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新能源快速功率调节PID算法的应用探究

2020-12-29 240 上传者：管理员

摘要：随着能源转型的不断推进，新能源接入比例不断提高，为保证送端大电网的稳定，大电网要求各新能源场站能够迅速调节全站功率输出。由于新能源设备的响应特征差异较大，可能存在响应滞后、调节速度限幅等问题，传统PID算法难以获得稳定高效的调节效果。本文为解决上述问题，使用前馈、动态积分参数、不完全微分等方式改进PID算法，使用遗传算法整定调节参数，优化PID控制器对不同设备的调控能力，加快新能源场站输出功率的调节速度、稳定性和抗干扰能力，提高电能质量和供电可靠性。

关键词：
PID算法
功率控制
动态积分参数
新能源发电
能源转型
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最近十五年以来，随着世界各国常规化石能源供应不确定性问题和节能减排形势的日益严峻，绿色可再生能源和环保型低碳经济越来越受到重视。随着市场需求和技术的发展，风电、光伏等装机容量也迅速增大。尤其最近十年，中国光伏和风电装机容量的增长极为迅速，并已于2010年年底超越美国成为全球风电装机容量第一的国家，于2016年超越德国成为光伏发电量世界第一的国家。我国各个地区新能源装机量都有大幅度增加，尤其是西北地区，新能源装机总量已经超过35%，新能源渗透率不断升高，挤占了常规水电、火电等具备转动惯量的常规能源[1]。因风电、光伏不具备快速频率响应能力，电网频率控制特性的结构性问题也愈发明显。

为解决上述问题，西北、华中、南网等各个区域电网，陆续推行新能源场站快速频率响应功能的应用工作。目前对新能源场站的要求为利用有功控制系统或其他装置来实现系统的功率调节，以实现快速频率响应(一次调频)功能，功率于频率的关系满足频率-功率下垂特性曲线。

本文从改善传统PID控制功率控制的稳定性出发，考虑实际新能源设备的响应特性，对PID控制算法进行优化，以实现新能源场站输出功率的快速稳定控制。

一、新能源场站的功率控制

(一)新能源设备的响应特性

各个新能源设备厂家的设备响应特性有所差异，对于全站功率控制而言，一般可将设备简化为带少量纯滞后的一阶线性模型。也有部分厂家会使用斜率控制模式，限制设备的调节速率，使其简化模型带有一个升功率的斜率限幅。考虑网损、设备输出偏差等因素，下发给新能源设备的输出功率设定值和新能源场站的输出功率实际值之间一般存在一定的偏差，因此一般构建反馈回路对输出功率进行调整，以确保场站能够达到设定的输出功率。

除设备自身的响应特性外，新能源设备极易受到自然环境的影响，如风机遇到风速、风向改变导致输出功率变化，光伏逆变器因云层飘过导致光照不均衡，或因被被浓密的云层遮挡导致无法发电。这些环境因素不确定性高，改变迅速，且较难预测。由于环境因素的改变，设备的发电能力可能产生连续、随机的快速变化，这类变化需要控制算法具备灵活高效的抗扰动能力。同时光照等因素的改变可能只影响部分设备，为确保系统能够充分利用其他未受影响的设备，要求控制算法能够有一套合理的均衡分配策略。

(二)新能源场站能量管理系统

新能源场站一般使用能量管理系统实现全站的功率计算、分配及设备管理。对于并网的新能源场站，能量管理系统一般获取调度的AGC有功功率指令，以AGC有功功率指令为基准，根据新能源场站并网点实时频率及下垂功率曲线计算频率偏差，并将目标功率值进行合理分配，下发到各个发电设备中，并通过并网点有功功率进行反馈闭环控制，以实现并网点功率的调节和稳定控制，常用控制算法为PID算法。

功率分配是将设定的全站输出功率的目标值，按照一定的分配策略，下发至各个发电设备中，由设备进行有功功率的实际输出。功率的分配一般考虑采用按照相似裕度分配、等比例分配、均衡分配等多种分配策略，也可根据设备可调节状态进行优化。当系统升功率时，将系统的目标功率，按照各个设备的当前输出功率的比例，划分给各个设备;监测各个设备的运行状态，如果设备能达到设定值，可视为仍有调节裕度，若未能达到设定值，可视为裕度不足。根据调节裕度对功率进行二次分配，可以充分利用所有发电设备，将目标功率准确输出到区域大电网。

二、功率控制PID算法

(一)传统PID算法

PID控制算法是目前工业领域使用最多的控制算法，该算法根据目标值和实际值偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行调节量的计算[2]，算法原理和实现简单，参数整定方便，并有较好的稳定性和鲁棒性，适合各类难以获得精确模型的工业控制过程。其中，比例调节作用主要用于加快系统的响应速度，积分调节作用主要用于消除目标值与实际值的静态误差，微分调节作用主要用于应对系统的干扰，提高系统对偏差变化量的处理能力，优化系统的动态性能。

