孤島運行的微電網一次調頻備用容量配置方法

雷小林，李世春，余夢詩

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網工程技術研究中心(三峽大學)，湖北 宜昌 443002；3.國網京山市供電公司，湖北 荊門 431800)

0 引言

由風電機組、光伏、柴油發電機組、微型燃氣輪機組、儲能等微電源組成微電網，既可以并網運行也可以孤網運行。當微電網并網運行時，一次調頻備用容量主要由大電網提供，頻率相對穩定；當脫離大電網進行孤網運行時，由于缺少大電網支撐，容易受到擾動，微電網頻率問題比較突出。微電網中的風電和光伏等分布式電源均是通過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，微電源與電網頻率變化解耦，不參與微電網一次調頻，會導致微電網系統等效慣量減小、一次調頻能力下降[1-2]。因此本文主要研究微電網孤網運行時，優化配置一次調頻備用容量，將會對維持微電網頻率安全穩定和經濟運行具有重要的意義。

解決該問題的有效手段是讓風機、光伏、儲能設備等微電源模擬出“類似”同步發電機的慣性響應作用和一次調頻特性，即頻率附加控制技術。國內外部分文獻對風機參與微電網一次調頻進行了研究。文獻[3-6]中變速風機利用轉子動能的緩沖進行模擬慣性響應，通過附加頻率微分控制器對電網提供動態有功支撐和頻率擾動抑制作用，以及采用虛擬同步方法實現頻率電源的穩定控制[7,8]。文獻[9,10]研究了基于次優功率跟蹤模式實現一次調頻下垂控制的方法，穩態時使風機工作在次優功率跟蹤模式下，從而預留調頻備用容量，頻率擾動時則參與電網頻率調節，但該方法犧牲了風力發電出力的經濟性，且未提出關于次優功率模式減載參數的優化設置方法；光伏電源利用逆變器直流電容儲能作用參與頻率調節[11]或采用基于次優功率跟蹤模式參與電網頻率調節[12]。還有國內外學者對風電機組調頻備用容量展開進一步研究[13-16]。其中文獻[13-15]提出了通過控制風電機組轉子轉速和調節槳距角預留調頻備用容量，使風電機組能夠像常規機組具有一次調頻能力；文獻[16]提出一種基于可變系數的雙饋風電機組與同步發電機協調一次調頻策略，預留調頻備用容量，與其他同步發電機共同參與系統一次調頻。以上文獻主要針對微電網一次調頻控制策略進行研究，并未對含有大量分布式電源的微電網備用容量優化配置和成本展開研究分析。

綜上所述，本文主要針對孤島模式下的微電網的一次調頻備用容量優化配置，其中風電機組減載運行，預留一次調頻備用容量，與儲能、柴油發電機共同承擔一次調頻任務，以滿足微電網在發生頻率擾動時的一次調頻需求。最后采用遺傳算法對模糊隨機機會模型進行優化求解，得到在不同置信度下的一次調頻備用容量成本、風電機組減載百分比以及儲能備用容量配置優化方法。

1 分布式電源參與微電網一次調頻備用容量配置

在微電網中，由于風機、光伏等分布式電源均是通過電力電子變頻器接入其中，將會導致系統慣性減小，一次調頻能力下降，因此預留一次調頻備用容量對整個微電網安全穩定運行具有重要的意義。本文只研究風力發電機組、光伏發電、柴油機、儲能4種微電源，圖1為微電網結構示意圖[17]。微電網中的分布式電源采用對等控制，一次調頻由風電機組，柴油機，儲能完成。光伏容量較小，在最大追蹤模式下運行，不參與一次調頻。

圖1 微電網拓撲結構

為確定風電機組具備有一次調頻有功備用容量，則風機需在次優功率跟蹤模式下，即風電機組需減載運行，預留備用容量。假設機組備用容量占輸出功率P比例為λ%，則機組減載后，其輸出功率為(1-λ%)P。根據發電機組的單位調節功率與機組的靜態調差系數的關系[18]，當系統頻率發生Δf時，發電機組的輸出功率的變化量為：

ΔPG=KGΔf

(1)

式中：ΔPG為發電機組輸出功率的增量；KG為發電機組的單位調節功率。

根據發電機組的單位調節功率與調差系數的關系可知，發電機組輸出功率的變化量用調差系數σ表示為：

(2)

