可控负荷参与电力系统调频的应用研究

潘 磊 凌呼君

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

可控负荷参与电力系统调频的应用研究

潘 磊 凌呼君

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

介绍了用电设备主动参与电网调频的控制策略，建立了能够根据系统频率的波动情况起停用电设备参与电力系统的一次调频控制器的逻辑结构。并应用单机带负荷模型，仿真分析了大量可控负荷参与系统一次调频后对系统频率控制效果的改善。

高频；频率稳定；可控负荷

实际生产中，发电设备生产的电能必须与该时刻消费的电能相平衡。在电力生产的过程中，当系统出现负荷波动时，通过调整发电侧的出力来平衡系统有功功率，即频率调整主要由发电机组的调速系统完成。随着核电和新能源发电的接入，传统的通过调节发电机有功输出对系统功率平衡进行调节的方式将受到影响[1]。负荷主动参与电网一次调频，可以减少发电侧设置的一次调频容量[2-3]。当系统遭受冲击负荷或重大事故时，如果用电设备能够根据电网的运行情况，主动调整用电负荷配合系统的一次调频，将有利于系统的稳定。

冰箱、热水器以及电动汽车都可以参与系统有功功率平衡控制[4-5]。文献[6]提出根据频率变化调整用电设备的起停，设计了电网频率波动时负荷功率的控制策略。

1 可控负荷的原理

可控负荷指可以根据电网的运行状态调整用电负荷而不影响用户用电体验的“能量消耗型”用电设备[7]。电热器、冰箱和空调等用电设备，控制器都有温度控制功能，通过改变起动、停机温度设定值，即可控制该设备的起停状态。

图1 空调室内温度及空调功率的周期变化

图 1为空调室内某时间段的温度变化曲线[8]。空调具有周期工作特性，空调工作空间内温度在关闭边界温度值θ−和开启边界温度值+θ 之间周期性变化，如图1所示。PAC表示空调的额定功率，Tset表示空调的设定温度，Ton、Toff分别表示空调运行周期中处于开和关运行状态的时间。在制冷工作状态下，空调在室内温度升高到某一限定值时开始起动，消耗电能。随着制冷设备的工作，空调室内温度降低至设定值，空调停止工作，不再消耗电能。

2 负荷参与频率控制的逻辑

为了实现可控负荷参与电网频率调节，用电设备需要加装可控负荷控制器。可控负荷控制器的作用就是根据电网的频率偏差，按照事先设定的控制策略控制用电设备的起停，配合电网的有功功率调节。图2为控制器逻辑框图。图3为频率偏差大于设定值时控制器的工作时序示例。

图2 控制器逻辑框图

图3 控制器工作时序示例

当电网正常运行，系统频率偏差较小没有达到设定值时，用电设备根据用户设定正常工作，控制器保持待机状态A。

当频率偏差大于设定值时，控制器按如下工作时序运行：控制器根据频率偏差的大小确定对应的事先设定的频率越限时间。当频率越限时间达到设定的延迟时间时，满足可控负荷控制器起动条件，控制器进入工作状态B。在状态B中设置随机延时Tdelay。在Tdelay内如果系统的频率偏差降低回到设定值以内，控制器将退出运行，返回状态A。若在Tdelay之后，电网频率偏差依然大于设定值，则控制器进入工作状态 C，用电设备起动投入运行。控制器进入状态C后，当系统频率偏差回到设定值内或者达到事先设定的最大起动时间Tmax_ON，控制器将从状态C进入状态D，设备停止运行。控制器在状态D维持设备最小停止时间Tmin_OFF，再次进入状态B，完成一次工作循环。

不同用电设备的Tmax_ON不同。需要根据设备的类型和特性设定，以保证设备的正常特性和用户的用电体验，以免影响设备的使用寿命。Tmin_OFF的设定与设备本身的特性和设备停止前的持续运行时间有关，取决于设备停机多长时间后可以再次起动，并且需要保证设备的工作参数经过Tmin_OFF后恢复到可以再次起动的条件。

