可控負荷參與電力系統調頻的應用研究

潘 磊 凌呼君

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

可控負荷參與電力系統調頻的應用研究

潘 磊 凌呼君

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

介紹了用電設備主動參與電網調頻的控制策略，建立了能夠根據系統頻率的波動情況起停用電設備參與電力系統的一次調頻控制器的邏輯結構。并應用單機帶負荷模型，仿真分析了大量可控負荷參與系統一次調頻后對系統頻率控制效果的改善。

高頻；頻率穩定；可控負荷

實際生產中，發電設備生產的電能必須與該時刻消費的電能相平衡。在電力生產的過程中，當系統出現負荷波動時，通過調整發電側的出力來平衡系統有功功率，即頻率調整主要由發電機組的調速系統完成。隨著核電和新能源發電的接入，傳統的通過調節發電機有功輸出對系統功率平衡進行調節的方式將受到影響[1]。負荷主動參與電網一次調頻，可以減少發電側設置的一次調頻容量[2-3]。當系統遭受沖擊負荷或重大事故時，如果用電設備能夠根據電網的運行情況，主動調整用電負荷配合系統的一次調頻，將有利于系統的穩定。

冰箱、熱水器以及電動汽車都可以參與系統有功功率平衡控制[4-5]。文獻[6]提出根據頻率變化調整用電設備的起停，設計了電網頻率波動時負荷功率的控制策略。

1 可控負荷的原理

可控負荷指可以根據電網的運行狀態調整用電負荷而不影響用戶用電體驗的“能量消耗型”用電設備[7]。電熱器、冰箱和空調等用電設備，控制器都有溫度控制功能，通過改變起動、停機溫度設定值，即可控制該設備的起停狀態。

圖1 空調室內溫度及空調功率的周期變化

圖 1為空調室內某時間段的溫度變化曲線[8]。空調具有周期工作特性，空調工作空間內溫度在關閉邊界溫度值θ?和開啟邊界溫度值+θ 之間周期性變化，如圖1所示。PAC表示空調的額定功率，Tset表示空調的設定溫度，Ton、Toff分別表示空調運行周期中處于開和關運行狀態的時間。在制冷工作狀態下，空調在室內溫度升高到某一限定值時開始起動，消耗電能。隨著制冷設備的工作，空調室內溫度降低至設定值，空調停止工作，不再消耗電能。

2 負荷參與頻率控制的邏輯

為了實現可控負荷參與電網頻率調節，用電設備需要加裝可控負荷控制器。可控負荷控制器的作用就是根據電網的頻率偏差，按照事先設定的控制策略控制用電設備的起停，配合電網的有功功率調節。圖2為控制器邏輯框圖。圖3為頻率偏差大于設定值時控制器的工作時序示例。

圖2 控制器邏輯框圖

圖3 控制器工作時序示例

當電網正常運行，系統頻率偏差較小沒有達到設定值時，用電設備根據用戶設定正常工作，控制器保持待機狀態A。

當頻率偏差大于設定值時，控制器按如下工作時序運行：控制器根據頻率偏差的大小確定對應的事先設定的頻率越限時間。當頻率越限時間達到設定的延遲時間時，滿足可控負荷控制器起動條件，控制器進入工作狀態B。在狀態B中設置隨機延時Tdelay。在Tdelay內如果系統的頻率偏差降低回到設定值以內，控制器將退出運行，返回狀態A。若在Tdelay之后，電網頻率偏差依然大于設定值，則控制器進入工作狀態 C，用電設備起動投入運行。控制器進入狀態C后，當系統頻率偏差回到設定值內或者達到事先設定的最大起動時間Tmax_ON，控制器將從狀態C進入狀態D，設備停止運行。控制器在狀態D維持設備最小停止時間Tmin_OFF，再次進入狀態B，完成一次工作循環。

不同用電設備的Tmax_ON不同。需要根據設備的類型和特性設定，以保證設備的正常特性和用戶的用電體驗，以免影響設備的使用壽命。Tmin_OFF的設定與設備本身的特性和設備停止前的持續運行時間有關，取決于設備停機多長時間后可以再次起動，并且需要保證設備的工作參數經過Tmin_OFF后恢復到可以再次起動的條件。

圖3中，在0～t0時間內系統頻率偏差大于設定值，t0時間點后頻率偏差小于設定值不在控制區。在0時刻系統頻率偏差達到設定值且設備具備起動條件，控制器進入工作狀態B，經隨機延時Tdelay，控制器進入狀態 C，用電設備投入運行，設備持續運行時間達到最大起動時間Tmax_ON，控制器進入狀態 D，用電設備被切除。如果此時系統頻率仍大于設定值，設備經過最小停止時間Tmin_OFF后控制器再次進入狀態B。在經過Tdelay后控制器進入狀態C，在t0時刻系統頻率下降到正常值，控制器進入狀態D，在Tmin_OFF后進入狀態B。頻率偏差小于設定值控制器返回待機狀態 A。用電設備根據用戶設定正常運行。