則機組預留一次調頻備用容量占其輸出功率的百分比為[19]：

(3)

式中：f0為系統的額定頻率；Δfm為系統頻率最大偏移量。

1.1 風電機組一次調頻備用容量配置

風電機組在參與一次調頻時，在次優功率跟蹤模式下運行，減載運行，可預留備用容量，此時風電機組的一次調頻備用容量為：

(4)

式中：σW為風機的調差系數；PWT是風機的輸出有功功率。根據文獻[20]可得出在不同風速下風機的出力大小。

1.2 柴油發電機一次調頻備用容量配置

由于柴油發電機組具有較大的額定容量，且輸出功率穩定。在發生頻率事故時，具有較強的一次調頻能力，故其參與一次調頻備用容量為：

(5)

式中：σDG為柴油發電機調差系數；PDG為柴油機的輸出有功功率。

2 基于模糊機會約束的備用容量優化模型

由于微電網中含有風電等間歇性微電源，一次調頻備用容量存在著不確定性和隨機性，這將導致一次調頻需求無法時刻滿足。當發生較大的電網頻率事故時，風電機組無法提供一次調頻備用容量，若此時配置相應的儲能，雖然能夠滿足一次調頻需求，但會增加微電網運行成本，影響其經濟性。對此本文建立了模糊隨機機會約束模型，為解決含有隨機性、間歇性分布式電源的微電網一次調頻備用容量的優化配置問題提供一個較好的方法。

本文采用模糊隨機機會約束目標規劃是將不確定性的約束條件和目標函數模糊化，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。其一般形式為：

(6)

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

3 目標函數

本文以風機、柴油發電機以及儲能參與一次調頻備用成本為目標函數，在滿足一次調頻需求的前提下，將風電機組、儲能、柴油機一次調頻備用成本之和最小作為目標函數，其目標函數為：

minC=CW+CE+CD

(7)

式中：CW、CD、CE分別為風電機組一次調頻備用成本、柴油發電機一次調頻備用成本，儲能一次調頻備用成本。

3.1 風電機組一次調頻備用容量成本

風電機組參與一次調頻后，風電機組需減載運行，其一次調頻備用成本CW為

CW=CW1PW_resiTf

(8)

式中：CW1為單位電量發電成本；Tf為一次調頻時間。

3.2 柴油發電機一次調頻備用成本

由于柴油機在發電的過程中會消耗燃料以及產生污染，因此其一次調頻備用成本包括燃料成本以及環境成本，即：柴油機參與系統一次調頻總調頻成本為

CD=(CD1+CD2)Tf

(9)

式中：CD、CD1、CD2為柴油發電機一次調頻成本、燃料成本、環境成本。

柴油發電機單位燃料成本CD1的表達式為

(10)

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

柴油機發電過程會對環境造成一定的污染，因此其單位環境成本主要是考慮污染物對環境造成污染后的治理費用。

(11)

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

3.3 儲能一次調頻備用成本

本文只考慮儲能參與一次調頻備用容量成本，即功率成本[22],一般假設儲能充電次數為n次，即儲能一次調頻的成本CE為

(12)

式中：Ce1為單位儲能功率成本；n取1 000次。

3.4 約束條件

假設風電機組調差系數最大為0.06，則風電機組調差系數模糊約束為：

Ch(RW≤0.06)≥βj

(13)

柴油機在參與一次調頻過程中，其調差系數需滿足一定的約束條件，一般假設為

0.04≤RD≤0.06

(14)

除了滿足調差系數約束外，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)為風機、光伏、柴油機、儲能在t時刻的出力，PL0i(t)為在t時刻負載的功率

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表示風機、柴油機、儲能在t時刻提預留的一次調頻備用容量；ΔPLi表示在t時刻系統發生功率缺額的大小。

本文引入系統頻率差變化率，表示系統發生事故的嚴重性，通過對系統的頻率差變化率的計算，可以準確地估計系統功率缺額的大小，從而為系統預留一次調頻備用容量。利用式(13)可以得到t時刻，頻率發生偏差時，系統的功率缺額[23]：

(17)

式中：H為系統慣性時間常數。H可根據其計算公式得到[22]。

為得到一天內微電網頻率變化情況，本文微電網頻率變化情況可近似認為服從正態分布[24]，期望值取50 Hz,標準差為0.05，按照每1 s進行采樣，一天內86 400個時間點，可生成頻率的變化情況如圖2所示。

