［16-17］。

一體化電站具有可快速調節正負功率發電機特性，也可納入AGC 控制的范疇，在正常運行模式下，一體化電站可采取區域控制偏差增值控制策略;在系統保護運行模式下，可采取區域控制偏差緊急支持控制策略;在孤島運行模式下，系統不存在ACE 指標，不予考慮。

由于一體化電站容量較小，兼顧控制的快速性和容量2個方面，需要類似地定義應用于一體化電站的區域控制偏差指標(area control error of integrated station，ISACE)作為一體化電站功率控制的依據。

分析實際的電力系統ACE 數據可以看出。ACE數值的變動可分成3 種分量:第1 種是變化很緩慢的持續分量，變化周期為3 ～30 min;第2 種是脈動分量，其變化周期在15 s ～3 min;第3 種是頻率較高的隨機分量，其變化周期為7.5 ～15 s。

將原始的εACE(n)數據，采取合理的高通數字濾波器IIRHP進行處理，可將ACE 數據中高頻部分分離出來，得到HP(εACE(n))數據，作為一體化電站運行指標。常用的數字濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等，其中巴特沃斯濾波器具有通頻的頻率響應曲線最平滑的特點，能夠準確地保留特定頻率的信息，因此本文采用巴特沃斯數字濾波器。圖3 為巴特沃斯濾波器的頻率響應圖，式(2)為其振幅的平方對頻率的表達式。

圖3 巴特沃茲濾波器頻率響應圖Fig.3 Frequency response of Butterworth filter

式中:n 為濾波器的階數;ωc為截止頻率;ωp為通頻帶邊緣頻率。

ACE 數據處理流程圖如圖4 所示，定義一體化電站區域控制偏差指標如式(3)所示:

HP(εACE(n))為經過IIRHP濾波器處理過的系統ACE 指標值。

圖4 ACE 數據處理流程圖Fig.4 Processing of ACE data

2 一體化電站區域控制偏差調度策略

根據電力系統標準規程，當εACE小于L10，認為系統處于正常運行狀態，此時一體化電站處于正常運行模式，可由調度人員選擇進入一體化電站區域控制偏差增值控制;如果εACE大于L10超過10 min，或者大于2 倍L10，認為電力系統進入緊急狀態，一體化電站轉入系統保護運行模式下對應HP(εACE(n))指標的緊急支持控制。

將HP(εACE(n))按照絕對值的大小，分為如圖5所示的死區、正常區以及緊急區，一體化電站的期望充放電功率(integrated station destination generation，ISDG)與其控制方式和當前HP(εACE(n))落入的控制區段有關。

圖5 一體化電站控制對HP(ε ACE(n))調節區域的劃分Fig.5 Division of HP(ε ACE(n))ranges based on integrated station control

結合一體化電站的正常運行模式、系統保護運行模式綜合設計出一體化電站區域偏差調度的各種調節方式，具體調節形式見表1。

表1 一體化電站區域偏差調度策略表Table 1 Dispatch plan of integrated station ACE

表1 中，基礎充放電是一體化電站正常的計劃運行模式，不考慮ACE 的影響。響應調節ISDG 表示一體化電站在計劃運行模式下考慮對ACE 的要求，計算一體化電站增值期望功率ISDG，并按照計算目標進行調節。全力支持ISDG 表示一體化電站在系統保護運行模式下，不再考慮運行計劃，而是以全力支持期望功率ISDG，以期系統度過緊急狀態。

2.1 正常模式下一體化電站的區域控制偏差增值控制

正常運行模式下，一體化電站除制定基本的充放電運行計劃之外，可有選擇地進入ACE 增值控制。在增值控制策略中，調度中心依據一體化電站區域控制偏差指標HP(εACE(n))及一體化電站容量，實時計算并調整一體化電站的充放電有功功率，抑制電力系統區域控制偏差中的高頻波動。參考電力系統ACE 控制的CPS 標準，類似地制訂一體化電站控制標準:

