CN112653200A - 一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，对源荷侧资源之间的协调方式进行深入分析，基于需求响应资源和鲁棒控制方法，以孤岛微电网为研究对象，综合考虑柴油发电系统、储能系统和变频空调聚合商参与微电网频率管理的优势特点，通过优势互补和协调互动，以更加精细化的频率管理策略，充分利用不同调频系统的优势性能，实现源荷随机波动情况下的微电网频率控制性能提升和不同系统调频备用容量的合理的配置，提升微电网的频率调节能力和调频经济性。

Description

一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法

技术领域

本发明涉及微电网频率控制技术领域，尤其涉及一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，适用于含变频空调聚合商的孤岛微电网频率管理。

背景技术

全球气候变化形势不容乐观，绿色低碳发展模式在政府报告中不断被提及。清洁能源的高接入比例和微电网终端电气化率的提高是国家发展的重要基石，是减少碳排放的有效途径。然而，由于源荷不确定性不断增加，微电网的频率稳定性受到严重挑战。大量研究表明，抑制分布式清洁能源输出功率波动、鼓励需求侧资源参与频率调节、设计和优化控制器性能是实现微网频率调节的有效途径。

在源侧系统辅助参与频率调节方面，通过桨矩角控制和频率控制，在短时间内对风力发电系统的输出功率进行平滑处理，能够有效地保障电力系统的频率稳定性。在风力发电系统中加入储能系统，如飞轮储能，可以辅助频率调整。U.Akram等学者通过研究不同类型储能技术在不同源荷波动情况下的频率调节性能，体现储能系统在负荷频率控制中的积极作用。米阳等学者提出了基于分频法的混合电力系统频率控制策略，以协调传统发电机的输出功率和储能系统的输出功率。在需求侧资源参与频率调节方面，惠红勋等学者开发了用于提供频率调节服务的变频空调的电气模型。徐青山等学者将负荷聚合商管理的空调负荷构建为一个虚拟的频率调节发电机。石庆鑫等学者提出了一种考虑日需求曲线和逐步恢复的温控负荷控制策略，该策略使用热泵、空调机组和电热水器辅助频率管理。在提高单个系统或同类型系统的频率调节能力方面，M.Zrib等学者设计了一种自适应控制，以保证多区域电力系统中负荷频率的波动收敛到一定范围内。刘芳等学者提出了一种基于等效干扰输入的鲁棒负荷频率控制设计方法，以提高系统的频率稳定性。滑模方法作为一种强鲁棒理论被广泛应用于负荷频率控制设计中。米阳等学者通过选择合适的滑模面，提出了一种滑模负荷频率控制策略来保证具有不匹配不确定性的多区域电力系统的稳定性。此外，利用分散滑模控制设计了一种适用于具有匹配和不匹配不确定性的多区域电力系统的负荷频率控制。采用各种控制方法，能够有效地抑制了微电网源荷不确定性引起的频率偏差。上述研究并未充分考虑源荷间协调互动来实现微电网频率管理，需要对源荷互动的精细化的频率管理进行深入研究，本发明即从这一角度出发，建立了一种考虑源荷互动的精细化频率管理方法。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法。对源荷侧资源之间的协调方式进行深入分析，基于需求响应资源和鲁棒控制方法，以孤岛微电网为研究对象，综合考虑柴油发电系统、储能系统和变频空调聚合商参与微电网频率管理的优势特点，通过优势互补和协调互动，以更加精细化的频率管理策略，充分利用不同调频系统的优势性能，实现源荷随机波动情况下的微电网频率控制性能提升和不同系统调频备用容量的合理的配置，提升微电网的频率调节能力和调频经济性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，具体包括以下步骤：

(1)建立孤岛微电网负荷频率控制模型；

(2)通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商提出微电网频率管理方法，具体如下：计算柴油机发电系统、变频空调聚合商的可调节容量和储能系统的荷电状态用于确定频率调节的备用容量，根据计算结果判断变频空调聚合商的频率调节备用容量和储能系统的荷电状态是否满足微电网频率调节需求，并确定采用哪种频率管理方法，并计算出相应的频率调节功率参考值；

