新能源電力系統AGC 調頻容量監測設計

郭佳強

（中國電建集團重慶工程有限公司，重慶 400050）

0 引 言

傳統的自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）主要針對傳統機組進行調節和控制，未完善新能源發電的調頻能力評估和監測方法[1]。同時，新能源發電存在波動性和不確定性，使得準確評估AGC 調頻變得更加復雜和困難[2]。因此，需要開展新能源電力系統AGC 調頻容量監測的研究，以提高電力系統的穩定性和可靠性。

1 AGC 調頻容量考核標準

采用有功平衡考核A 標準進行評價，A1 要求在一定間隔內區域控制誤差（Area Control Error，ACE）過零，以定性反映ACE 過零次數為主；A2 要求在所設的時間間隔內，ACE 均值的絕對值要小于規定限值。文章使用A2 標準來量化調頻表現的情況，ACE 的計算公式為

式中：ACE(t)表示t時刻的區域控制偏差；ΔF(t)表示t時刻的頻率偏差；ΔP(t)表示t時刻的有功功率偏差；Kp表示比例控制增益；Ki表示積分控制增益；∫ΔP(t)dt表示有功功率偏差的積分。通過計算ACE在所設時間間隔內平均值的絕對值來評估AGC 調頻容量。將考核總時間T分成若干個時間間隔，記為Δt，并對每個時間間隔Δt內的ACE值進行累加計算，可以得到

式中：n為總時間T內的時間間隔數。根據式（2），計算ACE在考核總時間T內的平均值，即

2 AGC 調頻容量影響因素

AGC 調頻容量是指電力系統中的發電機組根據實際負荷和預測出力進行調節的能力，以確保系統頻率的質量，使其保持在合理的范圍內。調頻標準差為頻率偏差的均方根值。其數值越小，說明電力系統的頻率波動越小，系統的穩定性越高。因此，通過調節和控制AGC 調頻容量，可以減小調頻標準差，提高電力系統的穩定性和可靠性。調頻標準差的計算公式為

式中：σ表示調頻標準差；T表示區域考核總時間；Ps(t)表示t時刻系統凈調頻功率。

3 區域內AGC 調頻容量評估

3.1 傳統機組調頻功率

傳統機組是指傳統的發電機組，如火力發電和水力發電等。這些機組通常具有較為穩定的發電能力，其波動量可以通過歷史數據和經驗進行預測與建模。AGC 調頻機組出力變化量可以表示為

式中：Pk,t和Pk,t+Δt分別為第k臺AGC 調頻機組在t和t+Δt時刻的出力。電網內有NN-A臺非AGC 機組，則t時刻非AGC 機組的出力變化量為

式中：Pi,t和Pi,t+Δt分別為第i臺非AGC 調頻機組在t和t+Δt時刻的出力。匯總2 種傳統機組的出力變化量，即可計算出傳統機組的總出力變化量。由于機組在調節中會存在調節偏差量ΔPG,t，因此可用機組的調節精度來度量，以得到t時刻傳統機組的調頻功率，公式為

3.2 新能源調頻功率

通過統計歷史發電數據的實際值與預測值之間的偏差來計算新能源的預測偏差值，即

式中：avg(·)為平均值函數；ΔGe,t為t時刻的新能源誤差預測值；Ghs,t和Gha,t分別為t時刻新能源出力預測值和實際值。通過計算t和t+Δt時刻能源出力差值，并疊加預測偏差，可得到t時刻新能源調頻功率，即

3.3 負荷調頻功率

通過統計歷史數據的實際值與預測值之間的偏差來計算實際負荷與預測負荷之間的偏差，負荷誤差預測值的計算公式為

式中：Lha,t和Lhs,t分別為t時刻的負荷實際運行值和預測值。結合預測結果，可以計算t時刻的負荷調頻功率，即

式中：Ltmax和Ltmin分別為t時刻的最高負荷值和最低負荷值。

3.4 聯絡線調頻功率

在考慮聯絡線交換計劃的調頻分量時，可以計t時刻聯絡線的調頻功率，即

式中：N1,t+Δt和N1,t分別表示t+Δt時刻和t時刻聯絡線交換計劃功率。可以通過監測實時數據來獲取聯絡線的功率變化情況，包括發電機組出力的變化、負荷變化和線路損耗的變化等。