图3中，在0～t0时间内系统频率偏差大于设定值，t0时间点后频率偏差小于设定值不在控制区。在0时刻系统频率偏差达到设定值且设备具备起动条件，控制器进入工作状态B，经随机延时Tdelay，控制器进入状态 C，用电设备投入运行，设备持续运行时间达到最大起动时间Tmax_ON，控制器进入状态 D，用电设备被切除。如果此时系统频率仍大于设定值，设备经过最小停止时间Tmin_OFF后控制器再次进入状态B。在经过Tdelay后控制器进入状态C，在t0时刻系统频率下降到正常值，控制器进入状态D，在Tmin_OFF后进入状态B。频率偏差小于设定值控制器返回待机状态 A。用电设备根据用户设定正常运行。

3 可控负荷参与系统调频的影响

应用 PSCAD/EMTDC仿真软件实现控制器逻辑模型，如图4所示。

采用单机带负荷模型进行仿真分析，根据有关统计，空调、家用冰箱和热水器类负荷约占供电负荷的12%[6]。本文假设有5.4%的负荷安装了可控负荷控制器且可以参与系统的一次调频。系统中有27个负荷单元，分为三组每组9个。三组负荷分别用于代表冰箱、空调和热水器的集合。不同设备的可控负荷控制器的控制区域按照图5设计。在系统频率达到设定值时，27个负荷单元分别由 27个可控负荷控制器控制开断，参与一次调频。

4 仿真结果分析

图 6为可控负荷参与一次调频的频率动态曲线。从图可得，有可控负荷参与系统一次调频的仿真曲线明显低于只有发电机组调速系统进行一次调频的仿真曲线，频率调节效果更好。当发生高频事故时，可控负荷的参与可以提高系统的频率稳定性，保证系统发生功率扰动时有更高的存活率。

图4 可控负荷控制器逻辑的实现

图5 三类可控负荷的控制区域

图6 系统频率动态曲线

图7为调频过程中调节汽门开度指令对比图。在发生高频事故时，有可控负荷参与一次调频时的调节汽门开度比没有采用可控负荷的调节汽门开度更大。由于控制器只有在频率达到 51Hz时才会直接控制用电设备参与一次调频，在事故发生初期控制器并未立即参与频率调整，所以在初期两条仿真曲线基本重合。当频率逐渐升高大于 51Hz时，可控负荷迅速参与一次调频，使系统总有功功率适当增加，原动机调节汽门开度相应增大。从图中可以看出，只有发电机调速系统进行一次调频的系统，原动机调节汽门开度在频率调节的过程中已经达到了最小值。

图7 系统原动机阀门开度

5 结论

可控负荷的接入对系统频率的调节是有利的，能够有效抑制发生功率扰动时系统频率的波动。负荷主动参与电网调频，可以降低系统的旋转备用容量，提高运行经济性，同时还可以改善系统运行的稳定性。随着通信技术和控制技术的发展，对负荷实施控制技术上难度不大。冰箱、电热器、空调等用电设备分散数量庞大，加装控制器成本较高，所需的费用由那个部门承担，同时负荷主动参与频率调节，对用户产生的影响还涉及到经济补偿问题，这就牵涉到相关政策的制定和电力市场的进一步完善等问题。

[1]王锡凡,邵成成,王秀丽,等.电动汽车充电负荷与调度控制策略综述[J].中国电机工程学报,2013,33(1):1-10.

[2]Samarakoon K,Ekanayake J,Jenkins N.Investigation of domestic load control to provide primary frequency response using smart meters[J].IEEE Transactions onSmart Grid,2012,3(1):282-292.

[3]Hassan R,Abdallah M,Radman G.Load shedding in smart grid:a reliable efficient Ad-Hoc broadcast algorithm for smart house[C]//2012 PROCEEDINGS OF IEEE SOUTHEASTCON,2012:1-5.

[4]Kondoh J,Lu N,Hammerstrom D J.An evaluation of the water heater load potential for providing regulation service[J].IEEE Trans on Power System,2011,26(3):1309-1316.

[5]Galus M D,Koch S,Andersson G.Provision of load frequency control by PHEVs,controllable loads,and a cogeneration unit[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2011,58(10):4568-4582.

[6]Douglass P J,Garcia-Valle R,Nyeng P,et al.Demand as frequency controlled reserve[C]//2nd IEEE PES International Conference and Exhibition on,2011:1-7.

[7]周博.电力系统频率控制中的负荷建模与应用[D].北京:华北电力大学,2013.

[8]刘萌,褚晓东,张文,等.基于多样性保持的空调负荷群调度控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(22):3674-3682.

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，硕士，主要研究方向为电力系统稳定控制。