微电网源——荷动态频率调整模式探究

张菁娴，孙帅，赵转，何朝铭

（1.郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000；2.中石化中原石油工程设计有限公司，河南 郑州 450018）

当前，“双碳”背景下，能源结构发生变革，非化石能源消费比重持续增长，终端的电气化水平逐步提升，在此基础上唯有构建新型电力系统，以新能源为消费主体，建立多种电网形态并存，源、荷多远互动，安全可靠的电力系统尤为重要。

微电网是各类分布式电源、储能装置以及负荷的有效集成，旨在实现对局部区域的灵活、可靠、经济供电。系统中不同的分布式能源对负荷提供电能，且这些分布式电源之间有对应的变流器与母线相连，电网可以独立运行，也可以通过母线连接到大电网实现并网运行，且在并网运行状态下可起到平抑峰谷的作用，有助于提高大电网的可靠性。由于独立运行的微电网中可再生能源所占比例较高，电子化趋势明显，因此抵御扰动的能力较弱，难以维持微电网频率的稳定性，频率控制仍是当前孤立微电网发展的主要瓶颈之一。

传统可参与调频的电源只有同步机组，电网动态频率的稳定多依靠其转子惯性，但除此之外，应充分挖掘微电网中源—荷不同环节的调频潜力。新能源机组通过添加控制环节，实现类似火力机组的惯性响应和一次调频能力，负荷可通过需求侧响应技术实现调频能力。

1 可控负荷参与调频方法

温控负荷参与调频如下：

以空调、 冰箱、 热泵为代表的温控负荷（thermostatically controlled load, TCL）是目前分布最广泛的需求侧资源，在用户侧呈集群式分布。温控负荷对供电连续性需求不高且具有类似于储能特性的储温能力，响应速度很快。因此，若将单一温控负荷的离散开关聚合起来，则可实现类似于发电机调节的功率响应特性，具有参与电网辅助调频的潜力。

改变温控负荷用电功率的方式主要有2 种，即调整设备的温度设定或控制温控设备的开关状态。改变设备温度设定值的控制方式势必要建立负荷温度与响应功率的关系模型，而温控负荷应用范围广，不同负荷需建立不同的响应模型，因此无法大规模的使用，只适用于类似场景下负荷的小部分聚合。控制温控设备开关状态的控制方式，可不具体讨论负荷的类型及工作场景，弱化了不同类型负荷间的差异性。

温控负荷具有温度调节的上限T+和下限T-，[T+,T-]即为温控负荷的温度调节区间。对于制热和制冷设备，其启停状态会在上限T+和下限T-处切换，如图1 所示。改变设备温度设定值，即向上或向下平移其温度调节区间，移动范围为ΔT。以温控制冷负荷为例，T+的上移会使原本处于停止状态的设备短时间仍保持停止，T-的上移会使原本处于启动状态的设备迅速停止，达到降低所需功率的目的。

图1 温控负荷运行状态示意图

若通过调整设备的温度设定值，使温控负荷参与频率调整，则应引入频率的变化量，使温控负荷的温度调节区间响应其变化。但是，温控区间的移动并非无限制，本文设置|ΔT|≤(T+-T-)，即温控负荷的温度上下限移动范围不可超过可控区间，若超过此区间，则直接启/停设备，如式(1)。

其中，kf为温控负荷参与度系数，如果kf大则表示相应系统频率变化剧烈，是一个考虑用户舒适度的系数。

因此，对于同类应用场景的温控负荷群，则可引入频率的变化，温控负荷的功率变化为ΔPL，如下式(2)，其控制策略如图2 所示。

图2 调整温度设定值的温控负荷响应频率控制策略

其中，PLN是温控负荷的额定功率，PL0是温控负荷的参与调频前的初始功率。

因此，同类应用场景的温控负荷群，可采用调整设备的温度设定值的方式参与调频，如图2 所示。

其他的可控温控负荷，可分组通过开关状态参与调频。当系统频率变化率超过稳定阈值fk后，则直接启/停设备，如图3 所示。

图3 控制开关状态的温控负荷响应频率控制策略

2 可控电源参与调频方法

2.1 同步机参与调频

微电网中存在的燃气轮机等，可效仿同步发电机模型。同步发电机的频率调节是依靠转子的机械转动惯量，通过释放转子动能，与电网进行能量交互，维持系统的频率稳定。由同步机的转子运动方程式(3)可知，当系统频率稳定时，，同步机的转子转速不变；当系统频率波动时，说明存在功率缺额或过剩，在较短时间内，机械功率来不及瞬时变化，功率变化的差值，由转子角频率变化代偿。

其中，δ 为同步发电机功角，表示同步发电机励磁电势与机端电压之间的相位差；ω*为同步发电机的输出电压角频率，ω0为额定角频率，TJ为同步发电机的惯性时间常数，Pm*和Pe*分别是原动机的输出机械功率和发电机的输出电磁功率。

2.2 风电机组参与调频

微电网中的风电为分散式风电，与常规风电场不同，容量小，适用于低风速场景，可多点接入低压配电系统，略去了集中变电环节，使得分散式风电运行更加高效灵活。本文采用风电机组中广泛使用的双馈异步风力发电机（Doubly fed Induction Generator，DFIG）具有调速范围宽、有功无功功率可独立调节及所需励磁变频器容量较小等特点。

