水电机组AGC抗扰控制与电网惯量补偿方法

摘要：随着电力系统规模的不断扩大以及新能源的广泛接入，电网的稳定性和可靠性面临着诸多挑战。水电机组作为电力系统中的重要组成部分，其自动发电控制（AGC）的抗扰性能以及对电网惯量的补偿作用对于保障电网稳定运行至关重要。本文深入研究水电机组 AGC 抗扰控制策略，分析电网惯量补偿的有效方法，旨在提升电力系统在复杂工况下的运行性能，为电力系统的安全稳定运行提供理论支持与技术参考。

关键词：水电机组；AGC 抗扰控制；电网惯量补偿

一、引言

在现代电力系统中，负荷的随机波动以及新能源发电的间歇性和不确定性，给电网的频率稳定和功率平衡带来了严峻考验。水电机组凭借其启停迅速、调节灵活等优势，在电力系统的频率调节和负荷跟踪中发挥着关键作用。AGC 作为水电机组实现自动功率调节的重要手段，能够根据电网频率和负荷变化自动调整机组出力，维持系统发电与负荷的平衡。然而，实际运行中，水电机组 AGC 系统会受到多种干扰因素的影响，如负荷突变、引水系统的水力波动以及外部电网的扰动等，导致 AGC 控制性能下降，影响电网的稳定运行。

二、水电机组 AGC 系统及其干扰因素分析

2.1 AGC 系统工作原理

水电机组 AGC 系统通常是能量管理系统（EMS）的重要组成部分。其基本工作原理是通过实时监测电力系统的频率、负荷以及机组的运行状态等参数，根据预设的控制策略和算法计算出机组需要调整的有功功率指令。然后，该指令通过通信网络传输至水电机组的调速器系统，调速器通过控制导叶开度或桨叶角度等方式改变水轮机的输入功率，进而调整水电机组的输出功率，实现对电网负荷变化的跟踪以及维持系统频率的稳定。

2.2 干扰因素分析

2.2.1 负荷突变干扰

电力系统中的负荷具有随机性和波动性，尤其是在工业生产、居民生活用电的高峰时段或一些大型设备启停时，可能会出现大幅度的负荷突变。这种负荷突变会导致电网频率瞬间发生较大偏差，对水电机组 AGC 系统产生强烈的扰动。水电机组需要在短时间内快速调整出力以平衡负荷变化，然而负荷突变的不确定性增加了 AGC 系统控制的难度，容易引起机组功率振荡甚至超调，影响电网的稳定运行。

2.2.2 引水系统水力波动干扰

水电机组的引水系统通常具有较长的管道和复杂的水力结构。在机组负荷调整过程中，水流速度和压力会发生变化，导致引水系统中产生水力波动，即水锤现象。水锤效应会引起水轮机进口水压的不稳定，进而影响水轮机的出力特性。这种水力波动干扰具有非线性和时变性的特点，使得 AGC 系统难以准确预测和补偿，降低了水电机组的控制精度和响应速度，对 AGC 系统的抗扰性能提出了严峻挑战。

三、水电机组 AGC 抗扰控制策略

3.1 基于线性自抗扰控制（LADRC）的方法

线性自抗扰控制将系统内、外扰统一为总扰动，借助扩张状态观测器（ESO）实现实时估计与补偿。在水电机组 AGC 系统应用时，需先综合引水系统、水轮机、发电机动态特性建立数学模型，据此设计含跟踪微分器（TD）、ESO 和状态误差反馈控制律的 LADRC 控制器。TD 用于跟踪给定信号并平滑过渡，减少信号突变冲击；ESO 实时估计系统状态与总扰动并前馈补偿；状态误差反馈控制律依据实际与期望状态误差生成控制信号驱动调速器。该方法可有效抑制干扰，提升 AGC 系统抗扰性与控制精度，具备强鲁棒性与适应性。​

3.2 模糊自适应控制方法

模糊自适应控制是利用模糊逻辑推理系统，根据系统的运行状态和误差信息实时调整控制器的参数，以适应系统的动态变化。在水电机组 AGC 系统中，模糊自适应控制方法可以根据电网频率偏差、频率变化率以及机组出力偏差等信息，通过模糊规则推理得出合适的控制器参数调整量。当系统趋于稳定，频率偏差较小时，适当减小比例系数，避免系统出现超调。模糊自适应控制不依赖于系统精确的数学模型，能够有效处理 AGC 系统中的非线性和不确定性因素，提高系统在不同工况下的抗扰控制性能。同时，通过不断优化模糊规则库，可以进一步提升控制器的性能和适应性。

