CN108521135A - 适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，包括以下步骤：1)建立含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的微电网模型；2)获取含高渗透率风电微电网下各调频微源的协调调频特性；3)根据微电网模型和协调调频特性，获得适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方式，即：双馈异步风机和柴油机优先参与调频，可控负荷只有在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，通过协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数实现协调调频。与现有技术相比，本发明具有既充分利用风柴调频能力、又减少可控负荷调频压力、保证需求侧供电的可靠性等优点。

Description

适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法
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渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法。
背景技术
随着风电发展水平的不断提高，微电网中可再生能源渗透率不断增加，对微电网调频问题的影响也越来越明显。双馈感应发电机(DFIG)作为风力发电机中的主流机型，由于其将有功无功解耦控制的特点，导致系统频率与转子转速解耦，风机无法响应系统频率变化。需求侧可控负荷过度参与调频则会影响微电网供电可靠性。因此，急需合理协调常规能源、可再生能源及需求侧共同参与微电网调频。
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、空调等温控类负荷及电动汽车等充电类负荷，可提高电网频率稳定。上述方法虽提高了系统的频率稳定性，但未针对含有高渗透率可再生能源的微电网系统，且增加了负荷的调频压力。
高渗透率可再生能源对电力系统调频控制的影响不容忽视，高比例风电接入后对独立系统的惯性及一次调频影响较大，存在较大概率使得最大频率偏差和静态频率偏差超出安全允许范围。微电网作为电力系统的重要组成部分，特别是可再生能源渗透率不断提高，更需要协调各调频微源与可控负荷之间的调频需求。
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渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，用以实现风机、柴油机及可控负荷的协调调频，包括以下步骤：
1)建立含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的微电网模型；
2)获取含高渗透率风电微电网下各调频微源的协调调频特性；
3)根据微电网模型和协调调频特性，获得适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方式，即：
双馈异步风机和柴油机优先参与调频，可控负荷只有在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，通过协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数实现协调调频。
所述的步骤3)中，通过协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数实现协调调频具体为：
当电网频率发生变化时，双馈异步风机增发功率ΔPeq，可控负荷减载功率ΔPD来减缓频率跌落，发电机增发功率大小取决于等效发电机单位调节功率Keq，可控负荷减载功率大小取决于可控负荷的单位调节功率KD，通过改变Keq和KD的大小调整发电机和可控负荷的功率分配，达到协调调频的目的。
所述的等效发电机单位调节功率Keq及可控负荷的单位调节功率KD的关系式为：
其中，Δf为微电网频率偏差，ΔP为微电网负荷突变量，KG为柴油机单位调节功率，KW为双馈异步风机的单位调节功率，η为微电网中风电渗透率。
所述的步骤1)中：
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，柴油机通过一次调频参与系统频率控制，可控负荷通过温控类负荷温度的上下波动及充电类负荷充电速率的变化参与系统频率控制。
所述的步骤2)中，采用DIgSILENT/PowerFactory软件建立含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的微电网模型。
所述的微电网中风电渗透率η的取值为72％，双馈异步风机的单位调节功率KW的取值范围为0-40，可控负荷的单位调节功率KD的取值范围为0-3。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明针对高渗透率可再生能源微电网调频困难问题，为充分利用风柴荷备用资源对微电网调频性能的改善作用，考虑微电网频率总体最优，提出了一种基于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，考虑风柴荷与微电网频率特性的相互作用，推导了含高渗透率风电的微电网频率特性，建立了风柴荷联合调频下微电网频率特性模型，对比分析了不同调频参数下的微电网频率特性，其中风机和柴油机始终优先参与调频，可控负荷仅在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，同时可控负荷调频系数根据频率波动大小而发生改变，兼顾风柴调频备用与供电可靠性，使微电网既能充分利用风柴调频能力，又能减少可控负荷调频压力，保证需求侧供电的可靠性。
