高滲透率可再生能源微電網(wǎng)的風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略

邊曉燕, 姜 瑩, 趙 耀， 李東東

(1. 上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院, 上海市 200090; 2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

0 引言

隨著風(fēng)電發(fā)展水平的不斷提高,微電網(wǎng)中可再生能源滲透率不斷增加,對(duì)微電網(wǎng)調(diào)頻問題的影響也越來越明顯。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的主流機(jī)型,其有功、無功解耦控制的特點(diǎn),導(dǎo)致系統(tǒng)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速解耦,風(fēng)機(jī)無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。需求側(cè)可控負(fù)荷過度參與調(diào)頻則會(huì)影響微電網(wǎng)的供電可靠性。因此,亟須合理協(xié)調(diào)常規(guī)能源、可再生能源及需求側(cè)共同參與微電網(wǎng)調(diào)頻。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制方法主要有3類:通過釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能的虛擬慣量控制[1-5],可快速調(diào)節(jié)頻率微小波動(dòng),但持續(xù)時(shí)間較短;通過風(fēng)機(jī)減載留有一定備用容量的超速控制[6-7]和槳距角控制[8-9],雖響應(yīng)速度較慢,但可長(zhǎng)時(shí)間參與調(diào)頻;多種控制方式組合[10-17]可以適應(yīng)多種不同的運(yùn)行模式。需求側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)頻通常針對(duì)供電要求不高的可控負(fù)荷,如電熱水器、電冰箱、空調(diào)等溫控類負(fù)荷及電動(dòng)汽車等充電類負(fù)荷[18-24],可提高電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[25-26]利用溫控和充電負(fù)荷來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率,響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。網(wǎng)源共同參與調(diào)頻效果往往會(huì)更加顯著,文獻(xiàn)[27]利用風(fēng)火需求側(cè)共同參與系統(tǒng)調(diào)頻,雖提高了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性但需要過多負(fù)荷參與調(diào)頻,影響了供電可靠性。上述文獻(xiàn)雖研究了各種控制方式以提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性,但未針對(duì)含有高滲透率可再生能源的微電網(wǎng)系統(tǒng),且增加了負(fù)荷的調(diào)頻壓力。

高滲透率可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)頻控制的影響較大。文獻(xiàn)[28]通過對(duì)調(diào)頻指標(biāo)進(jìn)行定量分析,證明高比例風(fēng)電接入后對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)的慣性及一次調(diào)頻影響較大,存在較大概率使得最大頻率偏差和靜態(tài)頻率偏差超出安全允許范圍;同時(shí)文獻(xiàn)[29]指出，在3.8 MW微電網(wǎng)系統(tǒng)中,可再生能源裝機(jī)容量達(dá)到75%時(shí)最大頻率變化率可達(dá)0.26 Hz/s。微電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,特別是可再生能源滲透率不斷提高,更需要協(xié)調(diào)各調(diào)頻微源與可控負(fù)荷之間的調(diào)頻需求。

本文針對(duì)高滲透率可再生能源微電網(wǎng),分析了參與微電網(wǎng)調(diào)頻微源的頻率控制方法,并建立了風(fēng)柴荷聯(lián)合參與微電網(wǎng)調(diào)頻控制模型;推導(dǎo)了含高滲透率風(fēng)電的微電網(wǎng)各調(diào)頻微源的協(xié)調(diào)調(diào)頻特性,提出一種高滲透率可再生能源微電網(wǎng)的風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略;對(duì)比分析了不同運(yùn)行工況下微電網(wǎng)的頻率特性,協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)和可控負(fù)荷的調(diào)頻參數(shù),使微電網(wǎng)既能充分利用風(fēng)柴備用資源,又能減輕可控負(fù)荷調(diào)頻壓力。最后,通過仿真驗(yàn)證了所提調(diào)頻策略的有效性。

1 DFIG參與微電網(wǎng)調(diào)頻控制方法

1.1 虛擬慣量控制

虛擬慣量控制在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)通過短時(shí)釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能,使風(fēng)機(jī)響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化,從而把風(fēng)機(jī)中隱藏的慣量顯現(xiàn)出來。DFIG的轉(zhuǎn)速范圍通常為0.67～1.2(標(biāo)幺值),轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存著大量的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率較高時(shí)其貢獻(xiàn)的慣量值不容小覷。

參考傳統(tǒng)同步機(jī)慣性控制原理,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能為:

(1)

