微電網(wǎng)源
——荷動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整模式探究

張菁嫻，孫帥，趙轉(zhuǎn)，何朝銘

（1.鄭州電力高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450000；2.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450018）

當(dāng)前，“雙碳”背景下，能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變革，非化石能源消費(fèi)比重持續(xù)增長(zhǎng)，終端的電氣化水平逐步提升，在此基礎(chǔ)上唯有構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，以新能源為消費(fèi)主體，建立多種電網(wǎng)形態(tài)并存，源、荷多遠(yuǎn)互動(dòng)，安全可靠的電力系統(tǒng)尤為重要。

微電網(wǎng)是各類分布式電源、儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷的有效集成，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域的靈活、可靠、經(jīng)濟(jì)供電。系統(tǒng)中不同的分布式能源對(duì)負(fù)荷提供電能，且這些分布式電源之間有對(duì)應(yīng)的變流器與母線相連，電網(wǎng)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過(guò)母線連接到大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，且在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下可起到平抑峰谷的作用，有助于提高大電網(wǎng)的可靠性。由于獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)中可再生能源所占比例較高，電子化趨勢(shì)明顯，因此抵御擾動(dòng)的能力較弱，難以維持微電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，頻率控制仍是當(dāng)前孤立微電網(wǎng)發(fā)展的主要瓶頸之一。

傳統(tǒng)可參與調(diào)頻的電源只有同步機(jī)組，電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率的穩(wěn)定多依靠其轉(zhuǎn)子慣性，但除此之外，應(yīng)充分挖掘微電網(wǎng)中源—荷不同環(huán)節(jié)的調(diào)頻潛力。新能源機(jī)組通過(guò)添加控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)類似火力機(jī)組的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻能力，負(fù)荷可通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻能力。

1 可控負(fù)荷參與調(diào)頻方法

溫控負(fù)荷參與調(diào)頻如下：

以空調(diào)、 冰箱、 熱泵為代表的溫控負(fù)荷（thermostatically controlled load, TCL）是目前分布最廣泛的需求側(cè)資源，在用戶側(cè)呈集群式分布。溫控負(fù)荷對(duì)供電連續(xù)性需求不高且具有類似于儲(chǔ)能特性的儲(chǔ)溫能力，響應(yīng)速度很快。因此，若將單一溫控負(fù)荷的離散開關(guān)聚合起來(lái)，則可實(shí)現(xiàn)類似于發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)的功率響應(yīng)特性，具有參與電網(wǎng)輔助調(diào)頻的潛力。

改變溫控負(fù)荷用電功率的方式主要有2 種，即調(diào)整設(shè)備的溫度設(shè)定或控制溫控設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。改變?cè)O(shè)備溫度設(shè)定值的控制方式勢(shì)必要建立負(fù)荷溫度與響應(yīng)功率的關(guān)系模型，而溫控負(fù)荷應(yīng)用范圍廣，不同負(fù)荷需建立不同的響應(yīng)模型，因此無(wú)法大規(guī)模的使用，只適用于類似場(chǎng)景下負(fù)荷的小部分聚合。控制溫控設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的控制方式，可不具體討論負(fù)荷的類型及工作場(chǎng)景，弱化了不同類型負(fù)荷間的差異性。

溫控負(fù)荷具有溫度調(diào)節(jié)的上限T+和下限T-，[T+,T-]即為溫控負(fù)荷的溫度調(diào)節(jié)區(qū)間。對(duì)于制熱和制冷設(shè)備，其啟停狀態(tài)會(huì)在上限T+和下限T-處切換，如圖1 所示。改變?cè)O(shè)備溫度設(shè)定值，即向上或向下平移其溫度調(diào)節(jié)區(qū)間，移動(dòng)范圍為ΔT。以溫控制冷負(fù)荷為例，T+的上移會(huì)使原本處于停止?fàn)顟B(tài)的設(shè)備短時(shí)間仍保持停止，T-的上移會(huì)使原本處于啟動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備迅速停止，達(dá)到降低所需功率的目的。

圖1 溫控負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)示意圖

若通過(guò)調(diào)整設(shè)備的溫度設(shè)定值，使溫控負(fù)荷參與頻率調(diào)整，則應(yīng)引入頻率的變化量，使溫控負(fù)荷的溫度調(diào)節(jié)區(qū)間響應(yīng)其變化。但是，溫控區(qū)間的移動(dòng)并非無(wú)限制，本文設(shè)置|ΔT|≤(T+-T-)，即溫控負(fù)荷的溫度上下限移動(dòng)范圍不可超過(guò)可控區(qū)間，若超過(guò)此區(qū)間，則直接啟/停設(shè)備，如式(1)。

其中，kf為溫控負(fù)荷參與度系數(shù)，如果kf大則表示相應(yīng)系統(tǒng)頻率變化劇烈，是一個(gè)考慮用戶舒適度的系數(shù)。

因此，對(duì)于同類應(yīng)用場(chǎng)景的溫控負(fù)荷群，則可引入頻率的變化，溫控負(fù)荷的功率變化為ΔPL，如下式(2)，其控制策略如圖2 所示。

