1、第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.2023大规模空调负荷参与新能源电力系统调频的无模型自适应控制方法左强，李波，杨世海（国网江苏省电力有限公司营销服务中心，江苏 南京 211103）摘要：针对大规模空调负荷参与新能源电力系统的调频问题，提出了一种基于无模型自适应控制的频率调节方法。首先，建立了包含大规模风力发电的多区域互联电网模型，风力发电系统通过虚拟惯量控制参与电网调频；其次，采用等效热力学参数模型构建了定频和变频空调模型，通
2、过大规模空调聚合建立了空调负荷调频模型；然后，利用无模型自适应控制算法完全数据驱动、无需模型参数、抗干扰能力强、适用于非线性时变系统的特点，设计了区域互联电网自动发电控制器以及空调控制器，实现了大规模空调负荷参与新能源电力系统的频率控制。算例仿真在三区域互联电力系统展开，在负荷扰动、风电波动和环境温度变化等条件下进行的仿真表明：提出的无模型自适应频率控制算法能够控制大规模空调负荷有效抑制风电接入和负荷扰动带来的频率波动。关键词：空调负荷；风力发电；电力系统调频；无模型自适应控制DOI：10.19781/j.issn.16739140.2023.02.025中图分类号：TM464文章编号：167
3、39140（2023）02022408Modelfree adaptive frequency control of renewable energy power systems withparticipation of largescale air conditioner loadsZUO Qiang，LI Bo，YANG Shihai（Marketing Service Center，State Grid Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210036，China）Abstract：Aiming at the problem of larges
4、cale air conditioner loads participating in the frequency regulation of renewableenergy power systems，a frequency regulation method based on modelfree adaptive control（MFAC）is proposed.Firstly，a multiarea interconnected power grid model including largescale wind power generation is established.The w
5、ind powergeneration system participates in power grid frequency regulation through virtual inertia control.Secondly，the equivalentthermodynamic parameter（ETP）model is used to build fixedfrequency and variablefrequency air conditioner models，and the frequency regulation model of air conditioner loads
6、 is established through largescale air conditioner aggregation.Then，the automatic generation controller（AGC）and air conditioner controller（ACC）of multiarea interconnected powergrid are designed based on the MFAC algorithm，of which the advantages are completely datadriven，no modelparameters，strong an
7、tiinterference ability and suitable for nonlinear timevarying systems，thereby realizing the control oflargescale air conditioner loads participating in the frequency regulation of renewable energy power systems.Simulationstudies are carried out in a threearea interconnected power system.The simulati
8、on results obtained under the conditions ofload disturbance，wind power fluctuation and ambient temperature change show that the proposed MFAC frequency controlalgorithm can control largescale air conditioner loads and effectively suppress the frequency fluctuation caused by windpowers and load distu