(3)依据孤岛微电网负荷频率控制模型和频率调节功率参考值，通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商实现微电网的一次频率调节和二次频率调节，维持微电网频率在稳定范围内。

所述步骤(1)的具体过程如下：

孤岛微电网功率平衡公式为：

△P_Li+△P_IAC＝△P_di+△P_ei+△P_Wi-△P_ij (1)

式中：△P_Li为不可控负荷变化量，△P_IAC为变频空调聚合商负荷变化量，△P_di为柴油机发电系统输出功率变化量，△P_ei为储能系统输出功率变化量，△P_Wi风力发电系统输出功率变化量，△P_ij为微电网不同区域间的联络线功率变化量，i为微电网区域编号，i＝1,2；

区域控制误差公式为：

△ACE＝△P_ij+k_e△f (2)

式中：k_e为频率偏差系数，△f为微电网频率偏差量；

微电网区域一的负荷频率控制模型公式为：

式中：△f₁为微电网区域一频率偏差量，△P_d1、△P_g1、△P_IA1、△P_e1分别为微电网区域一柴油机发电系统输出功率变化量、柴油机调速器功率指令变化量、变频空调聚合商功率指令变化量和储能系统输出功率变化量；△E₁为微电网区域一积分控制器变化量，△P_f1为微电网区域一柴油发电机系统的低频补偿量，△E_L1为微电网区域一的区域控制误差低频分量，△P₁₂为微电网区域一和二直接联络线功率变化量；k_es和T_e分别为储能系统的增益和时间常数，T_p、T_ch和T_g分别是微电网系统、柴油机系统和柴油机调速器的时间常数，k_p是微电网系统增益，R是柴油机调速器的调速系数，k_f是滤波器增益，T_L是储能系统低频滤波器时间常数，k_IA是变频空调聚合商调频备用容量与微电网调频备用容量比值，T_LP是区域控制误差的低频滤波器常数，k₁₂是联络线增益，T₁₂是联络线功率同步因数，T_c是变频空调聚合商的时间常数，k_pa是变频空调聚合商的增益，η和θ是变频空调聚合商的比例积分控制器参数。

步骤(2)中所述的决定采用哪种频率管理方法，具体如下：当柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商均满足微电网频率调节条件时，采用精细化的微电网频率管方法实现微电网频率管理；当变频空调聚合商和储能系统均不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当变频空调聚合商不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和储能系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当储能系统不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和变频空调聚合商通过负荷频率控制实现微电网频率管理。

步骤(2)所述的计算出相应的频率调节功率参考值，具体如下：

采用精细化的微电网频率管理方法实现微电网频率管理，通过低通滤波器确定不同的柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商的频率调节功率参考值；通过低通滤波器将频率偏差量和区域控制误差分解为四个分量，在一次频率调节过程中，频率偏差量的高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_f△f₁-△P_f1)；频率偏差量的低频分量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为△P_f1；在二次频率调节过程中，区域控制误差的高频分量作为储能系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_e△f₁+△P₁₂-△E_L1)；区域控制误差低频分量的k_IA倍作为变频空调聚合商的频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为△E_L1k_IA；区域控制误差低频分量的(1-k_IA)倍作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(1-k_IA)△E_L1；

采用柴油机发电系统实现微电网频率管理，频率变化量和区域控制误差作为柴油机发电系统的一次和二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和储能系统实现微电网频率管理，频率变化量通过低通滤波器分为低频分量和高频分量，其中高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，低频分量为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和变频空调聚合商实现微电网频率管理，频率变化量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统和变频空调聚合商的二次频率调节功率参考值。

本发明的优点是：本发明发明考虑电源侧柴油机发电系统、储能系统和负荷侧变频空调聚合商参与微电网频率管理的优势，通过精细化的频率管理方法确定频率调节功率参考值，实现源荷侧可调资源的协调互动和优势互补，保证微电网频率变化幅值在合理范围内，同时降低柴油机发电系统频率调节压力和频率管理备用容量配置。

