孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量配置方法

雷小林，李世春，余夢(mèng)詩(shī)

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；3.國(guó)網(wǎng)京山市供電公司，湖北 荊門(mén) 431800)

0 引言

由風(fēng)電機(jī)組、光伏、柴油發(fā)電機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)組、儲(chǔ)能等微電源組成微電網(wǎng)，既可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以孤網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一次調(diào)頻備用容量主要由大電網(wǎng)提供，頻率相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)脫離大電網(wǎng)進(jìn)行孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于缺少大電網(wǎng)支撐，容易受到擾動(dòng)，微電網(wǎng)頻率問(wèn)題比較突出。微電網(wǎng)中的風(fēng)電和光伏等分布式電源均是通過(guò)電力電子變換器接入其中，在不采取任何附加控制行為的前提下，微電源與電網(wǎng)頻率變化解耦，不參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻，會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)等效慣量減小、一次調(diào)頻能力下降[1-2]。因此本文主要研究微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化配置一次調(diào)頻備用容量，將會(huì)對(duì)維持微電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。

解決該問(wèn)題的有效手段是讓風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能設(shè)備等微電源模擬出“類似”同步發(fā)電機(jī)的慣性響應(yīng)作用和一次調(diào)頻特性，即頻率附加控制技術(shù)。國(guó)內(nèi)外部分文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3-6]中變速風(fēng)機(jī)利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的緩沖進(jìn)行模擬慣性響應(yīng)，通過(guò)附加頻率微分控制器對(duì)電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)有功支撐和頻率擾動(dòng)抑制作用，以及采用虛擬同步方法實(shí)現(xiàn)頻率電源的穩(wěn)定控制[7,8]。文獻(xiàn)[9,10]研究了基于次優(yōu)功率跟蹤模式實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻下垂控制的方法，穩(wěn)態(tài)時(shí)使風(fēng)機(jī)工作在次優(yōu)功率跟蹤模式下，從而預(yù)留調(diào)頻備用容量，頻率擾動(dòng)時(shí)則參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，但該方法犧牲了風(fēng)力發(fā)電出力的經(jīng)濟(jì)性，且未提出關(guān)于次優(yōu)功率模式減載參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置方法；光伏電源利用逆變器直流電容儲(chǔ)能作用參與頻率調(diào)節(jié)[11]或采用基于次優(yōu)功率跟蹤模式參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)[12]。還有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻備用容量展開(kāi)進(jìn)一步研究[13-16]。其中文獻(xiàn)[13-15]提出了通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)槳距角預(yù)留調(diào)頻備用容量，使風(fēng)電機(jī)組能夠像常規(guī)機(jī)組具有一次調(diào)頻能力；文獻(xiàn)[16]提出一種基于可變系數(shù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)一次調(diào)頻策略，預(yù)留調(diào)頻備用容量，與其他同步發(fā)電機(jī)共同參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。以上文獻(xiàn)主要針對(duì)微電網(wǎng)一次調(diào)頻控制策略進(jìn)行研究，并未對(duì)含有大量分布式電源的微電網(wǎng)備用容量?jī)?yōu)化配置和成本展開(kāi)研究分析。

綜上所述，本文主要針對(duì)孤島模式下的微電網(wǎng)的一次調(diào)頻備用容量?jī)?yōu)化配置，其中風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行，預(yù)留一次調(diào)頻備用容量，與儲(chǔ)能、柴油發(fā)電機(jī)共同承擔(dān)一次調(diào)頻任務(wù)，以滿足微電網(wǎng)在發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)的一次調(diào)頻需求。最后采用遺傳算法對(duì)模糊隨機(jī)機(jī)會(huì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到在不同置信度下的一次調(diào)頻備用容量成本、風(fēng)電機(jī)組減載百分比以及儲(chǔ)能備用容量配置優(yōu)化方法。

1 分布式電源參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量配置

在微電網(wǎng)中，由于風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源均是通過(guò)電力電子變頻器接入其中，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)慣性減小，一次調(diào)頻能力下降，因此預(yù)留一次調(diào)頻備用容量對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。本文只研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電、柴油機(jī)、儲(chǔ)能4種微電源，圖1為微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[17]。微電網(wǎng)中的分布式電源采用對(duì)等控制，一次調(diào)頻由風(fēng)電機(jī)組，柴油機(jī)，儲(chǔ)能完成。光伏容量較小，在最大追蹤模式下運(yùn)行，不參與一次調(diào)頻。

