可控负荷参与电力系统调频的应用研究
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
内蒙古工业大学电力学院的研究人员潘磊、凌呼君，在2017年第2期《电气技术》杂志上撰文，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启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。
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启停，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（略）
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，通过改变启动、停机温度设定值，即可控制该设备的启停状态。
图1 空调室内温度及空调功率的周期变化
2 负荷参与频率控制的逻辑（略）
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启停，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
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。
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
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6 系统频率动态曲线
图7 系统原动机阀门开度
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。
5 小结
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v的制定和电力市场的进一步完善等问题。