基于多Agent的儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制

李吉晨，陳堂龍，葛維春，葛延峰，王琛淇

（1.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧阜新 123000）

電網(wǎng)一次調(diào)頻是指利用電力系統(tǒng)固有的負(fù)荷頻率特性和發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的作用，對(duì)電力系統(tǒng)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。一次調(diào)頻信號(hào)可以自動(dòng)平衡快速小幅度的負(fù)載隨機(jī)波動(dòng)，同時(shí)也可以緩沖異常情況下的突發(fā)負(fù)載變化。主頻的調(diào)節(jié)需要與調(diào)頻控制相結(jié)合，才能達(dá)到無(wú)差調(diào)節(jié)頻率[2]。

常規(guī)時(shí)域方法是通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)能爬坡速率來(lái)計(jì)算儲(chǔ)能波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響程度，利用小波變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸庠陬l域上對(duì)儲(chǔ)能波動(dòng)進(jìn)行了頻域劃分，按對(duì)電網(wǎng)頻率的影響程度排序[3]。但是，這種方法的缺點(diǎn)是不能對(duì)儲(chǔ)能波動(dòng)的特性進(jìn)行深入分析，因?yàn)閮?chǔ)能波動(dòng)本質(zhì)上是一個(gè)正常的隨機(jī)過(guò)程，它包含著復(fù)雜的時(shí)序過(guò)程；用T-location 概率分布模型描述電網(wǎng)的隨機(jī)波動(dòng)特性，用序列蒙特卡羅方法模擬電網(wǎng)發(fā)電時(shí)間序列。電網(wǎng)總裝機(jī)容量即使在波動(dòng)最劇烈的情況下，也不會(huì)使電網(wǎng)的頻率動(dòng)態(tài)超過(guò)極限[4]。但是，使用這種方法的缺點(diǎn)是，儲(chǔ)能功率波動(dòng)(對(duì)電網(wǎng)頻率影響的上升幅度)較大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大危害。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于多Agent 的儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制。該方法主要是研究多個(gè)電網(wǎng)主體之間的頻率協(xié)調(diào)以控制儲(chǔ)能。

1 基于多Agent調(diào)頻控制原理

通過(guò)對(duì)多Agent分層設(shè)計(jì)，利用多Agent配電網(wǎng)無(wú)功協(xié)調(diào)控制方案，可以實(shí)現(xiàn)具體配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化[5-6]。圖1 所示為多Agent頻率調(diào)制控制過(guò)程。

圖1 多Agent一次調(diào)頻控制流程

在程序中，初始化主要用于為每個(gè)Agent 定義基本行為準(zhǔn)則，多Agent協(xié)調(diào)控制的操作步驟如下：

第一步，初始化單元，為每個(gè)代理分配必要的約束和基本規(guī)則；

第二步，收集反應(yīng)性組件的節(jié)點(diǎn)參數(shù)和操作參數(shù)，并為每一個(gè)組件提供所需的控制；

第三步，向區(qū)域代理提供受控組件的操作狀態(tài)[7]。同時(shí)，區(qū)域代理為節(jié)點(diǎn)代理提供控制策略，讓節(jié)點(diǎn)代理更改每個(gè)組件的操作狀態(tài)[8]；

第四步，每個(gè)區(qū)域代理首先提供各自管轄的、處于運(yùn)行狀態(tài)的分銷網(wǎng)絡(luò)代理，以及與其他外部分銷網(wǎng)絡(luò)代理的運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合的初始數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到預(yù)先確定的統(tǒng)一格式的信息處理系統(tǒng)；

第五步，在模型預(yù)測(cè)后，估計(jì)環(huán)節(jié)將每個(gè)區(qū)域的無(wú)功控制策略反饋給相應(yīng)的區(qū)域代理[9]。地區(qū)代理改變了電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，再一次把電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)提交給評(píng)估環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整[10-11]。

多Agent 通過(guò)連續(xù)的協(xié)調(diào)控制使電力系統(tǒng)既能保證自身的電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又能滿足上級(jí)電網(wǎng)對(duì)合適電能的需求。

