CN111146802B - 适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高比例新能源微电网的源‑荷协同辅助调频方法，包括以下步骤：1)对于包含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的高比例新能源微电网，确定参与微电网调频各微源的频率控制方式；2)建立高比例新能源微电网中源‑荷协同参与微电网调频控制仿真模型，并设定参与调频的策略；3)根据仿真模型分别计算多时间尺度下源‑荷参与调频的经济效益，包括柴油机调频效益B_G、风机虚拟惯量调频效益B_wind以及可控负荷调频效益B_load，并在使得调频经济效益S_max在最优的情况下分配调频容量。与现有技术相比，本发明具有能充分调动微电网中源荷参与辅助调频的积极性，有效降低高比例新能源微电网的调频压力等优点。

Description

适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法

技术领域

本发明涉及电力系统频率控制技术领域，尤其是涉及一种适用于高比例新能 源微电网计及经济效益最优的源-荷协同辅助调频方法。

背景技术

随着新能源接入比例不断提高，大规模不具备调频能力的新能源逐步并入电 网，风电逐渐取代传统发电机组，这将使得系统惯量不断降低以及系统调频负担不 断加重，从而影响系统的频率稳定，给电力系统的稳定运行带来困扰，单纯依赖常 规机组自动调节系统来维持新能源电力系统频率稳定运行有一定困难。双馈感应发 电机(DFIG)作为风力发电机中的主流机型，由于风机参与辅助调频需要减载运 行，会造成自身发电的经济损失，因此要根据风机提供的调频容量给予其相应的补 偿，将其纳入调频辅助服务中，激发风电参与调频的积极性。

除风光等新能源之外，近年来国内外学者也意识到可控负荷提供辅助服务的 巨大潜力。可控负荷作为个体来控制，由于容量小，地域分散，对其直接控制的策 略，难以实现经济高效；而作为聚合体，其数量庞大，容量充足，功率波动稳定， 响应速度快。如何对其进行合理的控制，使其能够经济高效的参与系统调节，对于 系统的稳定运行和促进源－荷的良性互动有着重要的意义。

国内外关于风机参与电网调频的控制方法主要有三类：通过释放转子动能的 虚拟惯量控制，可快速调节频率微小波动，但持续时间较短；通过风机减载留有一 定备用容量的超速控制和桨距角控制，虽响应速度较慢，但可长时间参与调频；多 种控制方式组合可以适应多种不同的运行模式。需求侧参与电网调频通常针对供电 要求不高的可控负荷，如电热水器、电冰箱、空调等温控类负荷，可提高电网频率 稳定。

目前现有的辅助调频方法中，有的方法只考虑了传统机组与需求侧协同调频， 没有考虑风机的调频能力，不适用于高比例新能源情况下的微电网；有的方法只考 虑了系统的调频效果，缺少对电源侧和需求侧调频效益的综合考虑，没有计及系统 调频的经济效益最优。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于高比 例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法，包括以下步骤：

1)对于包含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的高比例新能源微电网，确定 参与微电网调频各微源的频率控制方式；

2)建立高比例新能源微电网中源-荷协同参与微电网调频控制仿真模型，并设 定参与调频的策略；

3)根据仿真模型分别计算多时间尺度下源-荷参与调频的经济效益，包括柴油 机调频效益B_G、风机虚拟惯量调频效益B_wind以及可控负荷调频效益B_load，并在使 得调频经济效益S_max在最优的情况下分配调频容量。