圖1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為確定風(fēng)電機(jī)組具備有一次調(diào)頻有功備用容量，則風(fēng)機(jī)需在次優(yōu)功率跟蹤模式下，即風(fēng)電機(jī)組需減載運(yùn)行，預(yù)留備用容量。假設(shè)機(jī)組備用容量占輸出功率P比例為λ%，則機(jī)組減載后，其輸出功率為(1-λ%)P。根據(jù)發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率與機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的關(guān)系[18]，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生Δf時(shí)，發(fā)電機(jī)組的輸出功率的變化量為：

ΔPG=KGΔf

(1)

式中：ΔPG為發(fā)電機(jī)組輸出功率的增量；KG為發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率。

根據(jù)發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系可知，發(fā)電機(jī)組輸出功率的變化量用調(diào)差系數(shù)σ表示為：

(2)

則機(jī)組預(yù)留一次調(diào)頻備用容量占其輸出功率的百分比為[19]：

(3)

式中：f0為系統(tǒng)的額定頻率；Δfm為系統(tǒng)頻率最大偏移量。

1.1 風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻備用容量配置

風(fēng)電機(jī)組在參與一次調(diào)頻時(shí)，在次優(yōu)功率跟蹤模式下運(yùn)行，減載運(yùn)行，可預(yù)留備用容量，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻備用容量為：

(4)

式中：σW為風(fēng)機(jī)的調(diào)差系數(shù)；PWT是風(fēng)機(jī)的輸出有功功率。根據(jù)文獻(xiàn)[20]可得出在不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的出力大小。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻備用容量配置

由于柴油發(fā)電機(jī)組具有較大的額定容量，且輸出功率穩(wěn)定。在發(fā)生頻率事故時(shí)，具有較強(qiáng)的一次調(diào)頻能力，故其參與一次調(diào)頻備用容量為：

(5)

式中：σDG為柴油發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)；PDG為柴油機(jī)的輸出有功功率。

2 基于模糊機(jī)會(huì)約束的備用容量?jī)?yōu)化模型

由于微電網(wǎng)中含有風(fēng)電等間歇性微電源，一次調(diào)頻備用容量存在著不確定性和隨機(jī)性，這將導(dǎo)致一次調(diào)頻需求無(wú)法時(shí)刻滿足。當(dāng)發(fā)生較大的電網(wǎng)頻率事故時(shí)，風(fēng)電機(jī)組無(wú)法提供一次調(diào)頻備用容量，若此時(shí)配置相應(yīng)的儲(chǔ)能，雖然能夠滿足一次調(diào)頻需求，但會(huì)增加微電網(wǎng)運(yùn)行成本，影響其經(jīng)濟(jì)性。對(duì)此本文建立了模糊隨機(jī)機(jī)會(huì)約束模型，為解決含有隨機(jī)性、間歇性分布式電源的微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量的優(yōu)化配置問(wèn)題提供一個(gè)較好的方法。

本文采用模糊隨機(jī)機(jī)會(huì)約束目標(biāo)規(guī)劃是將不確定性的約束條件和目標(biāo)函數(shù)模糊化，在某一置信度條件下，可將不確定性的影響控制在可接受的范圍內(nèi)。其一般形式為：

(6)

式中：f(x,η)為目標(biāo)函數(shù)；minf(x)為目標(biāo)函數(shù)在概率水平下不低于α?xí)r所取得的最小值；x為決策變量；η為模糊參數(shù)變量；gj(x,η)為約束函數(shù)；α、β為預(yù)先給定的置信水平。

3 目標(biāo)函數(shù)

本文以風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)以及儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻備用成本為目標(biāo)函數(shù)，在滿足一次調(diào)頻需求的前提下，將風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能、柴油機(jī)一次調(diào)頻備用成本之和最小作為目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)為：

minC=CW+CE+CD

(7)

式中：CW、CD、CE分別為風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻備用成本、柴油發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻備用成本，儲(chǔ)能一次調(diào)頻備用成本。

3.1 風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻備用容量成本

風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻后，風(fēng)電機(jī)組需減載運(yùn)行，其一次調(diào)頻備用成本CW為

CW=CW1PW_resiTf

(8)

式中：CW1為單位電量發(fā)電成本；Tf為一次調(diào)頻時(shí)間。

3.2 柴油發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻備用成本

由于柴油機(jī)在發(fā)電的過(guò)程中會(huì)消耗燃料以及產(chǎn)生污染，因此其一次調(diào)頻備用成本包括燃料成本以及環(huán)境成本，即：柴油機(jī)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻總調(diào)頻成本為

CD=(CD1+CD2)Tf

(9)

式中：CD、CD1、CD2為柴油發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻成本、燃料成本、環(huán)境成本。

柴油發(fā)電機(jī)單位燃料成本CD1的表達(dá)式為

(10)