圖2 微電網頻率

假設一次調頻區域為±0.03 Hz，在t時刻的頻率偏差為：Δf=f-50。

其調節區域如圖3所示。

圖3 頻率調節區域

在±A區域時，頻率處于穩定狀態，系統穩定運行，此時不需要進行一次調頻。

在+B區域時，此時儲能處于充電狀態，其充電功率為：

(18)

在-B區域時，此時儲能處于放電狀態，放電功率為:

PEf(t)=[ΔPLi-(ΔPw_resi+ΔPd_resi)]

(19)

儲能裝置需要滿足荷電狀態約束:

在充電過程中：

(20)

在放電過程中：

(21)

在充放電過程中需滿足荷電狀態最小值和最大值：

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機會規劃的不確定模型，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進行仿真分析，其中柴油發電機的額定輸出功率為20 MW，功率因數為0.8，額定電壓為10 kV。風機額定功率為5 MW，切入風速4 m/s，額定風速10 m/s，切出風速16 m/s，平均風速12 m/s；光伏電源額定功率為2 MW，儲能功率為1 MW，系統平均負荷15 MW，系統最大允許頻率偏差為0.03 Hz。一次調頻時間Tf取10 s。微電網仿真分析圖如圖5所示。

圖5 微電網仿真分析圖

本文中優化參數如表1和表2所示。

其中柴油機排放類型和治理費用如表1所示[20]。

表1 柴油機廢物排放即治理費用

各微電源一次調頻備用成本如表2所示[25]。

表2 微電源一次調頻備用成本 元/(kW·h)

取置信度為85%，迭代300次，進行優化，可求出微電網一次調頻備用容量最優成本，如圖6所示。

圖6 一次調頻備用容量成本

根據圖6的迭代結果可知，一次調頻備用容量最優成本為432.5元。此時風電機組減載20.6%，風電機組預留一次調頻備用容量為369.23 kW，配置儲能功率為330.6 kW，柴油機的調差系數為0.045。若此時全部由儲能和柴油機提供一次調頻備用容量，則一次調頻成本將大大增加。因此本文提出的由風機、儲能、柴油機三者共同參與一次調頻備用容量配置方法，在滿足調頻需求的前提下，可節約備用容量成本。

分別取置信度在60%～100%范圍進行優化，分別得到風電機組減載百分比即風電機組預留的一次調頻備用容量、儲能配置功率、柴油機的調差系數的變化情況，其結果如圖7所示。

圖7 不同置信度下的一次調頻備用成本及配置儲能功率

不同置信度下風電機組減載水平、儲能配備容量以及一次容量備用成本。所提方法在風電機組不同風速情況下，均可滿足微電網一次調頻能力，同時滿足在某一置信度下使得整體調頻備用容量成本最小，提高整個微電網的運行穩定性以及經濟性。

如圖7、8可知，當置信度低于85%時，隨著置信度增加，風電機組減載百分比基本保持不變，穩定在39.6%，此時一次調頻成本和配置儲能功率逐漸增大。由此可知，當置信度較小時，以隨機性較大的風電機組承擔一次調頻主力，而成本更高的儲能配置較少。當置信度達到85%時，一次調頻備用成本和儲能配置功率基本保持不變，此時配置儲能功率達到330 kW，較好地滿足一次調頻需求，而風電機組減載百分比逐漸下降，儲能承擔一次調頻主力，因此，系統置信度應該大于85%。在實際應用中，最優置信水平的選取可以根據當地風況及調頻成本參數的不同做出合理安排。

圖8 不同置信度下的風機減載百分比和柴油機調差系數

5 結論

本文根據電力系統靜態功頻特性關系，研究了微電網在孤島運行時風光柴儲聯合調頻的一次調頻特性和備用容量成本，提出了采用基于模糊隨機約束規劃對微電網一次調頻備用容量優化配置的方法。通過模糊隨機機會約束規劃得到了在不同置信度下風電機組減載水平、儲能配備容量以及一次容量備用成本。所提方法在風電機組不同風速情況下，均可滿足微電網一次調頻能力，同時滿足在某一置信度下使得整體調頻備用容量成本最小，提高整個微電網的運行穩定性以及經濟性。