式中:Jv為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

若電網(wǎng)的頻率從f1跌落至f2,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)從ω1變化至ω2,則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以釋放的動(dòng)能為:

(2)

風(fēng)機(jī)輸出的電磁功率為:

(3)

風(fēng)機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)為:

(4)

式中:SB為風(fēng)機(jī)額定功率;ω0為風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

將式(4)代入式(3)中,并將等式標(biāo)幺化得:

(5)

(6)

式中:Kv為虛擬慣量控制系數(shù),為等效比例系數(shù)。

1.2 超速控制

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí),風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率為:

(7)

式中:ρ為空氣密度;Sw為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積;v為進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的空氣流速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

其中,Cp與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪直徑和槳距角均有關(guān)。在某一固定的風(fēng)速v和槳距角β下,Cp會(huì)隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,從而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率發(fā)生變化。根據(jù)式(7)可導(dǎo)出不同風(fēng)速下定槳距風(fēng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系,將功率—轉(zhuǎn)速曲線上的最大功率點(diǎn)Popt連線則為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)曲線,如附錄A圖A2所示。

在正常情況下,風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。當(dāng)微電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率較高時(shí),需要風(fēng)機(jī)脫離MPPT曲線,通過超速或減速兩種控制方法給微電網(wǎng)提供一定的調(diào)頻備用容量,但是減速控制會(huì)引起靜態(tài)不穩(wěn)定問題所以不予考慮[30]。超速減載控制的原理如附錄A圖A2所示,Popt為MPPT曲線,Popt′為減載d(百分比)后的功率曲線。以風(fēng)速v2為例,當(dāng)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行于C點(diǎn),而采用超速控制追蹤Popt′曲線時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行于A點(diǎn),即采用超速控制后風(fēng)機(jī)預(yù)留了ΔP的有功功率用來參與微電網(wǎng)調(diào)頻,如式(8)所示。

ΔP=Poptd

(8)

采用超速控制不僅為風(fēng)機(jī)預(yù)留了一部分備用容量,同時(shí)增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也為風(fēng)機(jī)儲(chǔ)存了更多的轉(zhuǎn)子動(dòng)能,提高了風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力。

當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí),DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)附加的功率控制環(huán)節(jié)將響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化,增大風(fēng)機(jī)有功功率參考值,風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增大,由于機(jī)械轉(zhuǎn)矩?zé)o法發(fā)生突變,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)降低,運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)向B點(diǎn)移動(dòng),輸出有功功率增加,并且轉(zhuǎn)子動(dòng)能也會(huì)得到釋放。隨著機(jī)械轉(zhuǎn)矩的增加,電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩將會(huì)在某一點(diǎn)達(dá)到平衡,如若在C點(diǎn)達(dá)到平衡則表示風(fēng)機(jī)已將備用容量全部釋放,回到MPPT狀態(tài)。為了避免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)速上限值,該控制方法只適用于中低風(fēng)速。文獻(xiàn)[31]指出風(fēng)機(jī)輸出的有功功率達(dá)到額定功率80%及以上的概率少于10%,因此超速控制在絕大部分時(shí)間內(nèi)均能使用。

2 可控負(fù)荷參與微網(wǎng)調(diào)頻控制方法

需求側(cè)負(fù)荷中含有電熱水器、電冰箱、空調(diào)等溫控類負(fù)荷及電動(dòng)汽車等充電類負(fù)荷,其溫度或充電速率的短時(shí)微小變化并不會(huì)影響用戶的使用舒適度,稱此類負(fù)荷為可控負(fù)荷。當(dāng)微電網(wǎng)可再生能源滲透率較高時(shí),該類負(fù)荷可以用來參與微電網(wǎng)調(diào)頻。在歐洲,可控負(fù)荷約占據(jù)所有電力消耗的30%,具有容量大、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)[25],且文獻(xiàn)[32]中指出可控負(fù)荷相比發(fā)電機(jī)下垂特性具有更快的響應(yīng)速度,證明可控負(fù)荷參與電網(wǎng)頻率響應(yīng),其時(shí)效性均可以得到滿足。

溫控類負(fù)荷參與微電網(wǎng)調(diào)頻可以通過一個(gè)死區(qū)DZ和最大頻率調(diào)節(jié)量Δfmax來實(shí)現(xiàn),如式(9)所示。其中,死區(qū)DZ為風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)所能提供的最大頻率調(diào)節(jié)量;Δfmax為觸發(fā)全部可用溫控類負(fù)荷所能提供的最大頻率調(diào)節(jié)量。