圖2 調(diào)整溫度設(shè)定值的溫控負(fù)荷響應(yīng)頻率控制策略

其中，PLN是溫控負(fù)荷的額定功率，PL0是溫控負(fù)荷的參與調(diào)頻前的初始功率。

因此，同類應(yīng)用場(chǎng)景的溫控負(fù)荷群，可采用調(diào)整設(shè)備的溫度設(shè)定值的方式參與調(diào)頻，如圖2 所示。

其他的可控溫控負(fù)荷，可分組通過(guò)開關(guān)狀態(tài)參與調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率變化率超過(guò)穩(wěn)定閾值fk后，則直接啟/停設(shè)備，如圖3 所示。

圖3 控制開關(guān)狀態(tài)的溫控負(fù)荷響應(yīng)頻率控制策略

2 可控電源參與調(diào)頻方法

2.1 同步機(jī)參與調(diào)頻

微電網(wǎng)中存在的燃?xì)廨啓C(jī)等，可效仿同步發(fā)電機(jī)模型。同步發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)是依靠轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過(guò)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能，與電網(wǎng)進(jìn)行能量交互，維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。由同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式(3)可知，當(dāng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定時(shí)，，同步機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變；當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明存在功率缺額或過(guò)剩，在較短時(shí)間內(nèi)，機(jī)械功率來(lái)不及瞬時(shí)變化，功率變化的差值，由轉(zhuǎn)子角頻率變化代償。

其中，δ 為同步發(fā)電機(jī)功角，表示同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)與機(jī)端電壓之間的相位差；ω*為同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓角頻率，ω0為額定角頻率，TJ為同步發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，Pm*和Pe*分別是原動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率。

2.2 風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻

微電網(wǎng)中的風(fēng)電為分散式風(fēng)電，與常規(guī)風(fēng)電場(chǎng)不同，容量小，適用于低風(fēng)速場(chǎng)景，可多點(diǎn)接入低壓配電系統(tǒng)，略去了集中變電環(huán)節(jié)，使得分散式風(fēng)電運(yùn)行更加高效靈活。本文采用風(fēng)電機(jī)組中廣泛使用的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Doubly fed Induction Generator，DFIG）具有調(diào)速范圍寬、有功無(wú)功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)及所需勵(lì)磁變頻器容量較小等特點(diǎn)。

傳統(tǒng)DFIG 多采用最大風(fēng)功率追蹤(MPPT)控制，以最大限度地捕獲風(fēng)能，因此只對(duì)風(fēng)速有響應(yīng)，對(duì)頻率的變化沒(méi)有響應(yīng)，即沒(méi)有應(yīng)對(duì)頻率變化的備用容量，若要DFIG 運(yùn)行在有備用容量的狀態(tài)下，則需對(duì)應(yīng)的移動(dòng)風(fēng)能追蹤曲線，使其偏離最大值。由于加入虛擬慣量控制后，當(dāng)系統(tǒng)頻率跌落時(shí)，DFIG 釋放部分轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能，對(duì)頻率進(jìn)行支撐，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，因此只能向右移動(dòng)風(fēng)能追蹤曲線，即實(shí)現(xiàn)超速控制，使其運(yùn)行在低于最大輸出功率點(diǎn)的高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 DFIG 功率特性曲線

圖4表示不同風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)出力P 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr之間的關(guān)系，其中某風(fēng)速vw下DFIG 運(yùn)行在B’點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，頻率突然跌落，此時(shí)微電網(wǎng)中的同步機(jī)還未迅速響應(yīng)；DFIG 輸出電磁功率迅速增加并達(dá)到飽和值，DFIG 運(yùn)行在B 點(diǎn)；隨后轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降使其運(yùn)行在B”點(diǎn)，DFIG 在短暫的支撐后進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)期，此時(shí)需要從電網(wǎng)中吸收一部分有功，用于轉(zhuǎn)速恢復(fù)，最終恢復(fù)到B’點(diǎn)。

因此，相應(yīng)的DFIG 響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的控制模型如圖4 所示，包括虛擬慣量控制和轉(zhuǎn)速保護(hù)控制，其中，虛擬慣量控制的作用是引入對(duì)頻率變化率的響應(yīng)，而轉(zhuǎn)速保護(hù)控制的作用是限制DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在合理范圍之內(nèi)。由圖5 可知DFIG 有功功率控制的關(guān)鍵是有功功率參考值的計(jì)算，虛擬慣量控制模塊的加入對(duì)原有參考值進(jìn)行了修正，則DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸入的有功參考值可依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)頻率的變化而變化。

圖5 DFIG 調(diào)頻控制模型

DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸入的有功參考值為：

其中，Popt為MPPT 最佳輸出有功功率，Kin為虛擬慣量控參數(shù)。

微電網(wǎng)頻率受擾動(dòng)影響會(huì)瞬時(shí)變化，以負(fù)荷突增擾動(dòng)為例，慣量作用在頻率跌落的初始階段，由于系統(tǒng)慣量的支撐作用，初始頻率變化率減緩，動(dòng)態(tài)頻率偏差減小，可有效防止頻率的突然大范圍跌落。