附图说明

图1为本发明孤岛微电网示意图。

图2为本发明工作流程图。

图3为风力发电机输出功率变化情况和负荷需求变化图。

图4为微电网频率偏差量变化图。

图5为微电网联络线功率变化图。

图6为柴油机发电系统输出功率变化图。

具体实施方式

如图2所示，一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，该方法包括以下步骤：

(1)建立孤岛微电网负荷频率控制模型

孤岛微电网包括远离城市的孤岛或配电网故障形成的孤立区域。微电网惯性随可再生能源比例和终端电气化率的增加而降低，低惯性微电网抗干扰能力的降低使得频率调节变得更加重要。微电网的电源侧端包括风力发电系统、柴油机发电系统和储能系统。微网负荷侧由不可控负荷和变频空调负荷组成，其中变频器空调参与频率管理是通过变频空调聚合商实现的。孤岛微电网示意图如附图1所示。

微电网功率平衡公式为：

△P_Li+△P_IAC＝△P_di+△P_ei+△P_Wi-△P_ij (1)

式中：△P_Li为不可控负荷变化量，△P_IAC为变频空调聚合商负荷变化量，△P_di为柴油机发电系统输出功率变化量，△P_ei为储能系统输出功率变化量，△P_Wi风力发电系统输出功率变化量，△P_ij为微电网不同区域间的联络线功率变化量，i为微电网区域编号，i＝1,2。

区域控制误差公式为：

△ACE＝△P_ij+k_e△f (2)

式中：k_e为频率偏差系数，△f为微电网频率偏差量。

微电网区域一的负荷频率控制模型公式为：

式中：△f₁为微电网区域一频率偏差量，△P_d1、△P_g1、△P_IA1、△P_e1分别为微电网区域一柴油机发电系统输出功率变化量、柴油机调速器功率指令变化量、变频空调聚合商功率指令变化量和储能系统输出功率变化量。△E₁为微电网区域一积分控制器变化量，△P_f1为微电网区域一柴油发电机系统的低频补偿量，△E_L1为微电网区域一的区域控制误差低频分量，△P₁₂为微电网区域一和二直接联络线功率变化量。k_es和T_e储能系统的增益和时间常数，T_p、T_ch和T_g是微电网系统、柴油机系统和柴油机调速器的时间常数，k_p是微电网系统增益，R是柴油机调速器的调速系数，k_f是滤波器增益，T_L是储能系统低频滤波器时间常数，k_IA是变频空调聚合商调频备用容量与微电网调频备用容量比值，T_LP是区域控制误差的低频滤波器常数，k₁₂是联络线增益，T₁₂是联络线功率同步因数，T_c是变频空调聚合商的时间常数，k_pa是变频空调聚合商的增益，η和θ是变频空调聚合商的比例积分控制器参数。

(2)提出一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法

可再生能源的普及和终端电气化率的提升降低了微电网的惯性。传统的柴油机发电系统由于爬坡速率约束、频率调节备用容量约束和运行死区约束，已经无法单独满足高比例可再生能源和高终端电气化率的微电网频率调节要求。现有研究中实验结果表明，蓄电池的功率响应速度是传统发电机功率响应速度的60倍。由于储能系统具有快速响应微电网功率变化的能力，因此在微电网频率调节中增加储能系统来辅助柴油机发电系统的微电网频率管理，抑制微电网的频率性能恶化。然而，微电网需要配置足够的频率调节备用容量，这不仅降低了微电网中不同发电系统的利用效率，也增加了微电网的建设和运行成本。通过对需求侧资源的深入探索，可以发现温控负荷具有频率调节能力，特别是变频空调。通过利用温控负荷的温度迟滞特性，变频空调聚合商不仅可以满足用户舒适温度的需求，还能够在一定时间段内提供频率调节备用和频率调节服务。基于上述分析，通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商提出一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，该方法分为三部分，如附图2所示。

