基于温控负荷集群功率支撑的超低频振荡抑制策略

《Electric Power Systems Research》：Ultra low frequency oscillations suppression strategy based on power support from thermostatically controlled load clusters

　　

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  新型热力学-电气模型揭示了TCLs抑制ULFO的机制。
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  TCL集群的分层控制防止了水轮机调速器的机械磨损。
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  所提策略实现了系统阻尼比的三倍提升。

引言

在全球向低碳电力系统转型的背景下，基于逆变器的资源（IBRs）渗透率的不断提高降低了现代电网的有效转动惯量和频率调节裕度 [1]、[2]。在以水电为主的以及异步互联区域，例如具有长引水系统的中国西南地区，超低频振荡（ULFO）已成为一个独特的稳定性问题。与普通频率偏差不同，ULFO通常与以下因素之间的相互作用有关：水轮机调速器动态特性、水锤效应引起的非最小相位特性、一次频率调节（PFR）以及低于0.1 Hz频段内的微弱模态阻尼 [3]、[4]、[5]、[6]。最近的研究继续表明，在高渗透率水电系统和综合水电-可再生能源系统中，这一问题仍然具有重要的现实意义 [5]、[7]。

现有的ULFO抑制方法主要作用于电源侧或电网侧。调节水轮机调速器参数可通过改变比例、积分或微分作用来提高阻尼，但可能会牺牲一次调频（PFR）性能，并产生不利的稳态频率行为 [8]。GPSS和高级调速器侧阻尼控制器可以改善振荡模式，但频繁的导叶动作可能会增加机械应力和运行负担 [6]、[9]。此外，基于深度强化学习的鲁棒优化 [10]、水电耦合鲁棒阻尼控制 [11]、鲁棒固定阶ULFO控制 [12] 以及FSC-VSPSU稳定性/抑制策略 [13] 进一步表明，现有的ULFO缓解研究主要集中在电源侧控制、发电侧参数优化或专用发电/储能侧设备。最近的水电-光伏、HVDC、IBR和基于储能的方法提供了额外的有据功率阻尼通道，但其有效性取决于相应电源侧或电网侧资源的可用性、位置、备用裕度和控制权限 [7]、[14]、[15]、[16]、[17]。最近的稳定性增强研究进一步拓展了这一图景。Li等人将S域模态分析和参与因子分析与规划阶段的参数优化及运行阶段的数据驱动预测控制相结合，以增强可再生能源电力系统的小信号稳定性 [18]。Yuan等人开发了一种基于PCH的电源侧非机械能量重塑策略，用于构网型逆变器，通过调节有功和无功功率参考值来增强阻感网络中的暂态稳定性 [19]。动态交互感知抑制也在混合交流/直流可再生能源系统中得到了研究，其中通过协调优化可再生能源电站和LCC-HVDC控制参数来缓解动态交互引起的暂时过电压 [20]。这些研究展示了电源侧和电网侧稳定性增强机制的多样性。因此，需求侧的非机械补充阻尼资源仍然具有吸引力，特别是在大量存在空调负荷的水电主导区域。

恒温控制负荷（TCLs），特别是基于逆变器的空调，已被广泛研究作为灵活的需求侧资源。经典研究建立了TCL的聚合灵活性模型，并表明在热舒适性约束下，TCL群体可以提供调节容量 [21]。最近的工作进一步将TCL应用扩展到负荷频率控制、快速频率响应、合成惯量、延迟补偿控制和需求侧频率调节 [22]、[23]、[24]、[25]、[26]。此外，基于逆变器的空调负荷（IACL）研究表明，压缩机频率、制冷能力和电功率可以通过可控运行点进行近似映射，这为在需求响应和短时间尺度功率调节中使用IACL集群提供了重要的物理基础 [27]。

然而，现有的基于TCL的频率控制研究并未涉及ULFO阻尼问题。它们主要关注AGC跟踪、负荷频率控制改进、灵活性表征、合成惯量或延迟补偿调节，旨在跟踪指令、减小频率偏差或定义可行功率包络。在以水电为主的系统中，ULFO抑制是一个模态阻尼问题：必须将TCL的热力学-电气动态特性转化为有界有功功率阻尼通道，并与水轮机调速器小信号模型耦合。因此，差距在于一种专门针对ULFO的TCL控制策略，该策略将负荷侧的热力学响应与水轮机调速器的振荡模式联系起来。

