基于多Agent的储能参与电网一次调频控制

李吉晨，陈堂龙，葛维春，葛延峰，王琛淇

（1.南瑞集团有限公司，江苏南京 211100；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110000；3.国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁阜新 123000）

电网一次调频是指利用电力系统固有的负荷频率特性和发电机组调速器的作用，对电力系统的频率进行调节[1]。一次调频信号可以自动平衡快速小幅度的负载随机波动，同时也可以缓冲异常情况下的突发负载变化。主频的调节需要与调频控制相结合，才能达到无差调节频率[2]。

常规时域方法是通过计算储能爬坡速率来计算储能波动对电网频率的影响程度，利用小波变换和经验模式分解在频域上对储能波动进行了频域划分，按对电网频率的影响程度排序[3]。但是，这种方法的缺点是不能对储能波动的特性进行深入分析，因为储能波动本质上是一个正常的随机过程，它包含着复杂的时序过程；用T-location 概率分布模型描述电网的随机波动特性，用序列蒙特卡罗方法模拟电网发电时间序列。电网总装机容量即使在波动最剧烈的情况下，也不会使电网的频率动态超过极限[4]。但是，使用这种方法的缺点是，储能功率波动(对电网频率影响的上升幅度)较大，会对电网产生较大危害。

针对以上问题，提出了一种基于多Agent 的储能参与电网一次调频控制。该方法主要是研究多个电网主体之间的频率协调以控制储能。

1 基于多Agent调频控制原理

通过对多Agent分层设计，利用多Agent配电网无功协调控制方案，可以实现具体配电网无功优化[5-6]。图1 所示为多Agent频率调制控制过程。

图1 多Agent一次调频控制流程

在程序中，初始化主要用于为每个Agent 定义基本行为准则，多Agent协调控制的操作步骤如下：

第一步，初始化单元，为每个代理分配必要的约束和基本规则；

第二步，收集反应性组件的节点参数和操作参数，并为每一个组件提供所需的控制；

第三步，向区域代理提供受控组件的操作状态[7]。同时，区域代理为节点代理提供控制策略，让节点代理更改每个组件的操作状态[8]；

第四步，每个区域代理首先提供各自管辖的、处于运行状态的分销网络代理，以及与其他外部分销网络代理的运行参数相结合的初始数据处理，然后将数据处理结果发送到预先确定的统一格式的信息处理系统；

第五步，在模型预测后，估计环节将每个区域的无功控制策略反馈给相应的区域代理[9]。地区代理改变了电网的运行状态，再一次把电网的运行参数提交给评估环节进行调整[10-11]。

多Agent 通过连续的协调控制使电力系统既能保证自身的电网安全、可靠、经济运行，又能满足上级电网对合适电能的需求。

2 多Agent一次调频控制策略

2.1 调频死区分析

参加频率调制的主要目的是利用它的快速吞吐量，降低常规参加能量调制和频率存储单元的损耗，所以储能参与频率调制时的作用范围要小于常规机组。若系统未设置调频死区，系统调频功能输入频繁，影响电网稳定运行[12-13]。所以，在储能辅助电网调频应用中，储能系统死区问题也是影响其调频性能不可忽视的因素[14]。

利用储能装置中储能装置吸收/释放功率的SoC特性来描述超限区域，根据储能类型确定超限区域上下限值，调频死区控制策略，如图2 所示。

图2 储能参与电网一次调频死区控制策略

由 图2 可 知，当SoC∉(SoCmin,SoCmax)时，有P=Pbess；当SoC∈(SoCmin,SoCmax)时，有：

其中，ΔPbess为储能参与电网一次调频的输出功率，其表达式如下：

2.2 电网一次调频仿真模型

电网频率稳定运行的前提是系统有功的供需平衡。在电网中，有功功率变化较小的节点，用系统频率来反映。为保证各地区的供电质量，必须采用一定的方式合理地分配各机组用电需求，由控制中心对各机组的发电进行调节与控制。

电网是一个相互联系整体，单独的电网不可能达到安全稳定运行的目的。所以在实际系统中，一般不存在包含多个相关子系统的独立电源系统。对由两个或两个以上电源连接的子系统来说，除了保证其功率需求平衡外，还应保证其频率稳定。