1)计算柴油机发电系统和变频空调聚合商用于频率调节的备用容量，储能系统的荷电状态，根据计算结果判断变频空调聚合商的频率调节备用容量和储能系统的荷电状态是否满足微电网频率调节需求，并确定采用哪种频率管理方法。当柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商均满足微电网频率调节条件时，采用精细化的微电网频率管方法实现微电网频率管理。当变频空调聚合商和储能系统均不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当变频空调聚合商不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和储能系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当储能系统不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和变频空调聚合商通过负荷频率控制实现微电网频率管理。

2)采用精细化的微电网频率管理方法实现微电网频率管理，通过低通滤波器确定不同的柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商的频率调节功率参考值。通过低通滤波器将频率偏差量和区域控制误差分解为四个分量。在一次频率调节过程中，频率偏差量的高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_f△f₁-△P_f1)。频率偏差量的低频分量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为△P_f1。在二次频率调节过程中，区域控制误差的高频分量作为储能系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_e△f₁+△P₁₂-△E_L1)，区域控制误差低频分量的k_IA倍作为变频空调聚合商的频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为△E_L1k_IA，区域控制误差低频分量的(1-k_IA)倍作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(1-k_IA)△E_L1。

采用柴油机发电系统实现微电网频率管理，频率变化量和区域控制误差作为柴油机发电系统的一次和二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和储能系统实现微电网频率管理，频率变化量通过低通滤波器分为低频分量和高频分量，其中高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，低频分量为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和变频空调聚合商实现微电网频率管理，频率变化量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统和变频空调聚合商的二次频率调节功率参考值。

3)依据微电网负荷频率控制模型和频率调节功率参考值，通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商实现微电网的一次频率调节和二次频率调节，维持微电网频率在稳定范围内。

(1)实施算例概况

以某地区互联孤岛微电网为算例，两孤岛微电网的参数设置一致，选择微电网系统的参考功率值为10MW,柴油机发电系统、风力发电系统、储能系统和变频空调聚合商的额定功率分别为标幺值0.6、0.4、0.01、0.12。微电网中负荷需求的平均功率为标幺值0.8。互联孤岛微电网的部分参数如表1所示。

表1互联孤岛微电网部分参数

根据本发明提出的一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，本算例将仅有柴油机发电系统参与频率管理设置为频率管理1，将柴油机发电系统和储能系统参与频率管理设置为频率管理2，将柴油机发电系统和变频空调聚合商参与频率管理设置为频率管理3，将柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商参与频率管理设置为频率管理4。孤岛微电网的风力发电机输出功率变化情况和负荷需求变化情况如附图3所示。不同频率管理所产生的微电网频率偏差量变化如附图4所示，不同频率管理所产生的微电网联络线功率变化如附图5所示，不同频率管理所产生的柴油机发电系统输出功率变化如附图6所示。

根据上述附图可以分析得到：本发明提出的一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法在保证微电网频率稳定的同时，变频空调聚合商参与频率调节，能够降低柴油机发电系统的频率调节功率。增加源荷侧可调资源类型，并采用精细化的频率管理方法促进源荷间互动，能够提高微电网频率动态性能和资源利用率，降低柴油发电系统的频率调节备用容量配置，提升微电网频率管理经济性。

Claims (4)

1.一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)建立孤岛微电网负荷频率控制模型；

(2)通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商提出微电网频率管理方法，具体如下：计算柴油机发电系统、变频空调聚合商的可调节容量和储能系统的荷电状态用于确定频率调节的备用容量，根据计算结果判断变频空调聚合商的频率调节备用容量和储能系统的荷电状态是否满足微电网频率调节需求，并确定采用哪种频率管理方法，并计算出相应的频率调节功率参考值；

(3)依据孤岛微电网负荷频率控制模型和频率调节功率参考值，通过柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商实现微电网的一次频率调节和二次频率调节，维持微电网频率在稳定范围内。