所述的步骤1)中，参与微电网调频各微源的频率控制方式如下：

双馈异步风机采用虚拟惯量控制和超速控制参与系统调频；

可控负荷通过温控类负荷温度的上下波动参与系统频率控制。

所述的步骤3)中，参与调频的策略具体为：

双馈异步风机和柴油机始终优先参与调频，可控负荷仅在频率变化率大于设定值时参与调频。

所述的步骤3)中，风机虚拟惯量调频效益B_wind的计算式为：

K_i＝1.0+(P_T/P_N-p％)·m

p％＝P_MPPT·d％/P_N

其中，t_on为调频起始时刻，t_off为调频结束时刻，t_now为调频恢复结束时刻，P_wind为加入虚拟惯量控制及超速减载控制后的风机有功出力，P₀为调频结束后风机出力，C_R为风机超速减载预留调频备用容量的容量电价，C_D为市场电价，C_B为风机参与 调频辅助服务的补偿电价，K_i为风机的调频性能指数，P_N为风电机组的额定出力， P_T为风电机组实际调节容量，p％为备用功率和额定功率的比值，d％为风机的减 载率，m为设定的常数，P_MPPT为风机最大功率追踪时的功率。

所述的步骤3)中，可控负荷调频效益B_load的计算式为：

其中，t_on为调频起始时刻，t_off为调频结束时刻，ΔP_load为调频期间可控负荷的 有功功率变化量，C_L为可控负荷参与调频辅助服务的补偿电价。

所述的步骤3)中，柴油机调频效益B_G包括柴油机惯量调频效益B_if和柴油机 参与一次调频效益B_pf，则有：

B_G＝Bi_f+B_pf。

柴油机惯量调频效益B_if的计算式为：

Bi_f＝SIR·C_G

SIR＝K_E·(SIRF-15)·U

K_E＝H·S

其中，SIR为柴油机惯性响应的容量，H为惯性常数，S为在线容量，K_E为存 储的动能，U为柴油机的关停状态，启动状态取U＝1，关闭状态取U＝0，SIRF为 自身存储动能在柴油机出力为最低的情况下可运行的时间，G_min为最低可持续输出 的柴油机功率，C_G为补偿电价。

所述的步骤3)中，微电网的调频经济效益S_max的计算式为：

S_max＝B_load+B_wind+B_G。

所述的步骤3)还包括以下步骤：

在按照参与调频的策略条件下，通过构建总体调频评价指标F评价调频效果， 则有：

F＝∑[0.4Δf_max+0.2(Δt_f+Δt_ωr)+0.4ΔRoCoF_max]

其中，Δf_max为最大频率偏差值，Δt_ωr为双馈异步风机转速恢复时间，Δt_f为双 馈异步风机频率恢复时间，ΔRoCoF_max为最大频率变化率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明针对高比例新能源下系统调频负担过重问题。提出了一种适用于高比例新能源微电网计及经济效益最优的源-荷协同辅助调频方法，通过建立高比例新能 源微电网中源荷协同参与微电网调频控制模型，使风机和柴油机优先参与调频，可 控负荷只有在频率变化率大于设定值时参与调频，且需要保证了用户的调频满意度；

另外，本发明分别计算多时间尺度下源荷参与调频辅助服务的效益，使其在考 虑经济效益最优的情况下分配调频容量，在此基础上对源荷协同辅助调频控制策略 进行经济性分析，计算调频收益，本发明能充分调动微电网中源荷参与辅助调频的 积极性，有效降低高比例新能源微电网的调频压力。

附图说明

图1为DFIG调频控制模型。

图2为风机参与调频出力曲线。

图3为制冷负荷温度调节示意图。

图4为可控负荷参与微电网调频曲线。

图5为微电网系统模型。

图6为风柴荷参与微电网调频协调策略流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提出一种适用于高比例新能源微电网计及经济效益最优的源-荷协同辅助调频方法，包括以下步骤：

步骤1、分析参与微电网调频各微源的频率控制方法，柴油机通过惯量和一次 调频参与系统频率控制；双馈异步风机(DFIG)采用虚拟惯量控制和超速控制参 与系统调频；可控负荷通过温控类负荷温度的上下波动参与系统频率控制。