2 多Agent一次調(diào)頻控制策略

2.1 調(diào)頻死區(qū)分析

參加頻率調(diào)制的主要目的是利用它的快速吞吐量，降低常規(guī)參加能量調(diào)制和頻率存儲(chǔ)單元的損耗，所以儲(chǔ)能參與頻率調(diào)制時(shí)的作用范圍要小于常規(guī)機(jī)組。若系統(tǒng)未設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，系統(tǒng)調(diào)頻功能輸入頻繁，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[12-13]。所以，在儲(chǔ)能輔助電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用中，儲(chǔ)能系統(tǒng)死區(qū)問(wèn)題也是影響其調(diào)頻性能不可忽視的因素[14]。

利用儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)能裝置吸收/釋放功率的SoC特性來(lái)描述超限區(qū)域，根據(jù)儲(chǔ)能類型確定超限區(qū)域上下限值，調(diào)頻死區(qū)控制策略，如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻死區(qū)控制策略

由 圖2 可 知，當(dāng)SoC?(SoCmin,SoCmax)時(shí)，有P=Pbess；當(dāng)SoC∈(SoCmin,SoCmax)時(shí)，有：

其中，ΔPbess為儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的輸出功率，其表達(dá)式如下：

2.2 電網(wǎng)一次調(diào)頻仿真模型

電網(wǎng)頻率穩(wěn)定運(yùn)行的前提是系統(tǒng)有功的供需平衡。在電網(wǎng)中，有功功率變化較小的節(jié)點(diǎn)，用系統(tǒng)頻率來(lái)反映。為保證各地區(qū)的供電質(zhì)量，必須采用一定的方式合理地分配各機(jī)組用電需求，由控制中心對(duì)各機(jī)組的發(fā)電進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

電網(wǎng)是一個(gè)相互聯(lián)系整體，單獨(dú)的電網(wǎng)不可能達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。所以在實(shí)際系統(tǒng)中，一般不存在包含多個(gè)相關(guān)子系統(tǒng)的獨(dú)立電源系統(tǒng)。對(duì)由兩個(gè)或兩個(gè)以上電源連接的子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了保證其功率需求平衡外，還應(yīng)保證其頻率穩(wěn)定。

電源有多種形式。電網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)，電網(wǎng)的頻率變化很快。通過(guò)對(duì)調(diào)頻死區(qū)備用資源在負(fù)載干擾下的輸出狀態(tài)分析，建立其模型是十分必要的。電網(wǎng)負(fù)荷有功需求的變化將使原穩(wěn)定運(yùn)行的有功功率產(chǎn)生偏差，有功功率的偏離將通過(guò)轉(zhuǎn)矩反映到發(fā)電機(jī)的角速度上，引起功率角的變化，從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率變化。

對(duì)電網(wǎng)有功功率和頻率偏差關(guān)系的研究，如下所示：

其中，D表示電力系統(tǒng)慣性響應(yīng)常數(shù)，ω表示角速度，ΔPL表示有功偏差。

當(dāng)兩個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)，要求兩個(gè)發(fā)電機(jī)具有相同的初始轉(zhuǎn)速。若兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速不一致，則在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電機(jī)損壞。為使兩臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)工作順利進(jìn)行，電網(wǎng)中明確規(guī)定兩臺(tái)機(jī)組必須具有相同調(diào)速特性才能進(jìn)行并聯(lián)。速度調(diào)速特性通常用R表示：

式（5）中，a表示速度變化率，ap表示功率輸出變化率。

頻率偏差與負(fù)荷擾動(dòng)的關(guān)系如式（6）所示：

式（6）中，D表示負(fù)荷阻尼常數(shù)。

電網(wǎng)一次調(diào)頻模型公式如式（7）所示：

電網(wǎng)具有揮發(fā)性和間歇性，它輸出的有功功率短時(shí)波動(dòng)較大，W也會(huì)隨之變大，電網(wǎng)頻率就會(huì)相應(yīng)地增加，為頻率調(diào)節(jié)能力提出了新的要求。

2.3 一次調(diào)頻控制策略

在以上分析的基礎(chǔ)上，形成的一次調(diào)頻控制策略流程，如下所示：

Step1：根據(jù)設(shè)定的誤差信號(hào)確定儲(chǔ)能初始運(yùn)行時(shí)刻；

Step2：儲(chǔ)能投入后，利用第i時(shí)刻的儲(chǔ)能調(diào)頻容量DDAA,ES(i)和初始調(diào)頻容量DDAA,G(i)，按照1∶1 比例對(duì)誤差信號(hào)SACE(t)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；