式中：CD1為燃料成本；m、n、i為已知常數(shù)。其中m=6，n=0.012，i=8.5×104[21]。

柴油機(jī)發(fā)電過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，因此其單位環(huán)境成本主要是考慮污染物對(duì)環(huán)境造成污染后的治理費(fèi)用。

(11)

式中：CD2為單位治理環(huán)境成本；i為廢物種類；CH(i)第i種廢物需要的治理費(fèi)用；H(i)為單位電量第i種廢物排放量。

3.3 儲(chǔ)能一次調(diào)頻備用成本

本文只考慮儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻備用容量成本，即功率成本[22],一般假設(shè)儲(chǔ)能充電次數(shù)為n次，即儲(chǔ)能一次調(diào)頻的成本CE為

(12)

式中：Ce1為單位儲(chǔ)能功率成本；n取1 000次。

3.4 約束條件

假設(shè)風(fēng)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)最大為0.06，則風(fēng)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)模糊約束為：

Ch(RW≤0.06)≥βj

(13)

柴油機(jī)在參與一次調(diào)頻過(guò)程中，其調(diào)差系數(shù)需滿足一定的約束條件，一般假設(shè)為

0.04≤RD≤0.06

(14)

除了滿足調(diào)差系數(shù)約束外，還滿足功率約束：

Pw_0i(t)+Pp_0i(t)+Pd_0i(t)+PESS_0i(t)=PL0i(t)

(15)

式中：Pw_oi(t)、Pp_oi(t)、Pd_oi(t)、PEss_oi(t)、PLoi(t)為風(fēng)機(jī)、光伏、柴油機(jī)、儲(chǔ)能在t時(shí)刻的出力，PL0i(t)為在t時(shí)刻負(fù)載的功率

在某一置信度下備用容量可靠性約束：

Ch[ΔPw_resi+ΔPESS_resi+ΔPd_resi≥ΔPLi]≥β

(16)

式中：ΔPw_resi、ΔPd_resi、ΔPEss_resi表示風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、儲(chǔ)能在t時(shí)刻提預(yù)留的一次調(diào)頻備用容量；ΔPLi表示在t時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生功率缺額的大小。

本文引入系統(tǒng)頻率差變化率，表示系統(tǒng)發(fā)生事故的嚴(yán)重性，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的頻率差變化率的計(jì)算，可以準(zhǔn)確地估計(jì)系統(tǒng)功率缺額的大小，從而為系統(tǒng)預(yù)留一次調(diào)頻備用容量。利用式(13)可以得到t時(shí)刻，頻率發(fā)生偏差時(shí)，系統(tǒng)的功率缺額[23]：

(17)

式中：H為系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)。H可根據(jù)其計(jì)算公式得到[22]。

為得到一天內(nèi)微電網(wǎng)頻率變化情況，本文微電網(wǎng)頻率變化情況可近似認(rèn)為服從正態(tài)分布[24]，期望值取50 Hz,標(biāo)準(zhǔn)差為0.05，按照每1 s進(jìn)行采樣，一天內(nèi)86 400個(gè)時(shí)間點(diǎn)，可生成頻率的變化情況如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)頻率

假設(shè)一次調(diào)頻區(qū)域?yàn)椤?.03 Hz，在t時(shí)刻的頻率偏差為：Δf=f-50。

其調(diào)節(jié)區(qū)域如圖3所示。

圖3 頻率調(diào)節(jié)區(qū)域

在±A區(qū)域時(shí)，頻率處于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)不需要進(jìn)行一次調(diào)頻。

在+B區(qū)域時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)能處于充電狀態(tài)，其充電功率為：

(18)

在-B區(qū)域時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)能處于放電狀態(tài)，放電功率為:

PEf(t)=[ΔPLi-(ΔPw_resi+ΔPd_resi)]

(19)

儲(chǔ)能裝置需要滿足荷電狀態(tài)約束:

在充電過(guò)程中：

(20)

在放電過(guò)程中：

(21)

在充放電過(guò)程中需滿足荷電狀態(tài)最小值和最大值：

SOCmin(t)≤SOC(t)≤SOCmax(t)

(22)