步骤2、建立高比例新能源微电网中源荷协同参与微电网调频控制模型，并设 定调频策略，具体为：

风机装机容量大于柴油机，因此风机和柴油机优先参与调频，可控负荷只有在ROCOF(频率变化率)大于设定值时才参与调频，且需要保证用户的调频满意度， 因此可控负荷的调频容量有限。

步骤3、分别计算多时间尺度下源荷参与调频辅助服务的效益，包括柴油机惯 量调频效益、一次调频效益、风机虚拟惯量调频效益、可控负荷调频效益，使其在 考虑经济效益最优的情况下分配调频容量。

步骤4、利用MATLAB/Simulink软件建立含双馈异步风机(风电渗透率为50％)、 柴油机和可控负荷的微电网模型。

步骤5、提出总体调频评价指标，对使用不同调频方法后的调频效果进行评价， 验证源荷协同辅助调频控制策略的有效性。

步骤6、在此基础上对源荷协同辅助调频控制策略进行经济性分析，计算调频 收益，证明该调频策略能充分调动微电网中源荷参与辅助调频的积极性，有效降低 高比例新能源微电网的调频压力。

如图2所示，风机虚拟惯量调频效益＝调频效益-调频成本-减载成本：

风机调频性能指数为：

K_i＝1.0+(P_T/P_N-p％)·m (2)

式中：p％＝P_MPPT·d％/P_N，P_N为风电机组的额定出力，P_T为风电机组实际调 节容量，p％为备用功率和额定功率的比值，d％为风机的减载率，m为设定的常 数，P_MPPT为风机最大功率追踪时的功率，当P_T＝p％·P_N时，调频性能指数为K_i＝1.0。 利用调频性能指数来评价风机的调频能力，根据风机自身的调频性能对其参与辅助 调频所获得的调频效益进行调整，由此激发风机的调频积极性。

考虑调频性能指数的风机实际调频收益为：

式中，t_on为调频起始时刻，t_off为调频结束时刻，t_now为调频恢复结束时刻，P_wind为加入虚拟惯量控制及超速减载控制后的风机有功出力，P₀为调频结束后风机出力， C_R为风机超速减载预留调频备用容量的容量电价，C_D为市场电价，C_B为风机参与 调频辅助服务的补偿电价，K_i为风机的调频性能指数。

负荷的调频曲线如图3所示，则负荷调频效益为：

式中，ΔP_load为调频期间可控负荷的有功功率变化量，B_load为可控负荷的调频 效益，C_L为可控负荷参与调频辅助服务的补偿电价。

柴油机惯量调频效益为：

K_E(MW·s)＝H(s)·S(MW) (5)

SIR＝K_E·(SIRF-15)·U (7)

SIR为柴油机惯性响应的容量，单位为MW·s²；H为惯性常数，单位为s；S 为在线容量，单位为MW，K_E为存储的动能，单位为MW·s；U为柴油机的关停 状态，启动状态取U＝1，关闭状态取U＝0；SIRF的单位为s；G_min为最低可持续输 出的柴油机功率，单位为MW。由上式可以计算出柴油机惯量响应的容量，乘以 相应的补偿电价C_G即为惯量调频效益，则有：

Bi_f＝SIR·C_G

则柴油机的总调频效益为：

B_G＝B_if+B_pf (8)

式中，B_if为柴油机惯量参与调频所获得的调频收益，B_pf为柴油机参与一次调 频所获得的调频收益。

源荷协调参与调频，调频策略如图6所示。可控负荷只有在ROCOF(频率变 化率)大于设定值时才参与调频，且需要保证用户的调频满意度，因此可控负荷的 调频容量有限。根据微电网的调频经济效益S_max最大获得每个部分需要调频的容量：

S_max＝B_load+B_wind+B_G (9)

提出总体调频评价指标来评价系统最终的调频效果，对不同调频方式下的调频效果进行比较：

F＝∑[0.4Δf_max+0.2(Δt_f+Δt_ωr)+0.4ΔRoCoF_max] (10)