式中:(εACE(n))AVE－min是1 min εACE的 平 均 值;ΔfAVE－min是1 min 頻率偏差的平均值;ε1是互聯電網全年1 min 頻率平均值偏差的均方根控制目標值;BIS為根據一體化電站容量而調整設定的頻率偏差系數。

式中:B 為控制區域設定的頻率偏差系數，MW/0.1 Hz，且有負號;PISei為給定控制區域內第i個參與調節的一體化電站額定功率;PΣ為互聯電網全年1 min功率的平均值。

同時，規定HP(εACE(n))每10 min 的平均值必須控制在規定的范圍LIS－10內:

式中:BISΣ為含一體化電站的所有控制區即整個互聯電網的頻率偏差系數;ε10為互聯電網對全年10 min頻率偏差的均方根值的控制目標值;系數1.65 為標準正態分布置信度為0.9 的分位點，概率上使頻率恢復到目標值的可能性達到90%。

一體化電站HP(εACE(n))指標對一體化電站與電網交換的有功功率調度要求包括2個部分:根據一體化電站充放電、換電池正常運行要求制定的基礎充放電功率;消除一體化電站HP(εACE(n))指標所需增減的控制調節有功功率。

含多個一體化電站的區域電網所需要的HP(εACE(n))稱為基于一體化電站的區域需求(area requirement based on integrated station，ISAR)，是指二次調頻中每一計算周期根據HP(εACE(k))、上次控制發出后預期響應HP(εACE(k－1))exp和死區段及正常段之間的門檻值εDBMW計算出的調節增量。當ISAR 在全死區段模式(full-time dead band mode，FDM)時和部分死區段模式(part-time dead band mode，PDM)時的取值為

對于包含一體化電站的電網區域需求，AGC 發出的調節功率Pr按比例積分式計算:

式中:Gl、Gp分別為控制的積分增益和比例增益;Pl、Pp分別為控制的穩態和暫態調節功率。Pr的分配周期與調度中心的運行周期同步，Pr分配到一體化電站i 的功率Psi為

式中:Pbi為一體化電站i 的實際功率點;αi為一體化電站i 的經濟分配系數，其值是成本微增率曲線在一體化電站計劃運行點處斜率的倒數，且∑αi=1，βi為一體化電站i 的調節分配系數，其值是一體化電站的響應速率，且∑βi=1，由于一體化電站的響應速度取決于多用途變流裝置，可以認為所有一體化電站的調節速度是一致的。αi和βi也可以由調度員人工確定。

HP(εACE(n))分配到一體化電站i 的功率增量為

一體化電站期望功率PISDG的計算公式為

式中:SBP為一體化電站運行的基點;為一組經濟分配系數;為一組調節分配系數，DG為自上次計算運行以來總的發電出力變化量。

據此，一體化電站可根據式(3)至式(11)按照預先設定的周期反復運行進行類于AGC 的調節，上述增值控制的流程如圖6(a)所示。

首先，按照選定的ACE 算法從SCADA 實時數據庫中提取當前頻率遙測值并與頻率基準值對比，計算出頻率偏差;從SCADA 實時數據庫中提取當前聯絡線交換功率的合計值并與聯絡線凈交換功率計劃值對比，計算出聯絡線有功功率偏差，求出一體化電站所在系統的ACE，啟用高通濾波器對原始ACE 進行濾波，得到一體化電站頻率偏差指標HP(εACE(n))。

其次，判斷HP(εACE(n))大小和落入的控制區段，決定控制策略，計算出控制區域的有功功率要求和規范化的分配系數。

然后，根據當前控制區段和電站參與調節的模式組合結合分配系數分別計算各一體化電站的期望有功功率值，比較期望發電值和實際功率計算一體化電站控制偏差并判斷功率的增減方向。由于一體化電站的控制速度遠遠高于發電機組，因此如果需要調節則立刻向一體化電站發出調節指令，一體化電站的多用途變流裝置接收到調節指令并作出響應。

