潘 磊 凌呼君

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

可控負(fù)荷參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的應(yīng)用研究

潘 磊 凌呼君

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

介紹了用電設(shè)備主動參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略，建立了能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率的波動情況起停用電設(shè)備參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻控制器的邏輯結(jié)構(gòu)。并應(yīng)用單機帶負(fù)荷模型，仿真分析了大量可控負(fù)荷參與系統(tǒng)一次調(diào)頻后對系統(tǒng)頻率控制效果的改善。

高頻；頻率穩(wěn)定；可控負(fù)荷

實際生產(chǎn)中，發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)的電能必須與該時刻消費的電能相平衡。在電力生產(chǎn)的過程中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷波動時，通過調(diào)整發(fā)電側(cè)的出力來平衡系統(tǒng)有功功率，即頻率調(diào)整主要由發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)完成。隨著核電和新能源發(fā)電的接入，傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)發(fā)電機有功輸出對系統(tǒng)功率平衡進行調(diào)節(jié)的方式將受到影響[1]。負(fù)荷主動參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，可以減少發(fā)電側(cè)設(shè)置的一次調(diào)頻容量[2-3]。當(dāng)系統(tǒng)遭受沖擊負(fù)荷或重大事故時，如果用電設(shè)備能夠根據(jù)電網(wǎng)的運行情況，主動調(diào)整用電負(fù)荷配合系統(tǒng)的一次調(diào)頻，將有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

冰箱、熱水器以及電動汽車都可以參與系統(tǒng)有功功率平衡控制[4-5]。文獻[6]提出根據(jù)頻率變化調(diào)整用電設(shè)備的起停，設(shè)計了電網(wǎng)頻率波動時負(fù)荷功率的控制策略。

1 可控負(fù)荷的原理

可控負(fù)荷指可以根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)調(diào)整用電負(fù)荷而不影響用戶用電體驗的“能量消耗型”用電設(shè)備[7]。電熱器、冰箱和空調(diào)等用電設(shè)備，控制器都有溫度控制功能，通過改變起動、停機溫度設(shè)定值，即可控制該設(shè)備的起停狀態(tài)。

圖1 空調(diào)室內(nèi)溫度及空調(diào)功率的周期變化

圖 1為空調(diào)室內(nèi)某時間段的溫度變化曲線[8]。空調(diào)具有周期工作特性，空調(diào)工作空間內(nèi)溫度在關(guān)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(diào)的額定功率，Tset表示空調(diào)的設(shè)定溫度，Ton、Toff分別表示空調(diào)運行周期中處于開和關(guān)運行狀態(tài)的時間。在制冷工作狀態(tài)下，空調(diào)在室內(nèi)溫度升高到某一限定值時開始起動，消耗電能。隨著制冷設(shè)備的工作，空調(diào)室內(nèi)溫度降低至設(shè)定值，空調(diào)停止工作，不再消耗電能。

2 負(fù)荷參與頻率控制的邏輯

為了實現(xiàn)可控負(fù)荷參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，用電設(shè)備需要加裝可控負(fù)荷控制器?？煽刎?fù)荷控制器的作用就是根據(jù)電網(wǎng)的頻率偏差，按照事先設(shè)定的控制策略控制用電設(shè)備的起停，配合電網(wǎng)的有功功率調(diào)節(jié)。圖2為控制器邏輯框圖。圖3為頻率偏差大于設(shè)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(dāng)電網(wǎng)正常運行，系統(tǒng)頻率偏差較小沒有達到設(shè)定值時，用電設(shè)備根據(jù)用戶設(shè)定正常工作，控制器保持待機狀態(tài)A。