电源有多种形式。电网在稳定运行过程中，一旦发生负荷扰动，电网的频率变化很快。通过对调频死区备用资源在负载干扰下的输出状态分析，建立其模型是十分必要的。电网负荷有功需求的变化将使原稳定运行的有功功率产生偏差，有功功率的偏离将通过转矩反映到发电机的角速度上，引起功率角的变化，从而影响整个电力系统的频率变化。

对电网有功功率和频率偏差关系的研究，如下所示：

其中，D表示电力系统惯性响应常数，ω表示角速度，ΔPL表示有功偏差。

当两个发电机并联时，要求两个发电机具有相同的初始转速。若两台发电机的初始转速不一致，则在并联运行时会发生碰撞，严重时会引起电机损坏。为使两台机组的并联工作顺利进行，电网中明确规定两台机组必须具有相同调速特性才能进行并联。速度调速特性通常用R表示：

式（5）中，a表示速度变化率，ap表示功率输出变化率。

频率偏差与负荷扰动的关系如式（6）所示：

式（6）中，D表示负荷阻尼常数。

电网一次调频模型公式如式（7）所示：

电网具有挥发性和间歇性，它输出的有功功率短时波动较大，W也会随之变大，电网频率就会相应地增加，为频率调节能力提出了新的要求。

2.3 一次调频控制策略

在以上分析的基础上，形成的一次调频控制策略流程，如下所示：

Step1：根据设定的误差信号确定储能初始运行时刻；

Step2：储能投入后，利用第i时刻的储能调频容量DDAA,ES(i)和初始调频容量DDAA,G(i)，按照1∶1 比例对误差信号SACE(t)进行动态分配；

Step3：分析储能参与因子α和电网动态情况ΔPES，计算调频所需电网储能灵敏度；

Step5：切换检测模式，利用储能调频容量DDAA,ES(i)和初始调频备用容量PG·cap(i)，按照1∶1 比例对控制需求信号SARR(t)进行动态分配；

Step6：按照上述比例，再一次重复Step3；

Step7：当误差信号SARR(t) 和频域Δf(t)稳定在阈值范围内，控制储能，由此完成一次调频。

3 仿真实验

3.1 仿真系统

Simulink 建立了额定工作频率60 Hz 的电能储存装置，在储能装置中安装两台辅助设备，分别是带有25 MW/5 MWh 的完整调速设备和带有250 MVA的励磁设备。仿真系统示意图如图3 所示。

图3 仿真系统

3.2 一次调频控制偏差仿真分析

在极端扰动场景、连续扰动场景下，分别使用基于时域计算风电功率爬坡率调频控制方法Q1、利用T-location 概率分布模型调频控制方法Q2 和基于多Agent 调频控制方法Q3 对一次调频控制偏差仿真分析，分析结果如图4 所示。

图4 3种方法一次调频控制偏差对比分析

分析图4（a）：在极端扰动场景下，使用3 种调频控制方法，受到扰动影响较大。尤其使用基于时域计算风电功率爬坡率调频控制方法、利用T-location 概率分布模型调频控制方法，在时间分别为0～t1、t4～t5段内，频率偏差达到最高，分别为0.055 Hz和0.035 Hz。使用基于多Agent 调频控制方法在时间为0～t1段内，频率偏差达到最高为0.020 Hz。

分析图4（b）：在连续扰动场景下，使用3 种调频控制方法，受到扰动影响较小。使用基于时域计算风电功率爬坡率调频控制方法在时间为t1～t2段内，频率偏差达到最高为0.039 Hz。利用T-location 概率分布模型调频控制方法的时间为t7时间点，频率偏差达到最高为0.018 Hz。使用基于多Agent 调频控制方法的时间在t6～t7段内，频率偏差达到最高为0.002 5 Hz。

通过上述分析结果可知，使用基于多Agent 调频控制方法无论是在极端扰动场景和连续扰动场景下，都具有良好控制效果。

4 结束语

大规模分布式电源和微网接入主配电网络，给整个电网的控制带来了极大的挑战。基于多Agent的储能参与电网一次调频控制是一种分布式、灵活、自主、协同控制的多Agent 系统，能满足电网对电力系统的控制要求。

受条件限制，文中对研究内容考虑得不够全面。可从以下几个方面进行深入探讨：

1）电网调频存储辅助装置中，仅考虑电池谐振反馈、充放电效率和功率限制等因素。未来，该储能模型可细化成不同类型的储能单体。

2）在后续研究中，由于不同的储能调频死区差异，需要进一步探讨储能特性，而在辅助电网调频系统中，则以最小容量配置协调控制。