但是在頻率回升階段，過(guò)大的虛擬慣量參數(shù)取值會(huì)使得DFIG 出力會(huì)出現(xiàn)反向缺額，原因是吸收功率進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)能的存儲(chǔ)。當(dāng)虛擬慣量較大時(shí)，轉(zhuǎn)速跌落值越大，DFIG 有功出力反向缺額越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)較快，但頻率的回升速率會(huì)受慣量的限制而無(wú)法快速回升。因此，可通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量參數(shù)進(jìn)行限制，改善風(fēng)機(jī)出力，使其參與調(diào)頻。

3 源—荷互動(dòng)協(xié)同調(diào)頻模式

微電網(wǎng)可聚合包括風(fēng)電、光伏在內(nèi)的多種分布式電源與多類型負(fù)荷，也正因如此，微電網(wǎng)中影響頻率穩(wěn)定的因素眾多，控制手段需要從源、荷2 方面入手。

微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下的新能源功率控制需響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。以風(fēng)電機(jī)組為例，傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組，并不參與系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制，相反風(fēng)速的波動(dòng)性均會(huì)造成微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率的不穩(wěn)定，此時(shí)，需要儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)揮穩(wěn)定作用。本文考慮在風(fēng)電機(jī)組的控制中，加入了虛擬慣量模塊后，系統(tǒng)等效管量增加，平滑了頻率波動(dòng)；加入轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊，可有效緩解風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力的過(guò)度影響。

微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下的多類可控負(fù)荷需引入需求側(cè)頻率響應(yīng)。本文考慮分布最廣泛的溫控負(fù)荷，且將其按照用電特性分為2 類：一類是同類應(yīng)用場(chǎng)景的溫控負(fù)荷群，可通過(guò)引入頻率變化信號(hào)，調(diào)整設(shè)備的溫度設(shè)定值，在控制過(guò)程中，充分考慮負(fù)荷側(cè)的用戶舒適度，可調(diào)整參與度系數(shù)kf，達(dá)到改變可控負(fù)荷功率支撐頻率貢獻(xiàn)度的作用；另一類是其他負(fù)荷，可通過(guò)分組控制，當(dāng)頻率的變化超過(guò)閾值fk后，依次啟/停。

因此，微電網(wǎng)中，源、荷各單元均需具有矯正系統(tǒng)頻率的能力，但不同調(diào)頻資源的優(yōu)先級(jí)仍需確定。本文采用集中控制方式，對(duì)微電網(wǎng)中的風(fēng)電機(jī)組與溫控負(fù)荷進(jìn)行協(xié)同控制，以發(fā)電側(cè)可參與調(diào)頻的機(jī)組為主要調(diào)頻資源，可控負(fù)荷作為輔助調(diào)頻資源，如圖6 所示。基本控制思想為：

圖6 系統(tǒng)源—荷協(xié)同調(diào)頻策略

（1）當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差Δf較小時(shí)，系統(tǒng)受到的擾動(dòng)較小，常規(guī)同步機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組即可滿足調(diào)頻需求，可控負(fù)荷不參與調(diào)頻，無(wú)響應(yīng)動(dòng)作。

（2）當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差Δf較大時(shí)，系統(tǒng)受到的擾動(dòng)較大，負(fù)荷波動(dòng)大，此時(shí)僅依靠調(diào)頻機(jī)組的作用難以滿足調(diào)頻速度和容量需求，因此，需要可控負(fù)荷參與輔助調(diào)頻。在參與輔助調(diào)頻的可控負(fù)荷中，優(yōu)先調(diào)節(jié)溫度設(shè)定值響應(yīng)頻率變化的溫控負(fù)荷群，若其通過(guò)少量改變溫度設(shè)定值即可滿足系統(tǒng)頻率差額，則無(wú)需啟/停其他溫控負(fù)荷。

（3）當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差Δf很大時(shí)，微電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)，需要充分且快速地調(diào)用所有可參與調(diào)頻的資源，包括調(diào)頻機(jī)組和所有可控負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)含高比例新能源的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率穩(wěn)定問(wèn)題，從源、荷多角度梳理其參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式。一方面，通過(guò)在傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)有功控制策略中加入可響應(yīng)頻率變化的虛擬慣量空值，挖掘風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以支撐頻率；另一方面，分析了溫控負(fù)荷參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制原理，包括調(diào)整設(shè)備的溫度設(shè)定或控制溫控設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)2 種方式，令需求側(cè)參與頻率調(diào)整的同時(shí)，考慮對(duì)用戶舒適度的影響。

并且，提出含高比例新能源微電網(wǎng)中，源—荷互動(dòng)協(xié)同完成動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整的控制策略，促進(jìn)微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，后續(xù)可考慮源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的多元協(xié)同，助力微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率控制的進(jìn)一步發(fā)展。