传统DFIG 多采用最大风功率追踪(MPPT)控制，以最大限度地捕获风能，因此只对风速有响应，对频率的变化没有响应，即没有应对频率变化的备用容量，若要DFIG 运行在有备用容量的状态下，则需对应的移动风能追踪曲线，使其偏离最大值。由于加入虚拟惯量控制后，当系统频率跌落时，DFIG 释放部分转子存储的动能，对频率进行支撑，导致转速下降，因此只能向右移动风能追踪曲线，即实现超速控制，使其运行在低于最大输出功率点的高转速状态，如图4 所示。

图4 DFIG 功率特性曲线

图4表示不同风速下的风机出力P 与转子转速ωr之间的关系，其中某风速vw下DFIG 运行在B’点，当发生扰动时，频率突然跌落，此时微电网中的同步机还未迅速响应；DFIG 输出电磁功率迅速增加并达到饱和值，DFIG 运行在B 点；随后转速继续下降使其运行在B”点，DFIG 在短暂的支撑后进入转速恢复期，此时需要从电网中吸收一部分有功，用于转速恢复，最终恢复到B’点。

因此，相应的DFIG 响应系统频率变化的控制模型如图4 所示，包括虚拟惯量控制和转速保护控制，其中，虚拟惯量控制的作用是引入对频率变化率的响应，而转速保护控制的作用是限制DFIG 转子转速在合理范围之内。由图5 可知DFIG 有功功率控制的关键是有功功率参考值的计算，虚拟惯量控制模块的加入对原有参考值进行了修正，则DFIG 转子侧变流器输入的有功参考值可依据当前系统频率的变化而变化。

图5 DFIG 调频控制模型

DFIG 转子侧变流器输入的有功参考值为：

其中，Popt为MPPT 最佳输出有功功率，Kin为虚拟惯量控参数。

微电网频率受扰动影响会瞬时变化，以负荷突增扰动为例，惯量作用在频率跌落的初始阶段，由于系统惯量的支撑作用，初始频率变化率减缓，动态频率偏差减小，可有效防止频率的突然大范围跌落。

但是在频率回升阶段，过大的虚拟惯量参数取值会使得DFIG 出力会出现反向缺额，原因是吸收功率进行转子动能的存储。当虚拟惯量较大时，转速跌落值越大，DFIG 有功出力反向缺额越大，转子转速恢复较快，但频率的回升速率会受惯量的限制而无法快速回升。因此，可通过对风电机组虚拟惯量参数进行限制，改善风机出力，使其参与调频。

3 源—荷互动协同调频模式

微电网可聚合包括风电、光伏在内的多种分布式电源与多类型负荷，也正因如此，微电网中影响频率稳定的因素众多，控制手段需要从源、荷2 方面入手。

微电网在孤岛运行状态下的新能源功率控制需响应系统频率变化。以风电机组为例，传统的风电机组，并不参与系统频率稳定控制，相反风速的波动性均会造成微电网动态频率的不稳定，此时，需要储能、燃气轮机等发挥稳定作用。本文考虑在风电机组的控制中，加入了虚拟惯量模块后，系统等效管量增加，平滑了频率波动；加入转速保护模块，可有效缓解风速变化对风电机组出力的过度影响。

微电网在孤岛运行状态下的多类可控负荷需引入需求侧频率响应。本文考虑分布最广泛的温控负荷，且将其按照用电特性分为2 类：一类是同类应用场景的温控负荷群，可通过引入频率变化信号，调整设备的温度设定值，在控制过程中，充分考虑负荷侧的用户舒适度，可调整参与度系数kf，达到改变可控负荷功率支撑频率贡献度的作用；另一类是其他负荷，可通过分组控制，当频率的变化超过阈值fk后，依次启/停。

因此，微电网中，源、荷各单元均需具有矫正系统频率的能力，但不同调频资源的优先级仍需确定。本文采用集中控制方式，对微电网中的风电机组与温控负荷进行协同控制，以发电侧可参与调频的机组为主要调频资源，可控负荷作为辅助调频资源，如图6 所示。基本控制思想为：

图6 系统源—荷协同调频策略

（1）当系统频率偏差Δf较小时，系统受到的扰动较小，常规同步机组和风电机组即可满足调频需求，可控负荷不参与调频，无响应动作。

（2）当系统频率偏差Δf较大时，系统受到的扰动较大，负荷波动大，此时仅依靠调频机组的作用难以满足调频速度和容量需求，因此，需要可控负荷参与辅助调频。在参与辅助调频的可控负荷中，优先调节温度设定值响应频率变化的温控负荷群，若其通过少量改变温度设定值即可满足系统频率差额，则无需启/停其他温控负荷。

（3）当系统频率偏差Δf很大时，微电网处于紧急状态，需要充分且快速地调用所有可参与调频的资源，包括调频机组和所有可控负荷。

4 结语

本文针对含高比例新能源的微电网动态频率稳定问题，从源、荷多角度梳理其参与系统调频的方式。一方面，通过在传统风机有功控制策略中加入可响应频率变化的虚拟惯量空值，挖掘风电机组的转动惯量以支撑频率；另一方面，分析了温控负荷参与微电网频率调节的控制原理，包括调整设备的温度设定或控制温控设备的开关状态2 种方式，令需求侧参与频率调整的同时，考虑对用户舒适度的影响。

并且，提出含高比例新能源微电网中，源—荷互动协同完成动态频率调整的控制策略，促进微电网频率稳定，后续可考虑源、网、荷、储的多元协同，助力微电网动态频率控制的进一步发展。