为弥补这一差距，本文提出了一种基于TCL集群有界有据功率支持的ULFO抑制策略。所提策略与传统的基于TCL的LFC在三个方面有所不同。首先，控制目标是水轮机调速器相关ULFO模式的模态阻尼增强，而不是普通的AGC跟踪。其次，TCL的参与被表示为一种受舒适性、压缩机运行、聚合可用性和响应延迟约束的热力学-电气有据功率支持通道，而不是理想的连续可控功率源。第三，TCL支持通道被纳入水电主导系统的小信号状态空间模型中，以便通过特征值计算、Prony辨识和时间域仿真来评估其阻尼效果。

本文的主要贡献如下：

• 1.
  为基于逆变器的TCL集群建立了一个物理约束的热力学-电气阻尼通道，将压缩机频率控制、电功率转换、制冷动态特性和建筑热约束映射为聚合允许有据功率支持。
• 2.
  开发了一个分层TCL阻尼控制框架并嵌入到水电主导的小信号状态空间模型中，同时考虑了舒适性裕度、压缩机限制、终端可用性、通信延迟、丢包、恢复约束、基于容量的分配以及与水轮机调速器环的协调。
• 3.
  在水电单机带负荷系统和四机两区基准系统下，通过多种复杂运行场景的特征值分析、Prony辨识和时间域仿真验证了所提策略，展示了其ULFO抑制能力。

为了进一步阐明所提工作的新颖性，表1将典型的近期稳定性增强、ULFO和TCL频率控制研究与本文进行了比较。

本文其余部分组织如下。第2节建立了水轮机、调速器、发电机和TCL集群的热力学-电气耦合模型。第3节开发了分层TCL控制架构，并推导了TCL增广的小信号状态空间模型。第4节通过模态和时间域分析验证了所提策略。第5节对本文进行了总结。

章节摘要

系统建模与热力学-电气耦合

单机带负荷系统提供了最有效的配置，能够在捕获水电主导电网基本动态特性的同时消除复杂多机功角摇摆模式的干扰。为小信号稳定性分析奠定基础，本节构建了发电机、含水锤效应的水轮机调速器以及热力学-电气等效的详细动态模型

TCL参与电力系统功率支持的研究

本节开发了分层指令和聚合模型，将第2.3节中TCL的热力学-电气能力与ULFO阻尼小信号模型联系起来。由于单个TCL功率有限，而大量TCL群体具有可观的聚合灵活性，控制架构必须解决三个耦合任务：估算终端设备的实时可用容量、在聚合器之间分配有界阻尼指令以及协调快速TCL

仿真与讨论

在单机系统中验证了基于TCL的ULFO抑制后，本节将验证扩展到四机两区系统（图6）。使用文献[28]中的参数，其中G₁和G₂为水轮机组，G₃和G₄为汽轮机组。在Simulink中进行了时间域仿真，所得到的发电机角速度曲线如图7所示。如图7所示，在初始扰动后，所有发电机的转速以近似的相干方式振荡

结论

本文提出了一种基于TCL集群的补充阻尼策略，用于抑制以水电为主的电力系统中的ULFO。建立了一个统一的热力学-电气小信号模型，将逆变器空调的运行约束、TCL聚合有据功率响应和电网级阻尼贡献联系起来；同时，分层控制策略将分布式TCL灵活性转化为有界的聚合器级功率支持，同时考虑了通信延迟和丢包

CRediT作者贡献声明

魏茂华：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证、方法论、调查、形式化分析、数据管理。韩阳：软件、资源、数据管理、概念化。闫超峰：可视化、软件、数据管理。周萌：写作——初稿、验证、软件、形式化分析。贾静宇：软件、资源、形式化分析、数据管理。周斌：验证、资源、方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。

魏茂华|韩阳|闫超峰|周萌|贾静宇|周斌