當(dāng)頻率偏差大于設(shè)定值時，控制器按如下工作時序運行：控制器根據(jù)頻率偏差的大小確定對應(yīng)的事先設(shè)定的頻率越限時間。當(dāng)頻率越限時間達到設(shè)定的延遲時間時，滿足可控負(fù)荷控制器起動條件，控制器進入工作狀態(tài)B。在狀態(tài)B中設(shè)置隨機延時Tdelay。在Tdelay內(nèi)如果系統(tǒng)的頻率偏差降低回到設(shè)定值以內(nèi)，控制器將退出運行，返回狀態(tài)A。若在Tdelay之后，電網(wǎng)頻率偏差依然大于設(shè)定值，則控制器進入工作狀態(tài) C，用電設(shè)備起動投入運行?？刂破鬟M入狀態(tài)C后，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差回到設(shè)定值內(nèi)或者達到事先設(shè)定的最大起動時間Tmax_ON，控制器將從狀態(tài)C進入狀態(tài)D，設(shè)備停止運行?？刂破髟跔顟B(tài)D維持設(shè)備最小停止時間Tmin_OFF，再次進入狀態(tài)B，完成一次工作循環(huán)。

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

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

3 可控負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)頻的影響

應(yīng)用 PSCAD/EMTDC仿真軟件實現(xiàn)控制器邏輯模型，如圖4所示。

采用單機帶負(fù)荷模型進行仿真分析，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，空調(diào)、家用冰箱和熱水器類負(fù)荷約占供電負(fù)荷的12%[6]。本文假設(shè)有5.4%的負(fù)荷安裝了可控負(fù)荷控制器且可以參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。系統(tǒng)中有27個負(fù)荷單元，分為三組每組9個。三組負(fù)荷分別用于代表冰箱、空調(diào)和熱水器的集合。不同設(shè)備的可控負(fù)荷控制器的控制區(qū)域按照圖5設(shè)計。在系統(tǒng)頻率達到設(shè)定值時，27個負(fù)荷單元分別由 27個可控負(fù)荷控制器控制開斷，參與一次調(diào)頻。

4 仿真結(jié)果分析

圖 6為可控負(fù)荷參與一次調(diào)頻的頻率動態(tài)曲線。從圖可得，有可控負(fù)荷參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的仿真曲線明顯低于只有發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)進行一次調(diào)頻的仿真曲線，頻率調(diào)節(jié)效果更好。當(dāng)發(fā)生高頻事故時，可控負(fù)荷的參與可以提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)發(fā)生功率擾動時有更高的存活率。

圖4 可控負(fù)荷控制器邏輯的實現(xiàn)

圖5 三類可控負(fù)荷的控制區(qū)域

圖6 系統(tǒng)頻率動態(tài)曲線

圖7為調(diào)頻過程中調(diào)節(jié)汽門開度指令對比圖。在發(fā)生高頻事故時，有可控負(fù)荷參與一次調(diào)頻時的調(diào)節(jié)汽門開度比沒有采用可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)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(shè)備參與一次調(diào)頻，在事故發(fā)生初期控制器并未立即參與頻率調(diào)整，所以在初期兩條仿真曲線基本重合。當(dāng)頻率逐漸升高大于 51Hz時，可控負(fù)荷迅速參與一次調(diào)頻，使系統(tǒng)總有功功率適當(dāng)增加，原動機調(diào)節(jié)汽門開度相應(yīng)增大。從圖中可以看出，只有發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)進行一次調(diào)頻的系統(tǒng)，原動機調(diào)節(jié)汽門開度在頻率調(diào)節(jié)的過程中已經(jīng)達到了最小值。

圖7 系統(tǒng)原動機閥門開度

5 結(jié)論

可控負(fù)荷的接入對系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)是有利的，能夠有效抑制發(fā)生功率擾動時系統(tǒng)頻率的波動。負(fù)荷主動參與電網(wǎng)調(diào)頻，可以降低系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量，提高運行經(jīng)濟性，同時還可以改善系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。隨著通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，對負(fù)荷實施控制技術(shù)上難度不大。冰箱、電熱器、空調(diào)等用電設(shè)備分散數(shù)量龐大，加裝控制器成本較高，所需的費用由那個部門承擔(dān)，同時負(fù)荷主動參與頻率調(diào)節(jié)，對用戶產(chǎn)生的影響還涉及到經(jīng)濟補償問題，這就牽涉到相關(guān)政策的制定和電力市場的進一步完善等問題。

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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(tǒng)穩(wěn)定控制。