(二)前馈-反馈PID算法

对于新能源风电场站和光伏场站，系统的主要输出为场站的输出功率，场站的能量管理系统一般可选用PID控制算法调节新能源场站的输出功率。考虑PID是一种反馈调节，使用实际值与设定值之间的偏差作为调节变化量的输入，系统只有在检测到偏差之后才会调节功率的设置和输出。当调度下发新的输出功率时，系统首先修改目标功率值，检测到目标功率与并网点实际测量功率存在较大偏差，根据偏差使用PID算法调节功率输出量。为提高系统响应速率，为PID算法增加前馈控制，形成前馈-反馈PID控制。前馈控制可以有效提高系统的响应速度，但调节精度一般不高，比较适合系统的“粗调”，前馈控制调节后，系统输出的设定值与实际值之间的偏差一般会减少到一个较小范围内，在该范围内进行PID调节，调节所需的时间和调节的稳定性均优于直接使用PID算法进行调节。

(三)动态积分参数

对于新能源场站，尤其是部分存在调节限幅、响应滞后等问题的场站，使用传统PID算法或前馈-反馈PID算法，一般会有第一个波峰超调较大的问题，除去比例参数设置不合理之外，主要问题是积分项在调节第一次达到稳态点之前，积累了较大的调节量，导致积分饱和。

为解决此问题，一般考虑采用积分限幅、积分分离等方式[3]，积分限幅的基本方法为:当积分值累计达到限幅值后，对积分值进行限制，以确保积分值不会超出限幅值;积分分离的基本方法为:当目标与实际值的偏差超出设定范围时，不进行积分值的累加操作。上述两种方法可以解决积分饱和问题，但当功率偏差一直超出设定范围等情况下，由于积分不再起作用，可能导致偏差始终过大、无法有效调节等问题。

为解决该问题，本文采用动态积分参数进行PID控制算法的优化，可保持原有PID的稳定性和鲁棒性，也能够有效解决积分饱和等问题，同时可以优化PID调节的第一个波峰的超调量。当新能源场站从调度获取一个新的输出功率目标值时，系统进行功率调节，此时期望起主要调节作用的是前馈调节和PID比例、微分调节，因此削弱积分作用，将积分的参数设置为较小值;随着调节过程不断推进，前馈调节和PID比例调节趋于稳定，此时期望起主要调节而作用的分量由前馈调节和PID比例调节转化为PID积分调节，因此在调节过程中不断恢复积分的参数，在前馈调节和PID比例调节完全作用后，积分的参数也恢复为初值，具备完整的积分调节能力。

(四)不完全微分及微分先行

PID算法中的微分可以用来提高系统动态特性。微分作用根据偏差的变化速率，提供一个超前的调节效果，可以提高系统调节的快速性，同时具备减少超调量、削弱震荡等功能。但如果系统存在高频变化，或突变等情况，系统的调节稳定性会有所降低。对于新能源场站这类系统，系统的输入量受限于自然界的风光资源，本身具有较强的不确定性，可能产生一些随机的波动，微分作用对此类波动较为敏感，会产生较大的调节量，降低系统的稳定性。

为解决该问题，一般可以使用不完全微分控制。不完全微分是在微分作用后引入一个一阶惯性环节，让本会突然变化的微分调节量，分成多个控制周期，以一种较为平缓的方式输出。使用不完全微分，可以在不减小微分作用总调节量的前提下，降低因为偏差突变产生的波动，提高系统的稳定性。

新能源场站的有功功率设定值会根据调度AGC有功功率指令频繁变化，且变化值可能较大。如直接使用微分控制，在每次功率设定值变化时，易产生较大的微分作用。微分先行是使微分作用仅对测量值产生的偏差起作用，不对设定值起作用，使用微分先行可以避免因设定值的变化而产生较大的调节波动，让微分作用专注于解决因自然风光资源变化产生的功率波动。

(五)参数整定

PID算法比例、积分、微分参数的设置会直接影响算法的控制效果，传统的参数整定方法包括:临界比例法(Z-N法)、衰减曲线法等。除传统方法外，也可使用随机搜索算法进行参数整定，如遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等人工智能算法。

通过遗传算法进行参数整定的PID算法，调节曲线与常规PID曲线相比，一般调节初期的波峰更小，调节更为平稳，抗干扰能力更强。为确保系统综合工况的稳定性，对此类参数整定的PID算法，应当做更为充分的测试，以确保算法的可靠性。

三、结语

本文讨论了新能源场站的功率控制PID算法的多种优化途径和优化效果。其中，增加前馈功能可提高系统调节的快速性;使用动态积分参数可减小系统超调量，使系统调节更为平稳，适合新能源发电等对平稳性要求高的场景;不完全微分及微分先行能够避免系统调节量因目标值变化而产生突变，可以提高系统的动态稳定性。同时使用遗传算法整定PID控制参数，综合优化算法的控制效果。使用上述优化方案，可提高新能源场站输出功率控制的快速性和稳定性，提高供电可靠性和电能质量。

参考文献：

[1]孙骁强,高敏,刘鑫,等.风电场参与西北送端大电网频率调节的快速频率响应能力实测与分析[J].南方电网技术,2018(1):48-54.

[2]刘汉程.PID控制算法的研究[J].城市建设理论研究,2014,000(015):1-5.

[3]万冰.船载卫星通信系统中PID算法的应用与探究[J].计算机技术与发展,2015,25,221(09):178-181.

周岳.新能源快速功率调节PID算法的应用和优化[J].科技风,2021(01):1-2.