式中：SOC取值范圍0.2～0.8；充放電效率取值ηc=0.8、ηf=0.8。

3.5 模型求解

本文采用遺傳算法求解基于模糊隨機(jī)機(jī)會(huì)規(guī)劃的不確定模型，基本步驟如圖4所示。

圖4 求解流程圖

4 仿真分析

本文在MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真分析，其中柴油發(fā)電機(jī)的額定輸出功率為20 MW，功率因數(shù)為0.8，額定電壓為10 kV。風(fēng)機(jī)額定功率為5 MW，切入風(fēng)速4 m/s，額定風(fēng)速10 m/s，切出風(fēng)速16 m/s，平均風(fēng)速12 m/s；光伏電源額定功率為2 MW，儲(chǔ)能功率為1 MW，系統(tǒng)平均負(fù)荷15 MW，系統(tǒng)最大允許頻率偏差為0.03 Hz。一次調(diào)頻時(shí)間Tf取10 s。微電網(wǎng)仿真分析圖如圖5所示。

圖5 微電網(wǎng)仿真分析圖

本文中優(yōu)化參數(shù)如表1和表2所示。

其中柴油機(jī)排放類型和治理費(fèi)用如表1所示[20]。

表1 柴油機(jī)廢物排放即治理費(fèi)用

各微電源一次調(diào)頻備用成本如表2所示[25]。

表2 微電源一次調(diào)頻備用成本 元/(kW·h)

取置信度為85%，迭代300次，進(jìn)行優(yōu)化，可求出微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量最優(yōu)成本，如圖6所示。

圖6 一次調(diào)頻備用容量成本

根據(jù)圖6的迭代結(jié)果可知，一次調(diào)頻備用容量最優(yōu)成本為432.5元。此時(shí)風(fēng)電機(jī)組減載20.6%，風(fēng)電機(jī)組預(yù)留一次調(diào)頻備用容量為369.23 kW，配置儲(chǔ)能功率為330.6 kW，柴油機(jī)的調(diào)差系數(shù)為0.045。若此時(shí)全部由儲(chǔ)能和柴油機(jī)提供一次調(diào)頻備用容量，則一次調(diào)頻成本將大大增加。因此本文提出的由風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能、柴油機(jī)三者共同參與一次調(diào)頻備用容量配置方法，在滿足調(diào)頻需求的前提下，可節(jié)約備用容量成本。

分別取置信度在60%～100%范圍進(jìn)行優(yōu)化，分別得到風(fēng)電機(jī)組減載百分比即風(fēng)電機(jī)組預(yù)留的一次調(diào)頻備用容量、儲(chǔ)能配置功率、柴油機(jī)的調(diào)差系數(shù)的變化情況，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同置信度下的一次調(diào)頻備用成本及配置儲(chǔ)能功率

不同置信度下風(fēng)電機(jī)組減載水平、儲(chǔ)能配備容量以及一次容量備用成本。所提方法在風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)速情況下，均可滿足微電網(wǎng)一次調(diào)頻能力，同時(shí)滿足在某一置信度下使得整體調(diào)頻備用容量成本最小，提高整個(gè)微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。

如圖7、8可知，當(dāng)置信度低于85%時(shí)，隨著置信度增加，風(fēng)電機(jī)組減載百分比基本保持不變，穩(wěn)定在39.6%，此時(shí)一次調(diào)頻成本和配置儲(chǔ)能功率逐漸增大。由此可知，當(dāng)置信度較小時(shí)，以隨機(jī)性較大的風(fēng)電機(jī)組承擔(dān)一次調(diào)頻主力，而成本更高的儲(chǔ)能配置較少。當(dāng)置信度達(dá)到85%時(shí)，一次調(diào)頻備用成本和儲(chǔ)能配置功率基本保持不變，此時(shí)配置儲(chǔ)能功率達(dá)到330 kW，較好地滿足一次調(diào)頻需求，而風(fēng)電機(jī)組減載百分比逐漸下降，儲(chǔ)能承擔(dān)一次調(diào)頻主力，因此，系統(tǒng)置信度應(yīng)該大于85%。在實(shí)際應(yīng)用中，最優(yōu)置信水平的選取可以根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況及調(diào)頻成本參數(shù)的不同做出合理安排。

圖8 不同置信度下的風(fēng)機(jī)減載百分比和柴油機(jī)調(diào)差系數(shù)

5 結(jié)論

本文根據(jù)電力系統(tǒng)靜態(tài)功頻特性關(guān)系，研究了微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)風(fēng)光柴儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的一次調(diào)頻特性和備用容量成本，提出了采用基于模糊隨機(jī)約束規(guī)劃對(duì)微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量?jī)?yōu)化配置的方法。通過(guò)模糊隨機(jī)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃得到了在不同置信度下風(fēng)電機(jī)組減載水平、儲(chǔ)能配備容量以及一次容量備用成本。所提方法在風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)速情況下，均可滿足微電網(wǎng)一次調(diào)頻能力，同時(shí)滿足在某一置信度下使得整體調(diào)頻備用容量成本最小，提高整個(gè)微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。