微電網(wǎng)參與下的配電網(wǎng)調(diào)頻優(yōu)化方法研究

岳 彤

（山西大學(xué)，山西 太原 030006）

0 引 言

同步發(fā)電機(jī)影響一次有功能源能量的變化，過程比較緩慢，因此電力系統(tǒng)中會發(fā)生頻率變化，這時配電網(wǎng)的調(diào)頻就顯得至關(guān)重要[1]。微電網(wǎng)中的調(diào)頻輔助服務(wù)對于維持電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)負(fù)荷和原動機(jī)輸入功率實(shí)時平衡具有至關(guān)重要的作用[2]。隨著對微電網(wǎng)技術(shù)的深入研究，許多技術(shù)難點(diǎn)隨之突破，微電網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)調(diào)頻方面的可行性已經(jīng)得到了多方面驗(yàn)證。

目前，對于微電網(wǎng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的研究較淺薄，電力系統(tǒng)調(diào)頻工作一般仍是常規(guī)調(diào)頻手段，依賴傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，即火力發(fā)電機(jī)組和水力發(fā)電機(jī)組。由于水力發(fā)電機(jī)組受地理?xiàng)l件、季節(jié)及河流影響極大，現(xiàn)實(shí)中水力發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)頻率較低。而火力發(fā)電機(jī)組存在響應(yīng)速度遲緩、自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）指令傳輸不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。考慮新能源不確定性的影響，增加了傳統(tǒng)調(diào)頻過程中時間和成本的損耗，產(chǎn)生了可靠性不高和能量收益較低的問題，難以應(yīng)對新能源發(fā)展和市場化的改變。

1 微電網(wǎng)參與調(diào)頻模型建立

1.1 配電網(wǎng)調(diào)頻機(jī)理研究及收益建模

電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻由調(diào)速器調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力完成，可用于平衡電力系統(tǒng)的頻率[3]。一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)機(jī)理如圖1 所示。初始時平衡點(diǎn)為A 點(diǎn)，電力系統(tǒng)額定頻率為f0，發(fā)電機(jī)組輸出功率為P0，這時電力系統(tǒng)中負(fù)荷發(fā)生變動，負(fù)荷吸收功率從PLD增加到P'LD，此時經(jīng)過調(diào)速器作用，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡點(diǎn)B 點(diǎn)。

圖1 電力系統(tǒng)頻率一次調(diào)整機(jī)理

網(wǎng)絡(luò)頻率的二次調(diào)整通過電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組的同步器實(shí)現(xiàn)[3]。電力系統(tǒng)頻率進(jìn)行二次調(diào)整的機(jī)理如圖2 所示。當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷有功功率增加?PL=PL2-PL1時，發(fā)電機(jī)組同步器的作用，發(fā)電機(jī)組功率頻率特性曲線上移到PG2(f)，而平衡運(yùn)行點(diǎn)移到3 點(diǎn)，頻率為f3，但是頻率并未恢復(fù)到額定頻率，此時同步器再一次作用，發(fā)電機(jī)組功率頻率特性曲線上移到曲線PG3(f)時，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)到6 點(diǎn)，頻率恢復(fù)為額定頻率fN。

圖2 電力系統(tǒng)頻率二次調(diào)整機(jī)理

根據(jù)配電網(wǎng)的調(diào)頻過程分析，其成本及收益建模為

式中：CR、CY分別為配電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的燃耗成本和運(yùn)行成本；CR1為火電機(jī)組單位燃耗成本，取0.05元/（kW·h）；KY1為配電網(wǎng)單位運(yùn)行成本，取0.035 元/（kW·h）。

配電網(wǎng)參與調(diào)頻1 h 的總收益為

式中：C為燃耗成本CR和運(yùn)行成本CY之和；C0為單位電價，取0.477 元/（kW·h）。

1.2 微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻

微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)的調(diào)頻機(jī)理如圖3 所示，電力系統(tǒng)負(fù)荷有功功率增加?PL=PL2-PL1，發(fā)電機(jī)組同步器發(fā)生作用，電發(fā)電機(jī)功率頻率特性曲線上移至PG2(f)，電力系統(tǒng)平衡運(yùn)行點(diǎn)隨之移到2 點(diǎn)。同時，微電網(wǎng)發(fā)生并網(wǎng)，電力系統(tǒng)負(fù)荷和發(fā)電量增加，負(fù)荷功率和發(fā)電機(jī)組有功功率增加，負(fù)荷功率特性曲線上移至PL2+L0(f)，發(fā)電機(jī)功率頻率特性曲線上移至PG2+G0(f)，電力系統(tǒng)平衡運(yùn)行點(diǎn)移到3 點(diǎn)。之后，同步器再一次發(fā)揮作用，發(fā)電機(jī)功率頻率特性曲線上移至PG4(f)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)移到5 點(diǎn)，頻率恢復(fù)額定功率fN。