3.5 基于ELM 模型預測調頻標準差

輸入歷史典型日內n個考核時段的初始調頻標準差，由式（4）求得矩陣σ=[σ1,σ2,…,σn]T；輸出為預測未來m個時段的調頻標準差，ELM 模型的映射為

式中：g(·)為隱藏層激活函數，文章選用Sigmoid 函數；bj為連接輸入層與隱藏層間的偏差值；ωj為連接輸入層與隱藏層的權重向量；βk為連接隱藏層與輸出層的權重向量。

以系統中某一調頻容量初值c為例，在系統中篩選調頻容量r∈[c-Δc，c+Δc]和調頻標準差t∈[0,σmax]的數據；然后計算數據中滿足考核要求|A2|≤A2*的數據達標概率G(c,σmax)，即

式中：σmax為調頻標準差上限；H為調頻容量達標概率；A2*為考核標準限值；A2為調頻容量取c和調頻標準差屬于[0,σmax]下ACE 均值的絕對值；c為調頻容量。

基于ELM 預測模型，可以得到調頻標準差上限σmax，代入式（14）即可求得AGC 調頻容量達標概率。通過建立調頻容量的目標函數，計算使達標概率G(c,σmax)大于置信度F的最小調頻容量。

4 新能源系統AGC 調頻容量評估流程

首先，從電網供需平衡出發，綜合考慮機組多種因素，并根據相關公式計算不同類型發電機組的調頻功率。其次，根據新能源發電的相關數據和歷史負荷數據，估算新能源和系統負荷的調頻功率，并根據歷史數據估算聯絡線的調頻功率。再次，根據新能源調頻分量、負荷調頻分量和聯絡線調頻分量，得到系統的凈調頻功率，并計算系統的初始調頻標準差。最后，使用詳盡可能性模型（Elaboration Likelihood Model，ELM）預測未來時段的調頻標準差，并統計得到調頻標準差的上限。評估新能源系統AGC 調頻容量時，需要設定調頻容量的初始值，并使用歷史調頻容量的最小值。如果結果滿足條件，則調頻容量為計算得到的值；反之，需要增加AGC 調頻容量的步長，重新計算調頻概率分布。

5 算例實驗

利用文章提出的AGC 調頻容量計算方法，收集并分析貴州黔源電力某天各個時段的負荷、發電機組情況和新能源發電等數據，以得到不同時間段的AGC 調頻容量。在00:00—06:00 早高峰期間，觀察到機組調頻次數較高。這是因為夜間負荷相對較小，電網對負荷變化的敏感度較高，因此需要更頻繁地調整調頻容量；在12:00—17:00 期間，機組調頻次數較低。這是因為白天負荷較大，需要電網更穩定地運行。根據觀察結果，可以采取相應的措施調整調頻容量的分配，如增加或減少調頻機組的投入，以確保電網的供需平衡，提高電網的運行效率。

文獻[3]提出了一種將負荷分解為不同的分量，并利用統計等方法確定調頻容量需求的方法。通過分析負荷分量，可以更準確地估計調頻容量的需求情況。然而，這種方法僅考慮了負荷分量的影響因素，沒有綜合考慮其他可能影響調頻容量的因素，因此具有一定的局限性。文獻[4]提出了一種系統最小慣量與一次調頻容量評估模型。該模型通過估算可以得到系統的最小功率靜態特性系數，從而更全面地評估調頻容量的需求。雖然該模型考慮了系統的慣性特性與調頻容量之間的關系，可以更準確地預測調頻容量的需求，但是對動態特性的考慮較少，因此在實際應用中仍存在一定的局限性[5]。

不同方法獲得調頻容量和調頻表現結果對比如表1 所示。

表1 不同方法獲得調頻容量和調頻表現結果對比

由表1 可知，文章所提方法的平均調頻容量和越限概率均低于文獻[3]和文獻[4]所提方法，可以提供相對穩定的調頻，能夠有效地分配調頻容量。

6 結 論

文章采用了ELM 來預測調頻標準差，并綜合考慮了傳統機組、負荷、新能源以及聯絡線等歷史數據，提出了一種新能源電力系統AGC 調頻容量監測方法。實驗結果證實，文章所提方法可以有效地分配調頻容量，且能夠精確監測和評估新能源電力系統中的調頻容量，為系統運行和調度提供了重要的參考依據。