Step3：分析儲(chǔ)能參與因子α和電網(wǎng)動(dòng)態(tài)情況ΔPES，計(jì)算調(diào)頻所需電網(wǎng)儲(chǔ)能靈敏度；

Step5：切換檢測(cè)模式，利用儲(chǔ)能調(diào)頻容量DDAA,ES(i)和初始調(diào)頻備用容量PG·cap(i)，按照1∶1 比例對(duì)控制需求信號(hào)SARR(t)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；

Step6：按照上述比例，再一次重復(fù)Step3；

Step7：當(dāng)誤差信號(hào)SARR(t) 和頻域Δf(t)穩(wěn)定在閾值范圍內(nèi)，控制儲(chǔ)能，由此完成一次調(diào)頻。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真系統(tǒng)

Simulink 建立了額定工作頻率60 Hz 的電能儲(chǔ)存裝置，在儲(chǔ)能裝置中安裝兩臺(tái)輔助設(shè)備，分別是帶有25 MW/5 MWh 的完整調(diào)速設(shè)備和帶有250 MVA的勵(lì)磁設(shè)備。仿真系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 仿真系統(tǒng)

3.2 一次調(diào)頻控制偏差仿真分析

在極端擾動(dòng)場(chǎng)景、連續(xù)擾動(dòng)場(chǎng)景下，分別使用基于時(shí)域計(jì)算風(fēng)電功率爬坡率調(diào)頻控制方法Q1、利用T-location 概率分布模型調(diào)頻控制方法Q2 和基于多Agent 調(diào)頻控制方法Q3 對(duì)一次調(diào)頻控制偏差仿真分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 3種方法一次調(diào)頻控制偏差對(duì)比分析

分析圖4（a）：在極端擾動(dòng)場(chǎng)景下，使用3 種調(diào)頻控制方法，受到擾動(dòng)影響較大。尤其使用基于時(shí)域計(jì)算風(fēng)電功率爬坡率調(diào)頻控制方法、利用T-location 概率分布模型調(diào)頻控制方法，在時(shí)間分別為0～t1、t4～t5段內(nèi)，頻率偏差達(dá)到最高，分別為0.055 Hz和0.035 Hz。使用基于多Agent 調(diào)頻控制方法在時(shí)間為0～t1段內(nèi)，頻率偏差達(dá)到最高為0.020 Hz。

分析圖4（b）：在連續(xù)擾動(dòng)場(chǎng)景下，使用3 種調(diào)頻控制方法，受到擾動(dòng)影響較小。使用基于時(shí)域計(jì)算風(fēng)電功率爬坡率調(diào)頻控制方法在時(shí)間為t1～t2段內(nèi)，頻率偏差達(dá)到最高為0.039 Hz。利用T-location 概率分布模型調(diào)頻控制方法的時(shí)間為t7時(shí)間點(diǎn)，頻率偏差達(dá)到最高為0.018 Hz。使用基于多Agent 調(diào)頻控制方法的時(shí)間在t6～t7段內(nèi)，頻率偏差達(dá)到最高為0.002 5 Hz。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，使用基于多Agent 調(diào)頻控制方法無(wú)論是在極端擾動(dòng)場(chǎng)景和連續(xù)擾動(dòng)場(chǎng)景下，都具有良好控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

大規(guī)模分布式電源和微網(wǎng)接入主配電網(wǎng)絡(luò)，給整個(gè)電網(wǎng)的控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)?；诙郃gent的儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制是一種分布式、靈活、自主、協(xié)同控制的多Agent 系統(tǒng)，能滿足電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的控制要求。

受條件限制，文中對(duì)研究?jī)?nèi)容考慮得不夠全面?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行深入探討：

1）電網(wǎng)調(diào)頻存儲(chǔ)輔助裝置中，僅考慮電池諧振反饋、充放電效率和功率限制等因素。未來(lái)，該儲(chǔ)能模型可細(xì)化成不同類型的儲(chǔ)能單體。

2）在后續(xù)研究中，由于不同的儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)差異，需要進(jìn)一步探討儲(chǔ)能特性，而在輔助電網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)中，則以最小容量配置協(xié)調(diào)控制。