圖3 微電網(wǎng)參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)機(jī)理

其成本及收益模型建立公式為

式中：CR0和KY0為微電網(wǎng)參與調(diào)頻后的火電機(jī)組燃耗成本及單位運(yùn)行成本；CW為微電網(wǎng)參與調(diào)頻后的燃耗成本CR1和運(yùn)行成本CY1之和；CM1為微電網(wǎng)參與調(diào)頻1 h 內(nèi)總的收益；CR0=0.02 元/（kW·h）；KY0=0.040 1 元/（kW·h）。

1.3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件的確立

文章研究目標(biāo)為使用微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)是對配電網(wǎng)調(diào)頻1 h 內(nèi)總的收益及微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻1 h內(nèi)總的收益取最大值，具體計(jì)算公式為

約束條件包括發(fā)電機(jī)組出力約束，具體公式為

2 微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻優(yōu)化算法研究

線性規(guī)劃法可用于解決如何有效分配地球上有限資源的問題，用最低的成本獲得最高的可靠性和收益。線性規(guī)劃法的計(jì)算過程如下：（1）根據(jù)具體情況確定決策變量x1,x2…；（2）列出約束條件和目標(biāo)函數(shù)；（3）根據(jù)已知條件列出單純形表；（4）將單純形表轉(zhuǎn)化為增廣矩陣，并初等變換增廣矩陣；（5）判斷其是否符合判定條件，是否存在最優(yōu)解；（6）求目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解及最優(yōu)值[4,5]。

由于確定的目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù)，且存在2 個決策變量，每個決策變量代表一種調(diào)頻方式，目標(biāo)函數(shù)是求最優(yōu)化的問題。由設(shè)計(jì)的模型及公式可得初始形表，如表1 所示。

表1 初始形表

根據(jù)線性規(guī)劃法公式ax=b的形式，當(dāng)前基本可行解的所有非基變量的檢驗(yàn)數(shù)大于0，又因?yàn)閎值為總收益加上成本，所以b值一定大于0，由此可得公式有唯一最優(yōu)解。

3 實(shí)例分析

本算例為計(jì)算未來1 h 內(nèi)大電網(wǎng)總有功負(fù)荷從5 500 kW 提升到6 000 kW，大電網(wǎng)自發(fā)調(diào)頻所產(chǎn)生的收益和微電網(wǎng)參與調(diào)頻所產(chǎn)生的收益。大電網(wǎng)總有功負(fù)荷為5 500 kW 時，系統(tǒng)頻率為50 Hz，KL*=1.8。微電網(wǎng)中微型燃?xì)廨啓C(jī)出力最大功率為65 kW，大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送最大功率為40 kW，最小功率為-160 kW。

計(jì)算可得，當(dāng)系統(tǒng)總有功負(fù)荷增加到6 000 kW時，負(fù)荷曲線PL2(f)為

大電網(wǎng)運(yùn)行1 h 的收益為2 352 元。

此時，考慮微電網(wǎng)參與調(diào)頻過程，微電網(wǎng)自身的初始負(fù)荷PL0為25 kW。而當(dāng)微電網(wǎng)參與調(diào)頻時，大電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組輸出有功增加40 kW，負(fù)荷增加25 kW，大電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的功率曲線PG(f)的計(jì)算公式為

微電網(wǎng)參與以后發(fā)電機(jī)組的功率曲線PG1(f)變化為

微電網(wǎng)參與以后的負(fù)荷功率曲線PL3(f)變化為

微電網(wǎng)參與后電網(wǎng)運(yùn)行1 h 所得收益為2 511.418 5 元。

由計(jì)算得到的收益結(jié)果可知，微電網(wǎng)參與大電網(wǎng)調(diào)頻確實(shí)對大電網(wǎng)自發(fā)調(diào)頻起到了經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的作用，電網(wǎng)整體運(yùn)行的收益獲得了提升，驗(yàn)證了微電網(wǎng)在調(diào)頻中的作用。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)主要由火電機(jī)組、水電機(jī)組來承擔(dān)，而面對日益復(fù)雜的系統(tǒng)負(fù)荷變動，其缺點(diǎn)日益突出。微電網(wǎng)憑借其應(yīng)用范圍廣電機(jī)組、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，嘗試應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻。文章主要研究微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)化，分析并研究了配電網(wǎng)一、二次調(diào)頻機(jī)理及成本收益，微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻機(jī)理及其成本收益，使用線性規(guī)劃法計(jì)算得出微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)調(diào)頻可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化。