(9)

式中:T′為改變后的溫度設(shè)定值;ΔTmax為溫控類負(fù)荷可以允許的最大溫度變化量;T為原始的溫度設(shè)定值;Δf為微電網(wǎng)頻率偏差。

充電類負(fù)荷的功率可以取零與額定值之間的任意數(shù)值,因此充電類負(fù)荷參與微電網(wǎng)調(diào)頻在一定程度上類似于下垂控制,其實(shí)現(xiàn)方式如式(10)所示。

(10)

可控負(fù)荷參與微電網(wǎng)調(diào)頻控制框圖如附錄A圖A3所示,其中ΔPTCL和ΔPCL分別為溫控類負(fù)荷和充電類負(fù)荷的功率變化量。

3 風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻

微電網(wǎng)中主要包含有柴油機(jī)、風(fēng)機(jī)、光伏、負(fù)荷等元件,且微電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率較高,柴油機(jī)比例較低,造成調(diào)頻困難,因此需要研究風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻改善高滲透率微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)問題。

3.1 風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻特性

柴油機(jī)的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)為:

(11)

式中:KG為柴油機(jī)單位調(diào)節(jié)功率;ΔPG為柴油機(jī)輸出有功功率變化量。

當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)引起微電網(wǎng)頻率變化時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,但變化范圍較小(0.95～1.0(標(biāo)幺值)),且高滲透率微電網(wǎng)中柴油機(jī)比例較低,因此其慣量特性不明顯[12],因此在此處可用穩(wěn)態(tài)特性確定功率輸出量。若微電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率為η,且僅柴油機(jī)參與調(diào)頻,則整個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為:

KS*=(1-η)KG

(12)

由式(12)可知,微電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率越高,整個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率越低,將會(huì)嚴(yán)重影響微電網(wǎng)的功頻靜態(tài)特性及頻率穩(wěn)定性。

若風(fēng)機(jī)和可控負(fù)荷均參與調(diào)頻,則靜態(tài)調(diào)差系數(shù)分別為:

(13)

(14)

式中:KW和KD分別為風(fēng)機(jī)和可控負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率;ΔPW和ΔPD分別為風(fēng)機(jī)和可控負(fù)荷的有功功率變化量。

此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為:

Ks*′=(1-η)KG+ηKW+KD

(15)

由式(11)至式(15)可得:

(16)

式中:ΔP為微電網(wǎng)負(fù)荷突變量;Keq為等效發(fā)電機(jī)單位調(diào)節(jié)功率。

當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí),風(fēng)柴荷參與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)的調(diào)頻特性如圖1所示。

圖1 風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻特性Fig.1 Coordinated frequency regulation characteristics of wind power, diesel generator and load

負(fù)荷突增ΔP,導(dǎo)致電網(wǎng)頻率跌落Δf,此時(shí)發(fā)電機(jī)增發(fā)功率ΔPeq,可控負(fù)荷減載功率ΔPD來減緩頻率跌落。發(fā)電機(jī)增發(fā)功率大小取決于Keq,可控負(fù)荷減載功率大小取決于KD。由此可見,通過改變Keq和KD的大小可以調(diào)整發(fā)電機(jī)和可控負(fù)荷的功率分配,達(dá)到協(xié)調(diào)調(diào)頻的目的。

3.2 風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略

本文所提出的風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略針對(duì)含高滲透率風(fēng)電的微電網(wǎng)系統(tǒng),風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量遠(yuǎn)大于柴油機(jī),因此風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)始終優(yōu)先參與調(diào)頻,可控負(fù)荷只有在負(fù)荷突變量大于風(fēng)柴備用容量時(shí)參與調(diào)頻,且調(diào)頻容量有限,同時(shí)可控負(fù)荷調(diào)頻系數(shù)根據(jù)頻率波動(dòng)大小而發(fā)生改變,以盡量滿足用戶用電需求。溫控和充電類負(fù)荷雖為三類負(fù)荷,但在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提下,仍需保證需求側(cè)用電的可靠性。GB/T 15945—1995《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2 Hz,因此在確定可控負(fù)荷下垂系數(shù)KD時(shí)分為頻率偏差大于0.2 Hz和小于0.2 Hz兩種情況以提高用戶側(cè)用電可靠性。

具體調(diào)頻流程如圖2所示,其中ΔPres為風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)可以提供的最大調(diào)頻備用容量。