附图说明
图1为风机虚拟惯量控制逻辑框图。
图2为可控负荷参与微电网调频控制逻辑框图。
图3为风柴荷协调调频特性曲线。
图4为风柴荷参与微电网调频协调策略流程。
图5为风柴荷协调调频控制框图。
图6为微电网系统模型。
图7为风机虚拟惯量控制系数KV取值分析，其中，图(7a)为微电网频率，图(7b)为柴油机有功功率，图(7c)为DFIG有功功率，图(7d)为DFIG转子转速，图(7e)为负荷有功功率。
图8为风机下垂控制系数KW取值分析，其中，图(8a)为微电网频率，图(8b)为DFIG有功功率，图(8c)为负荷有功功率，图(8d)为DFIG转子转速，图(8e)为柴油机有功功率。
图9为频率偏差小于0.2Hz时可控负荷调频系数KD取值分析，其中，图(9a)为微电网频率，图(9b)为DFIG有功功率，图(9c)为柴油机有功功率，图(9d)为DFIG转子转速，图(9e)为负荷有功功率。
图10为频率偏差大于0.2Hz时可控负荷调频系数KD取值分析，其中，图(10a)为微电网频率，图(10b)为DFIG有功功率，图(10c)为柴油机有功功率，图(10d)为DFIG转子转速，图(10e)为负荷有功功率。
图11为风柴荷协调调频策略有效性验证，其中，图(11a)为微电网频率，图(11b)为DFIG有功功率，图(11c)为柴油机有功功率，图(11d为负荷有功功率。
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
本发明提供一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频策略，它包括下述步骤：
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及充电类负荷充电速率的变化参与系统频率控制。
步骤2、推导含高渗透率风电微电网下各调频微源的协调调频特性，并建立风柴荷联合参与微电网调频控制模型。风机装机容量远大于柴油机，因此风机和柴油机始终优先参与调频，可控负荷只有在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，且调频容量有限，同时可控负荷调频系数根据频率波动大小而发生改变，以尽量满足用户用电需求。
步骤3、利用DIgSILENT/PowerFactory软件建立含双馈异步风机(风电渗透率为72％)、柴油机和可控负荷的微电网模型。
步骤4、对比分析不同运行状况下微电网频率特性，协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数，得出适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频策略。
步骤5、在此基础上对风柴荷协调调频策略进行有效性验证，证明该调频策略使微电网既能充分利用风柴备用资源，又能减轻可控负荷调频压力。
柴油机的静态调差系数为：
式中：KG为柴油机单位调节功率；Δf为微电网频率变化量；ΔPG为柴油机输出有功功率变化量。当负荷波动引起微电网频率变化时，柴油机的转速发生变化，但变化范围较小(0.95～1.0(标幺值))，且高渗透率微电网中柴油机比例较低，因此其惯量特性不明显，因此在此处可用稳态特性确定功率输出量。若微电网中风电渗透率为η，且仅柴油机参与调频，则整个系统的单位调节功率为：
由式(2)可知，微电网中风电渗透率越高，整个系统的单位调节功率越低，将会严重影响微电网的功频静态特性及频率稳定。
若风机和可控负荷均参与调频，则静态调差系数分别为：
式中：KW和KD分别为风机和可控负荷的单位调节功率；ΔPW和ΔPD分别为风机和可控负荷的有功功率变化量。
此时整个系统的单位调节功率为：
由式(1)—式(5)可得：
式中：Δf为微电网频率偏差；ΔP为微电网负荷突变量；Keq为等效发电机单位调节功率。
当电网频率发生变化时，风柴荷参与微电网协调的调频特性如图4所示。负荷突增ΔP，导致电网频率跌落Δf，此时发电机增发功率ΔPeq，可控负荷减载功率ΔPD来减缓频率跌落。发电机增发功率大小取决于Keq，可控负荷减载功率大小取决于KD。由此可见，通过改变Keq和KD的大小可以调整发电机和可控负荷的功率分配，达到协调调频的目的。
本发明的风柴荷协调调频策略针对含高渗透率风电的微电网系统，风机装机容量远大于柴油机，因此风机和柴油机始终优先参与调频，可控负荷只有在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，且调频容量有限，同时可控负荷调频系数根据频率波动大小而发生改变，以尽量满足用户用电需求。温控和充电类负荷虽为三类负荷，但在确保电网安全稳定的前提下，仍需保证需求侧用电可靠性。根据GB/T15945—1995《电能质量电力系统频率允许偏差》规定电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz，因此在确定可控负荷下垂系数KD时分为频率偏差大于0.2Hz和小于0.2Hz两种情况以提高用户侧用电可靠性。