2.根据权利要求1所述的一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程如下：

孤岛微电网功率平衡公式为：

ΔP_Li+ΔP_IAC＝ΔP_di+ΔP_ei+ΔP_Wi-ΔP_ij (1)

式中：ΔP_Li为不可控负荷变化量，ΔP_IAC为变频空调聚合商负荷变化量，ΔP_di为柴油机发电系统输出功率变化量，ΔP_ei为储能系统输出功率变化量，ΔP_Wi风力发电系统输出功率变化量，ΔP_ij为微电网不同区域间的联络线功率变化量，i为微电网区域编号，i＝1，2；

区域控制误差公式为：

ΔACE＝ΔP_ij+k_eΔf (2)

式中：k_e为频率偏差系数，Δf为微电网频率偏差量；

微电网区域一的负荷频率控制模型公式为：

式中：Δf₁为微电网区域一频率偏差量，ΔP_d1、ΔP_g1、ΔP_IA1、ΔP_e1分别为微电网区域一柴油机发电系统输出功率变化量、柴油机调速器功率指令变化量、变频空调聚合商功率指令变化量和储能系统输出功率变化量；ΔE₁为微电网区域一积分控制器变化量，ΔP_f1为微电网区域一柴油发电机系统的低频补偿量，ΔE_L1为微电网区域一的区域控制误差低频分量，ΔP₁₂为微电网区域一和二直接联络线功率变化量；k_es和T_e分别为储能系统的增益和时间常数，T_p、T_ch和T_g分别是微电网系统、柴油机系统和柴油机调速器的时间常数，k_p是微电网系统增益，R是柴油机调速器的调速系数，k_f是滤波器增益，T_L是储能系统低频滤波器时间常数，k_IA是变频空调聚合商调频备用容量与微电网调频备用容量比值，T_LP是区域控制误差的低频滤波器常数，k₁₂是联络线增益，T₁₂是联络线功率同步因数，T_c是变频空调聚合商的时间常数，k_pa是变频空调聚合商的增益，η和θ是变频空调聚合商的比例积分控制器参数。

3.根据权利要求2所述的一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，其特征在于：步骤(2)中所述的决定采用哪种频率管理方法，具体如下：当柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商均满足微电网频率调节条件时，采用精细化的微电网频率管方法实现微电网频率管理；当变频空调聚合商和储能系统均不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当变频空调聚合商不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和储能系统通过负荷频率控制实现微电网频率管理；当储能系统不满足频率调节条件时，采用柴油机发电系统和变频空调聚合商通过负荷频率控制实现微电网频率管理。

4.根据权利要求3所述的一种集成变频空调聚合商的微电网频率管理方法，其特征在于：步骤(2)所述的计算出相应的频率调节功率参考值，具体如下：

采用精细化的微电网频率管理方法实现微电网频率管理，通过低通滤波器确定柴油机发电系统、储能系统和变频空调聚合商的不同频率调节功率参考值；通过低通滤波器将频率偏差量和区域控制误差分解为四个分量，在一次频率调节过程中，频率偏差量的高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_fΔf₁-ΔP_f1)；频率偏差量的低频分量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为ΔP_f1；在二次频率调节过程中，区域控制误差的高频分量作为储能系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(k_eΔf₁+ΔP₁₂-ΔE_L1)；区域控制误差低频分量的k_IA倍作为变频空调聚合商的频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为ΔE_L1k_IA；区域控制误差低频分量的(1-k_IA)倍作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值，在微电网区域一中，即为(1-k_IA)ΔE_L1；

采用柴油机发电系统实现微电网频率管理，频率变化量和区域控制误差作为柴油机发电系统的一次和二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和储能系统实现微电网频率管理，频率变化量通过低通滤波器分为低频分量和高频分量，其中高频分量作为储能系统的一次频率调节功率参考值，低频分量为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统的二次频率调节功率参考值；采用柴油机发电系统和变频空调聚合商实现微电网频率管理，频率变化量作为柴油机发电系统的一次频率调节功率参考值，区域控制误差作为柴油机发电系统和变频空调聚合商的二次频率调节功率参考值。

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