圖6 基于一體化電站ACE 指標的控制策略Fig.6 Integration station control strategy based on ACE

最后，從SCADA 實時數據庫中提取機組實際發電功率，計算預期響應情況。

2.2 一體化電站頻率偏差指標的緊急支持控制

一體化電站保護運行模式下，系統εACE指標超出合格值，一體化電站根據上級調度指令配合電網調度中心進行區域調度，調整系統頻率。記L1、L2為一體化電站所在區域的εACE指標合格值以及緊急閾值;T、Tm分別為εACE越限持續時間以及越限時間緊急閾值。

當L1時，εACE介于合格值與緊急閾值之間，但越限時間超過緊急閾值，或者εACE嚴重越限，此時一體化電站參與有功調度，且以最大能力對所在電網進行支持。系統保護運行模式下一體化電站區域控制偏差指標的緊急支持控制算法流程如圖6(b)所示。

3 算例分析

圖7(a)為依據CPS 標準進行控制的某實際電力系統ACE 指標1 h 的數據，εACE數值每15 s 計算1次，2 400 ～3 000 s 期間，電力系統由正常狀態進入緊急狀態，ACE 指標變化幅度大幅增加。

根據 ACE 數據的頻譜分布特點，設計Butterworth 濾波器IIRHP參數如下:

通帶截止頻率fp=1/5 Hz;

通帶最大衰減Ap=1 dB;

阻帶截止頻率fs=1/20 Hz;

阻帶最小衰減As=40 dB。

將圖7(a)所示的ACE 數據，采用上述IIRHP濾波器進行處理，得到ISACE 數據，如圖7(b)所示。對比圖7(a)、7(b)可以看出，經過高通濾波處理后，ISACE 的絕對值在20 以內，貼合一體化電站的調整容量。

圖7 依據CPS 標準的電力系統ACE 數據及ISACE 數據Fig.7 ACE data and ISACE of power system according to CPS

以上述某實際區域電網的數據為算例，假設一體化電站群參與區域控制偏差調整的容量額度為20 MW。在正常運行模式下按照圖6(a)給出增值控制策略，計算一體化電站響應ISACE 指標所作出的輸出功率調整量ΔPIS;在系統保護運行模式下，按照圖6(b)給出的緊急支持控制策略，計算ΔPIS。圖8給出了ΔPIS的變化曲線。

圖8 一體化電站集群響應ISACE 指標的輸出功率調整曲線Fig.8 Output power curve of integrated stations responding to ISACE

通過圖8 可以看出，正常模式下一體化電站輸出功率數值較小，持續時間較短;系統保護運行模式下，功率值較大且持續時間長。

圖9 則給出了一體化電站集群參與區域控制偏差調整前后的對比圖。

圖9 一體化電站集群參與調整前后的效果對比圖Fig.9 Effect comparison before and after integrated station participating adjustment

圖9(a)、9(b)分別為一體化電站調整前后的ISACE 指標曲線，對比可知，在正常運行模式下，一體化電站的增值控制策略有效削減了ISACE 的幅值;圖9(c)、9(d)分別為一體化電站參與調整前后的系統頻率偏差指標，可見，當電力系統進入緊急狀態后，一體化電站在緊急支持策略控制下，調整有功功率，大大削減了系統頻率偏差數值，使之回歸正常狀態。

4 結 論

(1)對應電力區域控制偏差指標，本文定義了一體化電站區域控制偏差指標，該指標由原始ACE 數據經濾波處理得出。

(2)對應電力系統正常狀態，一體化電站運行于正常模式，可采用增值控制策略;當電力系統進入緊急或嚴重緊急狀態時，一體化電站運行于系統保護模式，可采用緊急支持控制策略。

(3)對實際電力系統的運行數據進行算例分析，依據本文所提出的一體化電站區域控制偏差指標，按照本文提出的控制策略模擬計算一體化電站參與系統ACE 控制的增值效果，算例表明，本文所提出的一體化電站區域控制偏差指標以及對應的控制策略科學合理、易于實現、控制效果顯著。

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