具体调频流程如图4所示，其中ΔPres为风机和柴油机可以提供的最大调频备用容量。负荷突变ΔP，测量微电网频率并计算实时频率偏差Δf，风机和柴油机始终优先参与调频。通常同步机调差系数为0.03～0.05，由于微电网中柴油机占比较低，因此设定调差系数为0.03，即KG＝33，根据式(1)得到柴油机的调频功率ΔPG。虚拟惯量控制系数KW通常取值范围为0～40，下垂控制系数KV的取值范围为10～40，通过图7和图8分析取KW＝15，KV＝10，根据式(3)得到风机的调频功率ΔPW。若此时ΔP＜ΔPres，即负荷突变量小于风柴调频备用容量，可控负荷不参与调频，总调频功率为ΔP∑＝ΔPG+ΔPW；若ΔP＞ΔPres，即负荷突变量超出风柴调频能力范围，则需求侧可控负荷加入调频。且负荷单位调节功率KD的取值范围为0～3，通过图9和图10分析得到在Δf＞0.2HZ时取KD＝2，在Δf＜0.2HZ时取KD＝1，根据式(4)得到可控负荷的调频功率ΔPD，总调频功率为ΔP∑＝ΔPG+ΔPW+ΔPD。
本发明在DIgSILENT/PowerFactory软件上搭建了可再生能源渗透率为79％(风电渗透率为72％)的微电网模型及相应的频率控制模块，所提出的调频策略可有效改善高渗透率可再生能源微电网的频率稳定问题，并减轻可控负荷调频压力。
负荷发生动态变化，验证所提出的协调调频策略的有效性。在5s时投入0.7MW临时负荷，35s时切除1.2MW临时负荷，65s时恢复正常，仿真时长共95s。比较未采取负荷控制、KD＝2和KD＝1及本发明所提出风柴荷协调调频策略4种情况下，微电网频率、DFIG有功功率、柴油机有功功率和负荷有功功率变化情况，如图11所示。从该图中可看出，当负荷发生动态变化而可控负荷未参与调频时，微电网频率偏差较大；当可控负荷控制系数采用固定参数或采用风柴荷协调调频策略时，微电网的频率变化明显减小；但当可控负荷取值过大时，如KD＝2情况下，需要过多的可控负荷参与调频，降低了需求侧的供电可靠性；若可控取值过小，如KD＝1情况下，则微电网的频率稳定性无法得到有效的改善；采用风柴荷协调调频策略既有效地提高了微电网的频率稳定性，又可以尽可能减少需求侧参与调频的压力，保证供电可靠性，从而验证了本发明所提调频策略的有效性。

Claims (6)

1.一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，用以实现风机、柴油机及可控负荷的协调调频，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的微电网模型；
2)获取含高渗透率风电微电网下各调频微源的协调调频特性；
3)根据微电网模型和协调调频特性，获得适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方式，即：
双馈异步风机和柴油机优先参与调频，可控负荷只有在负荷突变量大于风柴备用容量时参与调频，通过协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数实现协调调频。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，其特征在于，所述的步骤3)中，通过协调风机、柴油机及可控负荷的调频参数实现协调调频具体为：
当电网频率发生变化时，双馈异步风机增发功率ΔPeq，可控负荷减载功率ΔPD来减缓频率跌落，发电机增发功率大小取决于等效发电机单位调节功率Keq，可控负荷减载功率大小取决于可控负荷的单位调节功率KD，通过改变Keq和KD的大小调整发电机和可控负荷的功率分配，达到协调调频的目的。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，其特征在于，所述的等效发电机单位调节功率Keq及可控负荷的单位调节功率KD的关系式为：
其中，Δf为微电网频率偏差，ΔP为微电网负荷突变量，KG为柴油机单位调节功率，KW为双馈异步风机的单位调节功率，η为微电网中风电渗透率。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，其特征在于，所述的步骤1)中：
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，柴油机通过一次调频参与系统频率控制，可控负荷通过温控类负荷温度的上下波动及充电类负荷充电速率的变化参与系统频率控制。
5.根据权利要求3所述的一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，其特征在于，所述的步骤2)中，采用DIgSILENT/PowerFactory软件建立含双馈异步风机、柴油机和可控负荷的微电网模型。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高渗透率可再生能源微电网的风柴荷协调调频方法，其特征在于，所述的微电网中风电渗透率η的取值为72％，双馈异步风机的单位调节功率KW的取值范围为0-40，可控负荷的单位调节功率KD的取值范围为0-3。
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