多区域并网混合电力系统中基于GOA优化的PDF+(β+PI)负荷频率控制框架研究

为解决可再生能源并网导致的电网惯性降低和频率波动问题，Muhammad Majid Gulzar团队提出了一种基于草蜢优化算法(GOA)的PDF+(β+PI)级联控制器。该研究通过优化控制参数，显著降低了时间积分绝对误差(ITAE)，在应对负荷突变、可再生能源渗透和参数不确定性方面展现出优越性能，为多区域电力系统稳定性提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源在电力系统中的渗透率持续攀升，电网面临惯性降低、频率波动加剧等严峻挑战。传统化石燃料主导的电力系统具有相对稳定的旋转备用容量，而风电、光伏等间歇性能源的并网使得系统调频压力倍增。尤其当多区域电网通过联络线互联时，负荷突变和可再生能源出力波动会引发连锁频率偏差，严重时可能导致大范围停电事故。在此背景下，如何设计兼具快速响应和鲁棒性的负荷频率控制器(LFC)，成为保障新型电力系统安全运行的核心难题。

沙特阿拉伯国王科技大学的研究团队在《Renewable Energy Focus》发表创新成果，提出基于生物启发算法的级联控制策略。研究人员构建了包含光伏、风电、水电和电动汽车(EV)的两区域互联系统模型，开发了滤波微分比例(PDF)与β比例积分(β+PI)的级联控制器结构。通过草蜢优化算法(GOA)对控制器参数进行全局寻优，并采用Lyapunov稳定性理论和频域分析法验证系统鲁棒性。

关键技术方法包括：1) 建立含EV聚合模型的两区域混合能源系统；2) 设计PDF+(β+PI)级联控制架构；3) 应用GOA算法优化ITAE目标函数；4) 通过Routh-Hurwitz准则和Nyquist图进行稳定性验证；5) 对比PI-PD、1+PID等传统控制器性能。

研究结果
建模与控制器设计
构建的测试系统包含太阳能-火电(区域1)和水电-风电(区域2)的混合结构，EV作为分布式储能单元参与调频。提出的PDF+(β+PI)控制器通过GOA优化后，其ITAE指标较传统PID降低62.3%。

稳定性验证
Lyapunov函数证明系统全局渐近稳定，Routh-Hurwitz阵列显示所有特征根位于左半平面。Nyquist图未包围(-1,0)点，相位裕度达89.8°，证实系统具备强鲁棒性。

性能对比
在±20%负荷阶跃扰动下，PDF+(β+PI)的调节时间比FOPID缩短1.8秒，超调量降低43%。当可再生能源渗透率增至40%时，仍能维持频率偏差在±0.15Hz以内。

结论与意义
该研究开创性地将生物启发优化与级联控制相结合，解决了高比例可再生能源电网的调频难题。GOA优化的PDF+(β+PI)控制器展现出三项突出优势：1) 通过β参数动态调整积分强度，避免传统PI引起的振荡；2) 滤波微分环节有效抑制测量噪声；3) 全局优化确保不同运行工况下的适应性。实验证明该方案在应对EV充放电扰动、风光出力波动等复杂场景时，性能显著优于现有控制策略。这项成果为构建具有强抗扰能力的智能电网控制系统提供了重要技术路径，尤其适用于可再生能源占比超过30%的多区域互联系统。