微电网参与下的配电网调频优化方法研究

岳 彤

（山西大学，山西 太原 030006）

0 引 言

同步发电机影响一次有功能源能量的变化，过程比较缓慢，因此电力系统中会发生频率变化，这时配电网的调频就显得至关重要[1]。微电网中的调频辅助服务对于维持电力系统的发电机负荷和原动机输入功率实时平衡具有至关重要的作用[2]。随着对微电网技术的深入研究，许多技术难点随之突破，微电网技术在配电网调频方面的可行性已经得到了多方面验证。

目前，对于微电网参与电力系统调频的研究较浅薄，电力系统调频工作一般仍是常规调频手段，依赖传统发电机组，即火力发电机组和水力发电机组。由于水力发电机组受地理条件、季节及河流影响极大，现实中水力发电机组调节频率较低。而火力发电机组存在响应速度迟缓、自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）指令传输不准确的缺点。考虑新能源不确定性的影响，增加了传统调频过程中时间和成本的损耗，产生了可靠性不高和能量收益较低的问题，难以应对新能源发展和市场化的改变。

1 微电网参与调频模型建立

1.1 配电网调频机理研究及收益建模

电力系统的一次调频由调速器调整发电机组出力完成，可用于平衡电力系统的频率[3]。一次调频的调节机理如图1 所示。初始时平衡点为A 点，电力系统额定频率为f0，发电机组输出功率为P0，这时电力系统中负荷发生变动，负荷吸收功率从PLD增加到P'LD，此时经过调速器作用，系统达到新的平衡点B 点。

图1 电力系统频率一次调整机理

网络频率的二次调整通过电力系统中发电机组的同步器实现[3]。电力系统频率进行二次调整的机理如图2 所示。当电力系统的负荷有功功率增加∆PL=PL2-PL1时，发电机组同步器的作用，发电机组功率频率特性曲线上移到PG2(f)，而平衡运行点移到3 点，频率为f3，但是频率并未恢复到额定频率，此时同步器再一次作用，发电机组功率频率特性曲线上移到曲线PG3(f)时，稳定运行点到6 点，频率恢复为额定频率fN。

图2 电力系统频率二次调整机理

根据配电网的调频过程分析，其成本及收益建模为

式中：CR、CY分别为配电网发电机组的燃耗成本和运行成本；CR1为火电机组单位燃耗成本，取0.05元/（kW·h）；KY1为配电网单位运行成本，取0.035 元/（kW·h）。

配电网参与调频1 h 的总收益为

式中：C为燃耗成本CR和运行成本CY之和；C0为单位电价，取0.477 元/（kW·h）。

1.2 微电网参与配电网调频

微电网参与配电网的调频机理如图3 所示，电力系统负荷有功功率增加∆PL=PL2-PL1，发电机组同步器发生作用，电发电机功率频率特性曲线上移至PG2(f)，电力系统平衡运行点随之移到2 点。同时，微电网发生并网，电力系统负荷和发电量增加，负荷功率和发电机组有功功率增加，负荷功率特性曲线上移至PL2+L0(f)，发电机功率频率特性曲线上移至PG2+G0(f)，电力系统平衡运行点移到3 点。之后，同步器再一次发挥作用，发电机功率频率特性曲线上移至PG4(f)，电力系统稳定运行点移到5 点，频率恢复额定功率fN。

图3 微电网参与电力系统频率调节机理

其成本及收益模型建立公式为

式中：CR0和KY0为微电网参与调频后的火电机组燃耗成本及单位运行成本；CW为微电网参与调频后的燃耗成本CR1和运行成本CY1之和；CM1为微电网参与调频1 h 内总的收益；CR0=0.02 元/（kW·h）；KY0=0.040 1 元/（kW·h）。

1.3 目标函数及约束条件的确立

文章研究目标为使用微电网参与配电网调频的经济性优化，目标函数是对配电网调频1 h 内总的收益及微电网参与配电网调频1 h内总的收益取最大值，具体计算公式为

约束条件包括发电机组出力约束，具体公式为

2 微电网参与配电网调频优化算法研究

线性规划法可用于解决如何有效分配地球上有限资源的问题，用最低的成本获得最高的可靠性和收益。线性规划法的计算过程如下：（1）根据具体情况确定决策变量x1,x2…；（2）列出约束条件和目标函数；（3）根据已知条件列出单纯形表；（4）将单纯形表转化为增广矩阵，并初等变换增广矩阵；（5）判断其是否符合判定条件，是否存在最优解；（6）求目标函数的最优解及最优值[4,5]。

由于确定的目标函数为线性函数，且存在2 个决策变量，每个决策变量代表一种调频方式，目标函数是求最优化的问题。由设计的模型及公式可得初始形表，如表1 所示。

表1 初始形表

根据线性规划法公式ax=b的形式，当前基本可行解的所有非基变量的检验数大于0，又因为b值为总收益加上成本，所以b值一定大于0，由此可得公式有唯一最优解。

3 实例分析

本算例为计算未来1 h 内大电网总有功负荷从5 500 kW 提升到6 000 kW，大电网自发调频所产生的收益和微电网参与调频所产生的收益。大电网总有功负荷为5 500 kW 时，系统频率为50 Hz，KL*=1.8。微电网中微型燃气轮机出力最大功率为65 kW，大电网向微电网输送最大功率为40 kW，最小功率为-160 kW。

计算可得，当系统总有功负荷增加到6 000 kW时，负荷曲线PL2(f)为

大电网运行1 h 的收益为2 352 元。

此时，考虑微电网参与调频过程，微电网自身的初始负荷PL0为25 kW。而当微电网参与调频时，大电网发电机组输出有功增加40 kW，负荷增加25 kW，大电网发电机组的功率曲线PG(f)的计算公式为

微电网参与以后发电机组的功率曲线PG1(f)变化为

微电网参与以后的负荷功率曲线PL3(f)变化为

微电网参与后电网运行1 h 所得收益为2 511.418 5 元。

由计算得到的收益结果可知，微电网参与大电网调频确实对大电网自发调频起到了经济性优化的作用，电网整体运行的收益获得了提升，验证了微电网在调频中的作用。

4 结 论

系统频率调节主要由火电机组、水电机组来承担，而面对日益复杂的系统负荷变动，其缺点日益突出。微电网凭借其应用范围广电机组、带载能力强等优势，尝试应用于电网调频。文章主要研究微电网参与配电网调频在经济性上的优化，分析并研究了配电网一、二次调频机理及成本收益，微电网参与配电网调频机理及其成本收益，使用线性规划法计算得出微电网参与配电网调频可以实现经济上的优化。