3 可控負荷參與系統調頻的影響

應用 PSCAD/EMTDC仿真軟件實現控制器邏輯模型，如圖4所示。

采用單機帶負荷模型進行仿真分析，根據有關統計，空調、家用冰箱和熱水器類負荷約占供電負荷的12%[6]。本文假設有5.4%的負荷安裝了可控負荷控制器且可以參與系統的一次調頻。系統中有27個負荷單元，分為三組每組9個。三組負荷分別用于代表冰箱、空調和熱水器的集合。不同設備的可控負荷控制器的控制區域按照圖5設計。在系統頻率達到設定值時，27個負荷單元分別由 27個可控負荷控制器控制開斷，參與一次調頻。

4 仿真結果分析

圖 6為可控負荷參與一次調頻的頻率動態曲線。從圖可得，有可控負荷參與系統一次調頻的仿真曲線明顯低于只有發電機組調速系統進行一次調頻的仿真曲線，頻率調節效果更好。當發生高頻事故時，可控負荷的參與可以提高系統的頻率穩定性，保證系統發生功率擾動時有更高的存活率。

圖4 可控負荷控制器邏輯的實現

圖5 三類可控負荷的控制區域

圖6 系統頻率動態曲線

圖7為調頻過程中調節汽門開度指令對比圖。在發生高頻事故時，有可控負荷參與一次調頻時的調節汽門開度比沒有采用可控負荷的調節汽門開度更大。由于控制器只有在頻率達到 51Hz時才會直接控制用電設備參與一次調頻，在事故發生初期控制器并未立即參與頻率調整，所以在初期兩條仿真曲線基本重合。當頻率逐漸升高大于 51Hz時，可控負荷迅速參與一次調頻，使系統總有功功率適當增加，原動機調節汽門開度相應增大。從圖中可以看出，只有發電機調速系統進行一次調頻的系統，原動機調節汽門開度在頻率調節的過程中已經達到了最小值。

圖7 系統原動機閥門開度

5 結論

可控負荷的接入對系統頻率的調節是有利的，能夠有效抑制發生功率擾動時系統頻率的波動。負荷主動參與電網調頻，可以降低系統的旋轉備用容量，提高運行經濟性，同時還可以改善系統運行的穩定性。隨著通信技術和控制技術的發展，對負荷實施控制技術上難度不大。冰箱、電熱器、空調等用電設備分散數量龐大，加裝控制器成本較高，所需的費用由那個部門承擔，同時負荷主動參與頻率調節，對用戶產生的影響還涉及到經濟補償問題，這就牽涉到相關政策的制定和電力市場的進一步完善等問題。

[1]王錫凡,邵成成,王秀麗,等.電動汽車充電負荷與調度控制策略綜述[J].中國電機工程學報,2013,33(1):1-10.

[2]Samarakoon K,Ekanayake J,Jenkins N.Investigation of domestic load control to provide primary frequency response using smart meters[J].IEEE Transactions onSmart Grid,2012,3(1):282-292.

[3]Hassan R,Abdallah M,Radman G.Load shedding in smart grid:a reliable efficient Ad-Hoc broadcast algorithm for smart house[C]//2012 PROCEEDINGS OF IEEE SOUTHEASTCON,2012:1-5.

[4]Kondoh J,Lu N,Hammerstrom D J.An evaluation of the water heater load potential for providing regulation service[J].IEEE Trans on Power System,2011,26(3):1309-1316.

[5]Galus M D,Koch S,Andersson G.Provision of load frequency control by PHEVs,controllable loads,and a cogeneration unit[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2011,58(10):4568-4582.

[6]Douglass P J,Garcia-Valle R,Nyeng P,et al.Demand as frequency controlled reserve[C]//2nd IEEE PES International Conference and Exhibition on,2011:1-7.

[7]周博.電力系統頻率控制中的負荷建模與應用[D].北京:華北電力大學,2013.

[8]劉萌,褚曉東,張文,等.基于多樣性保持的空調負荷群調度控制策略[J].中國電機工程學報,2014,34(22):3674-3682.

Research on Active Response Frequency Modulation for Controllable Load

Pan Lei Ling Hujun
(College of Electric Power Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080)

Introduced the control strategy of electrical equipment to actively participate in power grid's frequency modulation,and set up logical structure that can start or stop the controller of electrical equipment according to the system frequency fluctuation.Besides,single machine band's load model was applied to analyze the improvement of a large number of controllable load after primary frequency modulation on the system frequency's control effect.

over-frequency;frequency stability;controllable load

潘 磊（1987-），男，碩士，主要研究方向為電力系統穩定控制。