基于PO优化的级联FOIAN-PTD策略在风光热储联合系统频率控制中的应用研究

针对高比例可再生能源并网导致的频率失稳问题，Alaa A. Mahmoud团队提出了一种结合分数阶积分加速滤波器(N)与比例倾斜微分(FOIAN-PTD)的级联控制器，通过Puma优化器(PO)调参，集成电容储能(CES)和超导磁储能(SMES)，使Δf1/Δf2/ΔPtie的超调量改善达89.3%/90.7%/95.1%，为混合电网提供了高性能频率控制框架。

　　

随着全球能源结构转型加速，风光等可再生能源(RES)大规模并网给电力系统频率稳定性带来严峻挑战。传统火力发电机组惯性响应能力与随机波动的可再生能源形成鲜明对比，加之负荷扰动和电网参数变化，使得频率偏差(Δf)和联络线功率波动(ΔP_tie)成为制约高比例可再生能源电网安全运行的关键瓶颈。现有负载频率控制(LFC)策略如传统PID、分数阶PID(FOPID)等，在应对复杂多变的运行工况时表现乏力，亟需开发兼具快速响应能力和鲁棒性的新型控制架构。

在此背景下，Alaa A. Mahmoud团队在《Engineering Applications of Artificial Intelligence》发表的研究中，创新性地提出了基于Puma优化器(PO)的级联分数阶积分加速-比例倾斜微分(FOIAN-PTD)控制策略。该研究通过构建包含风电、光伏、火电及储能系统的两区域互联微电网模型，采用PO算法优化控制器参数，并对比分析了电容储能(CES)、超导磁储能(SMES)及其组合系统的动态响应特性。关键技术方法包括：建立风光出力随机模型、设计FOIAN-PTD控制器的分数阶传递函数、应用PO进行多目标参数优化，以及基于时域仿真评估系统在阶跃负荷扰动和参数摄动下的稳定性。

研究结果显示：

1. 1.

   控制器性能验证：FOIAN-PTD在阶跃负荷扰动下，相比传统PID使区域1频率偏差Δf₁的超调量(OS)和欠调量(US)分别降低89.3%和88.9%，区域2(Δf₂)改善达90.7%/84.3%，联络线功率ΔP_tie波动抑制效果提升95.1%/90.6%。

2. 2.

   储能系统协同：CES与SMES联合运行时，动态响应速度较单一储能系统提高50%以上，在10%负荷扰动下将Δf₁的US从-1.175×10^-3 Hz降至-4.643×10^-4 Hz。

3. 3.

   鲁棒性测试：当系统惯性常数(M)、阻尼系数(D)等参数发生±50%变化时，控制策略仍保持稳定，ITAE指标波动范围仅0.0196-0.0527。

4. 4.

   通信延迟耐受：在200ms通信延迟下，频率偏差幅值增幅<15%，显著优于FOPIDA-FOIDN等对比控制器。

该研究的创新价值在于：首次将分数阶积分加速单元与低通滤波器(N)、比例-倾斜-微分(PTD)单元有机结合，通过PO算法实现9个控制参数的全局优化。工程实践意义体现在：为含高比例可再生能源的电网提供了可扩展的LFC解决方案，其采用的CES/SMES混合储能配置方案，已通过西班牙La Palma电网4MW/20MWs实证数据的间接验证。未来研究方向可聚焦于三维度拓展：多类型储能协同控制策略、考虑虚拟惯量的广义频率响应模型，以及基于FPGA的控制器硬件在环验证。

这项研究从理论方法到工程应用均具有突破性，其提出的"优化算法-先进控制-储能协同"三位一体技术路线，为构建新型电力系统提供了重要技术储备，相关成果可直接应用于风光基地配套储能系统的频率控制模块设计。