圖2 風(fēng)柴荷參與微電網(wǎng)調(diào)頻協(xié)調(diào)策略流程Fig.2 Flow chart of coordinated strategy of wind power, diesel generator and controllable load participating in microgrid frequency regulation

負(fù)荷突變?chǔ),測(cè)量微電網(wǎng)頻率并計(jì)算實(shí)時(shí)頻率偏差Δf,風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)始終優(yōu)先參與調(diào)頻。通常同步機(jī)調(diào)差系數(shù)為0.03～0.05,由于微電網(wǎng)中柴油機(jī)占比較低,因此設(shè)定調(diào)差系數(shù)為0.03,即KG=33,根據(jù)式(11)得到柴油機(jī)的調(diào)頻功率ΔPG。由文獻(xiàn)[13]可知虛擬慣量控制系數(shù)KW的取值范圍為0～40,下垂控制系數(shù)Kv的取值范圍為10～40,通過下文仿真分析取KW=15,Kv=10,根據(jù)式(6)和式(13)得到風(fēng)機(jī)的調(diào)頻功率ΔPW。若此時(shí)ΔP<ΔPres,即負(fù)荷突變量小于風(fēng)柴調(diào)頻備用容量,可控負(fù)荷不參與調(diào)頻,總調(diào)頻功率為ΔPΣ=ΔPG+ΔPW;若ΔP>ΔPres,即負(fù)荷突變量超出風(fēng)柴調(diào)頻能力范圍,則需求側(cè)可控負(fù)荷加入調(diào)頻。且負(fù)荷單位調(diào)節(jié)功率KD的取值范圍為0～3[33],通過仿真分析得到在Δf>0.2 Hz時(shí)取KD=2,在Δf<0.2 Hz時(shí)取KD=1,根據(jù)式(14)得到可控負(fù)荷的調(diào)頻功率ΔPD,總調(diào)頻功率為ΔPΣ=ΔPG+ΔPW+ΔPD。

風(fēng)機(jī)單位調(diào)節(jié)功率KW,即下垂控制系數(shù),風(fēng)機(jī)下垂控制實(shí)際上是模擬同步發(fā)電機(jī)功頻特性實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制,風(fēng)機(jī)超速控制本質(zhì)上為一種減載備用控制,需與下垂控制共同作用才能實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié);風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制實(shí)際上是為模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量特性,在微電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)的短暫時(shí)間內(nèi),調(diào)速器來不及動(dòng)作,發(fā)電機(jī)機(jī)械功率不發(fā)生突變,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化,此時(shí)電磁功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化來阻尼頻率變化[13]。

風(fēng)柴荷參與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)頻的總控制框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)柴荷參與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)頻的總控制框圖Fig.3 Overall block diagram of coordinated controlstrategy of wind power, diesel generator and controllable load participating in microgrid frequency regulation

風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制包括超速控制模塊、虛擬慣量控制模塊、下垂控制模塊和轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊;柴油機(jī)通過調(diào)速器參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻;可控負(fù)荷僅在負(fù)荷突變量大于風(fēng)柴調(diào)頻容量時(shí)參與調(diào)頻,且單位調(diào)節(jié)功率KD的取值根據(jù)頻率偏差大小而改變,在負(fù)荷突變量小于風(fēng)柴調(diào)頻備用容量時(shí),可控負(fù)荷不參與調(diào)頻,此時(shí)取KD=0;若負(fù)荷突變量超出風(fēng)柴調(diào)頻能力范圍,則需求側(cè)可控負(fù)荷加入調(diào)頻,且在Δf>0.2 Hz時(shí)取KD=2,在Δf<0.2 Hz時(shí)取KD=1。

4 仿真分析

本文搭建了可再生能源滲透率為79%(風(fēng)電滲透率為72%)的微電網(wǎng)模型來驗(yàn)證所提出風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略的有效性,如圖4所示,其中可再生能源僅為風(fēng)能和光伏,不包括柴油機(jī)發(fā)電。

圖4 微電網(wǎng)模型Fig.4 Microgrid model

該微電網(wǎng)系統(tǒng)由等值額定功率為3×1 000 kW的柴油機(jī)、家庭光伏及小型光伏電站(共1 MW)和小型風(fēng)力發(fā)電站(共10 MW)組成,固定負(fù)荷(負(fù)荷2,3,4)總和為4 MW、可變負(fù)荷(負(fù)荷1)總和為1.2 MW。其中,柴油機(jī)由同步機(jī)等效替代,并配有調(diào)速器和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)額定頻率為50 Hz,風(fēng)速為8 m/s。柴油機(jī)及DFIG在頻率控制中的主要參數(shù)取值如附錄A表A1所示。

