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

        2023-08-29 04:11:26張菁嫻孫帥趙轉(zhuǎn)何朝銘
        中國(guó)設(shè)備工程 2023年15期
        關(guān)鍵詞:慣量溫控調(diào)頻

        張菁嫻,孫帥,趙轉(zhuǎn),何朝銘

        (1.鄭州電力高等專(zhuān)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(lèi)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(xiàn)相連,電網(wǎng)可以獨(dú)立運(yùn)行,也可以通過(guò)母線(xiàn)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(lèi)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(hù)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(lèi)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(kāi)關(guān)聚合起來(lái),則可實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(kāi)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(lèi)似場(chǎng)景下負(fù)荷的小部分聚合??刂茰乜卦O(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制方式,可不具體討論負(fù)荷的類(lèi)型及工作場(chǎng)景,弱化了不同類(lèi)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(hù)舒適度的系數(shù)。

        因此,對(duì)于同類(lèi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(xiàn),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(xiàn),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(xiàn)

        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(lèi)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(lèi)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(lèi):一類(lèi)是同類(lèi)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(hù)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(lèi)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?;究刂扑枷霝椋?/p>

        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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(kāi)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(hù)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。

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