3.3 预测控制方法

预测控制基于模型预测，通过建立包含引水系统水力、水轮机动态及发电机电磁特性的预测模型，预测系统未来输出响应，并依据给定性能指标在线优化控制输入序列。该方法根据当前系统状态与电网负荷预测，预估输出功率变化，以最小化输出功率偏差与控制输入变化率等为目标函数，求解最优控制序列并作用于水电机组。其利用滚动优化机制，提前考量系统动态与潜在干扰，持续调整控制策略，有效提升 AGC 系统抗扰性与负荷跟踪能力，结合实时电网运行信息可进一步优化控制效果。

四、电网惯量补偿方法

4.1 水电机组虚拟惯量控制技术

水电机组虚拟惯量控制技术是通过对水电机组的控制系统进行改进，使其能够在电网频率发生变化时，模拟传统同步发电机的惯性响应，为电网提供额外的惯量支撑。具体实现方式是在水电机组的调速器控制系统中引入虚拟惯量控制环节，根据电网频率的变化率实时调整水轮机的导叶开度或桨叶角度，从而改变水电机组的输出功率，为电网提供惯性响应。水电机组虚拟惯量控制技术能够充分利用水电机组调节灵活的优势，在不增加额外设备投资的情况下，有效提高电网的等效惯量，改善电网的频率响应特性，增强电力系统在面对功率扰动时的稳定性。

4.2 储能系统辅助惯量补偿

储能系统凭借快速充放电特性，在电网频率变化瞬间提供或吸收功率，实现辅助惯量补偿。常见的电池储能、超级电容器储能与抽水蓄能等技术，通过差异化响应机制支撑电网频率稳定：电池储能通过动态调节充放电功率，在频率下降时放电、上升时充电；超级电容器以高功率密度和超快响应速度缓冲频率快速波动；抽水蓄能则通过灵活切换发电与抽水状态响应频率变化。在高比例新能源电网中，储能系统与水电机组协同，显著提升电力系统动态性能与频率稳定性。

4.3 基于控制策略优化的电网惯量协同补偿

通过优化电力系统各类电源和设备的控制策略，可实现电网惯量协同补偿。在水电机组、火电机组及新能源发电设备间建立协调控制机制，依据各设备特性与运行状态，合理分配惯量补偿任务。水电机组响应快、调节范围大，在电网频率变化初期发挥主要惯量支撑作用；火电机组装机容量大，可在后期提供持续稳定的功率支持；新能源发电设备则通过控制变流器参与惯量响应。协同补偿充分发挥各电源设备优势，提升电网惯量补偿效果与整体效率。结合智能电网技术，利用先进通信与监测手段获取电网运行状态信息，动态调整控制策略，实现更精准的电网惯量协同补偿。

五、结论与展望

本文对水电机组 AGC 抗扰控制与电网惯量补偿方法进行了深入研究，分析了水电机组 AGC 系统面临的干扰因素，提出了多种有效的 AGC 抗扰控制策略，包括基于线性自抗扰控制、模糊自适应控制和预测控制等方法，这些策略能够有效提高水电机组 AGC 系统在复杂干扰环境下的控制性能。同时，探讨了电网惯量补偿的多种方法，如水电机组虚拟惯量控制技术、储能系统辅助惯量补偿以及基于控制策略优化的电网惯量协同补偿等，这些方法对于提升电网的等效惯量、改善电网频率响应特性具有重要意义。

参考文献：

[1]崔涛. 紫坪铺水电站AGC与一次调频调协控制策略分析及优化 [J]. 四川水力发电， 2025， 44 （01）： 132-136.

[2]卢忠强. 水电机组AGC调节性能提升研究及应用 [J]. 水电站机电技术， 2024， 47 （11）： 45-46+50.

[3]唐杰，邓琪伟，沈阳武. 基于PlatEMO的新能源高渗透率电网惯量辨识方法 [J]. 电工技术， 2022， （05）： 15-18+21.