4.1 負(fù)荷突變小于風(fēng)柴備用

當(dāng)微電網(wǎng)擾動(dòng)小于風(fēng)柴調(diào)頻備用時(shí),僅風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)參與調(diào)頻,取KD=0。在5 s時(shí)投入0.5 MW臨時(shí)負(fù)荷(負(fù)荷1),仿真時(shí)長(zhǎng)共50 s,比較不同Kv和KW取值情況下,微電網(wǎng)頻率、DFIG有功功率、柴油機(jī)有功功率、DFIG轉(zhuǎn)速和負(fù)荷功率變化情況,分別如圖5和附錄B圖B1所示,其中研究Kv取值時(shí),暫取KW=15。

圖5中,虛擬慣量控制系數(shù)Kv取值越大,風(fēng)機(jī)釋放的有功功率越多,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低。但從圖5(a)中可以看出,微電網(wǎng)的頻率跌落并沒有因?yàn)镵v取值增大而呈逐漸降低的趨勢(shì),反而在Kv=10時(shí)頻率跌落最小。因?yàn)樵贙v取值不斷增大的過程中,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能得到釋放,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷降低,當(dāng)Kv過大時(shí),風(fēng)機(jī)反而需要從電網(wǎng)中吸收有功功率以恢復(fù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因此,風(fēng)機(jī)的虛擬慣量控制系數(shù)取為Kv=10。

附錄B圖B1中,研究KW取值時(shí),取Kv=10,KD=0。風(fēng)機(jī)下垂控制系數(shù)取值越大,微電網(wǎng)頻率跌落越小,風(fēng)機(jī)釋放的有功功率越多,柴油機(jī)釋放的有功功率越少,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低。但從附錄B圖B1(a)可以看出,當(dāng)KW取值分別為15和20時(shí),頻率跌落所差無幾,附錄B圖B1(b),(c),(d)中風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)有功功率和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也基本一致,這是因?yàn)槌倏刂扑茚尫诺挠泄β适怯邢薜?若所有備用有功功率都已經(jīng)完全釋放,則再增大下垂系數(shù)也無法提升風(fēng)機(jī)調(diào)頻效果。因此,風(fēng)機(jī)下垂控制系數(shù)取為KW=15。

圖5 不同Kv取值下的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms with different values of Kv

4.2 負(fù)荷突變大于風(fēng)柴備用

4.2.1頻率偏差小于0.2 Hz

當(dāng)負(fù)荷突變超過風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)的調(diào)頻備用時(shí),需要可控負(fù)荷參與微電網(wǎng)調(diào)頻。在5 s時(shí)投入1 MW臨時(shí)負(fù)荷(負(fù)荷1),仿真時(shí)長(zhǎng)共50 s,比較不同KD取值情況下,微電網(wǎng)頻率、DFIG有功功率、柴油機(jī)有功功率、DFIG轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有功功率變化情況,如附錄B圖B2所示,其中取KW=15,Kv=10。

附錄B圖B2中,可控負(fù)荷下垂控制系數(shù)取值越大,頻率跌落越小,風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)釋放的有功功率越少,參與調(diào)頻的可控負(fù)荷越多。從附錄B圖B2(a)可以看出,當(dāng)KD取值為0時(shí),微電網(wǎng)頻率發(fā)生了二次跌落,這是由于當(dāng)負(fù)荷突變量大于風(fēng)柴調(diào)頻備用時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于最低轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊強(qiáng)制使風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻,造成頻率二次跌落。需求側(cè)溫控和充電類負(fù)荷雖屬于三類負(fù)荷,但在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下應(yīng)盡量保證充足供電,因此KD的取值應(yīng)當(dāng)能避免微電網(wǎng)頻率二次跌落即可,即可控負(fù)荷下垂控制系數(shù)取為KD=1。

4.2.2頻率偏差大于0.2 Hz

在5 s時(shí)投入1.2 MW臨時(shí)負(fù)荷(負(fù)荷1),仿真時(shí)長(zhǎng)共50 s,比較不同KD取值情況下,微電網(wǎng)頻率、DFIG有功功率、柴油機(jī)有功功率、DFIG轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有功功率變化情況,如附錄B圖B3所示,其中取KW=15,Kv=10。