其中，Δf_max为最大频率偏差值，Δt_ωr为双馈异步风机转速恢复时间，Δt_f为双 馈异步风机频率恢复时间，即从动态频率极值到扰动后频率的稳态值经历时间， ΔRoCoF_max为最大频率变化率，ΔRoCoF_max和Δf_max的值越小，表明调频效果越好。

源荷协同参与到辅助调频中，可以在调频辅助市场获得相应调频能力的收益， 激发微电网中源荷参与调频的积极性，提高电网中风电的消纳能力，该调频策略还 能有效降低高比例新能源微电网的调频压力。

Claims (3)

1.一种适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对于包含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的高比例新能源微电网，确定参与微电网调频各微源的频率控制方式；

2)建立高比例新能源微电网中源-荷协同参与微电网调频控制仿真模型，并设定参与调频的策略；

3)根据仿真模型分别计算多时间尺度下源-荷参与调频的经济效益，包括柴油机调频效益B_G、风机虚拟惯量调频效益B_wind以及可控负荷调频效益B_load，并在使得调频经济效益S_max在最优的情况下分配调频容量，风机虚拟惯量调频效益B_wind的计算式为：

K_i＝1.0+(P_T/P_N-p％)·m

p％＝P_MPPT·d％/P_N

其中，t_on为调频起始时刻，t_off为调频结束时刻，t_now为调频恢复结束时刻，P_wind为加入虚拟惯量控制及超速减载控制后的风机有功出力，P₀为调频结束后风机出力，C_R为风机超速减载预留调频备用容量的容量电价，C_D为市场电价，C_B为风机参与调频辅助服务的补偿电价，K_i为风机的调频性能指数，P_N为风电机组的额定出力，P_T为风电机组实际调节容量，p％为备用功率和额定功率的比值，d％为风机的减载率，m为设定的常数，P_MPPT为风机最大功率追踪时的功率；

可控负荷调频效益B_load的计算式为：

其中，t_on为调频起始时刻，t_off为调频结束时刻，ΔP_load为调频期间可控负荷的有功功率变化量，C_L为可控负荷参与调频辅助服务的补偿电价；

柴油机调频效益B_G包括柴油机惯量调频效益B_if和柴油机参与一次调频效益B_pf，则有：

B_G＝B_if+B_pf；

柴油机惯量调频效益B_if的计算式为：

B_if＝SIR·C_G

SIR＝K_E·(SIRF-15)·U

K_E＝H·S

其中，SIR为柴油机惯性响应的容量，H为惯性常数，S为在线容量，K_E为存储的动能，U为柴油机的关停状态，启动状态取U＝1，关闭状态取U＝0，SIRF为自身存储动能在柴油机出力为最低的情况下可运行的时间，G_min为最低可持续输出的柴油机功率，C_G为补偿电价；

微电网的调频经济效益S_max的计算式为：

S_max＝B_load+B_wind+B_G；

所述的步骤3)还包括以下步骤：

在按照参与调频的策略条件下，通过构建总体调频评价指标F评价调频效果，则有：

F＝∑[0.4Δf_max+0.2(Δt_f+Δt_ωr)+0.4ΔRoCoF_max]

其中，Δf_max为最大频率偏差值，Δt_ωr为双馈异步风机转速恢复时间，Δt_f为双馈异步风机频率恢复时间，ΔRoCoF_max为最大频率变化率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法，其特征在于，所述的步骤1)中，参与微电网调频各微源的频率控制方式如下：

双馈异步风机采用虚拟惯量控制和超速控制参与系统调频；

可控负荷通过温控类负荷温度的上下波动参与系统频率控制。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高比例新能源微电网的源-荷协同辅助调频方法，其特征在于，所述的步骤3)中，参与调频的策略具体为：

双馈异步风机和柴油机始终优先参与调频，可控负荷仅在频率变化率大于设定值时参与调频。

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