9、rbances.Key words：air conditioner load，wind power generation，power system frequency regulation，model free adaptive control收稿日期：20220117；修回日期：20220621基金项目：国家电网有限公司科技项目（J2021152）通信作者：杨世海（1976），男，硕士，高级工程师，主要从事需求侧资源优化、电测量与系统分析技术研究；Email：左强，等：大规模空调负荷参与新能源电力系统调频的无模型自适应控制方法第 38 卷第 2 期随着风力、光伏等新能源的不断接入，电网的新能
10、源占比不断增加，电网正在逐步转变成新能源电力系统1。新能源的大规模接入使得电力系统的惯量不足，电网的频率问题日益突出。传统的发电侧资源占比不断下降，已经难以应对新能源发电的波动性和间歇性。为维持供需平衡，迫切需要挖掘需求侧的灵活资源，参与新能源电力系统的调频服务23。空调负荷是典型的需求侧可调节资源之一，在夏 季 负 荷 的 高 峰 期 占 尖 峰 负 荷 比 例 可 达 30%50%，具有数量大、成本低、响应快的特点4。研究人员对空调负荷参与电网调频展开了研究。文献 5采用热力学模型建立了单台空调模型以及空调负荷聚合模型，引入了集中控制和分散控制两种模式，但缺少针对调频服务的建模。文献 67
11、 建立了面向频率响应的空调负荷聚合模型，基于下垂控制提出了频率响应的空调负荷控制策略。文献 8 进一步考虑电气特性建立了空调负荷集群模型，根据频率偏差设计控制器调控空调负荷参与调频。然而，文献 58 中的空调频率控制器都采用传统的比例-积分（proportional integral，PI）控制，控制器的设计依赖于系统模型，而电力系统和空调负荷的真实模型参数难以获取，且控制方法对模型的抗干扰能力不足。无模型自适应控制（modelfreeadaptive control，MFAC）910是一种完全数据驱动方法，算法可以处理非线性时变系统，无需系统的模型参数，且具有较强的抗干扰能力。针对目前研究存
12、在的不足，提出一种基于无模型自适应控制 MFAC 的频率控制方法，应用于大规模空调负荷参与下的新能源电力系统调频。通过仿真测试与比较，验证频率控制方法的有效性和优越性。1新能源电力系统频率控制1.1电力系统调频模型所研究的多区域电力系统由m个区域组成，第i()i=1，2，m个控制区域模型如图 1 所示。频率是电力系统的一个重要稳定参数，电力系统的频率 主 要 由 一 次 调 频（primary frequency regulation，PFR）和 二 次 调 频（secondary frequency regulation，SFR）。从图 1 可以看出，PFR 由调速器实现，使电力系统频率保持
13、在允许的范围内。然而，在负载扰动下，PFR 会产生稳态控制误差。因此，使用 SFR消除稳态控制误差，调节系统频率到额定值。SFR通 过 自 动 发 电 控 制（automatic generation control，AGC）实现，控制发电机的功率输出，以维持负载扰动下的频率稳定性，此功能一般也被称为负荷频率控制。AGCPFRPFR调速器汽轮机发电机iPtii1/RiPviviACEi+PwtiPmiPaci+2s1Tgis+11Tchis+11Mis+Dij=1，j inTij+j=1，j inTijjPdi图 1多区域互联电网模型Figure 1Model of multiarea int
14、erconnected power grids考虑风电和空调负荷参与调频，由图 1 可得多区域互联电网1112的动态方程Mididt=Pmi+Pwti+Paci-Pdi-Pti-Dii（1）TchidPmidt=-Pmi+Pvi（2）TgidPvidt=-Pvi-1Rii-vi（3）式 中，i、Pdi、Mi、Di分 别 为 频 率 偏 差、负 荷 偏差、等效惯量常数、等效阻尼系数，i=1，2，m；Pmi、Tchi、Pvi、Tgi、Ri分别为机械功率偏差、汽轮时间常数、阀门位置偏差、调速器时间常数、速度下垂系数；Pti为联络线功率偏差，动态方程为dPtidt=2j=1，j imTiji-2j=1
15、，j imTijj（4）式中，变量Tij为控制区域i和区域j之间的同步因子；Pwti和Paci分别为风电机组和空调负荷产生的功率偏差，将在后续章节进行详细介绍。区域控制偏差Ai为Ai=ii+Pti（5）其中，i为频率偏差因子。对于常规的比例-积分225电力科学与技术学报2023 年 3 月控制方案，AGC输出的控制量为vi=KPiAi+KIiAidt（6）式中，KPi、KIi分别为比例与积分系数。1.2风力发电系统调频模型风电场采用单个风机模型进行聚合等效1314，风机将风能转换为机械能量Pm，可表达为Pm=0.5tR2tCp(t，t)v3w（7）式中，t、Rt、Cp()、t、t、vw分别为空
16、气密度、风机叶片长度、风能转换系数、叶尖速比、桨距角、风速。风机的叶尖速比定义为t=tRtvw（8）式中，t为风机叶片转速。风能转换系数Cp()描述风机空气动力学特征，表达式为Cp()t，t=1()2ti-3t-4e-5ti+6t（9）1ti=1t+7t-83t+1（10）式（9）、（10）中，1，2，8为给定常数。风机的机械传动系统采用单质量块模型2Hwt r=Tm-Te-Dwtr（11）式中，r为风机转速并有r=t；Hwt为风机惯性时间常数；Dwt为风机阻尼系数；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩。当电网频率受到扰动时，基于电力电子控制的风电机组本身不能够提供惯性支撑，但是可以通过快速调节风电机组有功功率，控制机组释放或者存储旋转动能，从而虚拟出比自身惯量更大的虚拟惯量，提供对电网的惯量支撑，这种控制策略称为虚拟惯量控制（virtual inertia control，VIC）。采用 VIC 时，通过在风电机组的有功功率控制环节附加与频率偏差相关的功率指令为Pe=-kvic-Hvicddt（12）式中，kvic、Hvic、Pe分别为虚拟惯量控制的比例系数、微分系数、功率偏移量。将附加功