附錄B圖B3中,隨著KD取值的增大,微電網(wǎng)頻率跌落減小,風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)釋放的有功功率減小,參與調(diào)頻的可控負(fù)荷增多。同時(shí)可以看出,在KD取值為0和1時(shí),微電網(wǎng)頻率同樣發(fā)生了二次跌落,為了在盡量保證用戶側(cè)用電可靠的情況下避免電網(wǎng)頻率二次跌落,將可控負(fù)荷下垂控制系數(shù)取為KD=2。其中此節(jié)內(nèi)容主要分析頻率偏差大于0.2 Hz時(shí)不同KD取值情況對(duì)微電網(wǎng)調(diào)頻效果的影響,并最終確定該情況下可控負(fù)荷下垂控制系數(shù)的取值,因此在分析該節(jié)內(nèi)容時(shí)KD均取為一固定值，并未隨頻率變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.3 風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略的有效性驗(yàn)證

負(fù)荷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,驗(yàn)證所提出的協(xié)調(diào)調(diào)頻策略的有效性。在5 s時(shí)投入0.7 MW臨時(shí)負(fù)荷,35 s時(shí)切除1.2 MW臨時(shí)負(fù)荷,65 s時(shí)恢復(fù)正常,仿真時(shí)長(zhǎng)共95 s。比較未采取負(fù)荷控制、KD=2和KD=1及本文所提風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略4種情況下,微電網(wǎng)頻率、DFIG有功功率、柴油機(jī)有功功率和負(fù)荷有功功率變化情況,如附錄B圖B4所示。從該圖中可看出,當(dāng)負(fù)荷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化而可控負(fù)荷未參與調(diào)頻時(shí),微電網(wǎng)頻率偏差較大;當(dāng)可控負(fù)荷控制系數(shù)采用固定參數(shù)或采用風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略時(shí),微電網(wǎng)的頻率變化明顯減小;但當(dāng)可控負(fù)荷取值過大時(shí),如KD=2情況下,需要過多的可控負(fù)荷參與調(diào)頻,降低了需求側(cè)的供電可靠性;若可控取值過小,如KD=1情況下,則微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性無法得到有效改善;采用風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略既有效地提高了微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,又可以盡可能減少需求側(cè)參與調(diào)頻的壓力,保證供電可靠性,從而驗(yàn)證了本文所提調(diào)頻策略的有效性。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于高滲透率可再生能源微電網(wǎng)的風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻策略,使微電網(wǎng)在充分利用風(fēng)柴調(diào)頻備用容量的同時(shí)又能減輕可控負(fù)荷調(diào)頻壓力。通過理論與仿真分析,得到如下結(jié)論。

1)分析了參與微電網(wǎng)調(diào)頻微源風(fēng)機(jī)以及可控負(fù)荷的頻率控制方法并建立了風(fēng)柴荷聯(lián)合調(diào)頻控制模型。其中風(fēng)機(jī)采用虛擬慣量控制和超速控制,可控負(fù)荷通過溫控類及充電類負(fù)荷溫度或充電速率的短時(shí)微小變化參與微電網(wǎng)調(diào)頻。

2)推導(dǎo)了含高滲透率可再生能源微電網(wǎng)風(fēng)柴荷調(diào)頻微源的協(xié)調(diào)調(diào)頻特性并由此提出協(xié)調(diào)調(diào)頻策略。微電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率越高,整個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率越低,將會(huì)嚴(yán)重影響微電網(wǎng)的功頻靜態(tài)特性及頻率穩(wěn)定,可通過協(xié)調(diào)各調(diào)頻微源的調(diào)頻系數(shù)改善微電網(wǎng)的調(diào)頻性能。

3)通過仿真對(duì)比分析了不同調(diào)頻系數(shù)對(duì)微電網(wǎng)頻率特性的影響,并由此驗(yàn)證了所提出的調(diào)頻策略可有效改善高滲透率可再生能源微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題,并減輕可控負(fù)荷調(diào)頻壓力。

本文主要從理論上分析了風(fēng)柴荷協(xié)調(diào)調(diào)頻特性,并在理想條件下獲得仿真結(jié)果,在實(shí)際工程應(yīng)用中仍需進(jìn)一步改善加強(qiáng),此外考慮其他微源(如儲(chǔ)能裝置等)共同參與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)頻是下一步的研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。