一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略的制作方法

本发明涉及电力调度技术领域，尤其涉及一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控的获取方法。

背景技术：

暖通负荷作为热储能设备，具有良好的储能特性，适合参与需求侧响应。基于暖通负荷的频率响应控制存在以下特征：暖通负荷通常安装后即不再移动，可全天接入电力系统长时间参与频率调节；对于热泵或空调类的暖通负荷，外界环境温度或建筑物保温性能会影响暖通负荷制热或热冷效果，间接影响负荷开关状态可持续时长；热泵等暖通空调设备代替传统的燃煤采暖设施为居民供热，能够减少二氧化硫等有毒有害气体排放，具有环保效益；暖通负荷能够代替传统发电厂及储能设备为系统提供旋转备用容量与频率调节服务，一方面能减少电力系统运行建设成本，另一方面能使用户在参与过程中获得一定的收入，具有良好的经济效益。在一些用场合，例如在暖通负荷虚拟电厂，需要对暖通负荷虚拟电厂的热泵的效率进行控制，从而尽量使用温度控制在用户期望的温度附近。但是现有的技术中，如何对暖通负荷虚拟电厂进行频率控制策略非常复杂，且调节的效果不佳。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略，可以暖通负荷数量与调频能力的实时变化，最大限度避免了热泵触碰可控域的边界，能保证控制温度始终在舒适温度范围内，可满足用户需求。

为了解决所述技术问题，本发明所采用的技术方案为：提供一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略，其包括如下步骤：

步骤s1，通过等值热力学参数模型描述热泵的控制温度动态过程，并根据用户的舒适温度范围确定单体热泵的可控域，根据所述等值热力学参数模型以及单体热泵的可控域获得暖通负荷虚拟电厂的频率调节模型；

步骤s2，通过定义热泵的温度状态参数(sot)与响应时间裕度作为频率控制参数，确定热泵的状态切换顺序，获得基于暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控；

步骤s3，通过仿真验证所提出控制策略的有效性。

优选地，所述步骤s1进一步包括：

电采暖热泵通过驱动压缩机为建筑屋供热，当采暖热泵打开时，将电能转化为热能，使得室内温度上升；当热泵被关闭时，热泵停止供热，不消耗电能，建筑物内储存热量慢慢流失，导致室内温度下降。

步骤s10，使用等值热力学参数(etp)模型描述单个热泵的热力学模型，其中流入建筑物的热量通过与etp模型耦合的恒温控制热泵装置提供，由下式获得所述的etp模型的二阶微分方程：

其中，tin为室内空气温度；tm为室内物质温度；t0为室外环境温度；q为热泵的热比率；r2为室内物质热阻；r1为室内空气热阻；ca为室内空气热容；cm为室内物质热容；

步骤s11，对所述etp模型的二阶微分方程进行简化，获得所述etp模型的一阶表达形式，所述一阶表达形式定义了用户设定的最舒适温度用户舒适温度范围的最大值与最小值以及单体热泵的动态曲线，其中，通过所述与确定单体热泵的可控域；

步骤s12，通过公式描述单体热泵的温度上升及下降过程，具体地：

当热泵关闭时，热泵的回水温度即控制温度下降，此时热泵的功率为0，由式(2)描述温度下降过程：

其中，j是热泵编号；是环境温度；△t是该状态持续时间，即仿真步长；r^j是等值热阻抗；c^j是等值热力学容量；是热泵的实时用电功率；

当热泵开启时，热泵以额定功率运行，升高，由下式(3)描述温度上升过程可：

其中，q^j为热泵的等值热效率；为热泵的额定功率；

步骤s13，根据与单体热泵的可控域之间的关系，对热泵进行调节，当升高触碰到可控域上边界时，热泵关闭使温度下降；当下降触碰到可控域下边界时，热泵打开使温度上升，如此通过不断切换功率状态，热泵能够使温度保持在舒适范围内，避免超出用户的舒适温度范围。

优选地，所述步骤s1进一步包括：

步骤s13，建立暖通负荷虚拟电厂频率调节模型；所述暖通负荷虚拟电厂的频率调节模型包括虚拟电厂控制中心与热泵负荷，两者通过光纤连接，实现信息的双向实时传递；其中，单体热泵的动态热力学过程可应用等值热力学etp模型来描述，基于此构建单体热泵的可控域，用于判断热泵是否可控；

步骤s14，确定暖通负荷虚拟电厂的响应边界，并通过功率调节裕度来描述频率调节能力；

通过下式(4)来确定暖通负荷虚拟电厂的响应边界，包括可控热泵们的用电功率上边界下边界以及总功率php,all：

其中，nhp-all是可控热泵的数量，shp是可控热泵的集合，单体热泵的最低耗电功率为0，暖通负荷虚拟电厂的响应下边界为0；

通过下式(5)来确定暖通负荷虚拟电厂的总功率的上调裕度与下调裕度

其中，总功率调节裕度始终满足且与随着nhp-all、shp改变而动态变化。

优选地，所述步骤s2进一步包括：

步骤s20，对暖通负荷频率控制参数中的热泵温度状态参数进行定义，对应的目标温度采用下式(7)获得热泵状态标识sot的目标值

其中，所述状态标识sot用于描述在热泵可控域上下边界间的相对位置；

步骤s21，确定暖通负荷频率控制参数中响应时间裕度；对于t时刻的热泵回水温度如果热泵一直保持制热状态，通过下式(8)获得热泵从此时开始到触碰温度上边界所需的时间

假如热泵保持关闭状态，则通过下式(9)获得热泵从此时开始到触碰温度下边界所需的时间

步骤s22，确定状态切换顺序；具体为：

将所有开启的可控热泵的按sot的值降序排列，排序过程中，当遇到sot值相同的热泵时，如果sot值小于它们的目标值，则按照的值降序排列；如果sot值大于它们的目标值，则按照的值升序排列，最终得到开启热泵的状态切换顺序lo；将所有关闭的可控热泵按sot值升序排列排序过程中，当遇到sot值相同的热泵时，如果sot值小于它们的目标值，则按照的值升序排列；如果sot值大于它们的目标值，则按照的值降序排列，最终得到关闭热泵的状态切换顺序lf；所获得的状态切换顺序如下式所示：

其中，nhp1是开启的可控热泵数量；o^m是列表lo中第m个热泵编号；nhp2是关闭的可控热泵数量；fⁿ是列表lf中第n个热泵编号；

其中，lo与lf满足以下约束：

步骤s23，根据所述热泵温度状态参数、响应时间裕度以及状态切换顺序获得频率控制策略；其中，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp后，控制中心根据状态切换顺序改变特定热泵的开关状态，使得dphp-all跟踪dp。

优选地，所述步骤s23进一步包括：

步骤s230，通过状态切换顺序，将开启与关闭的热泵分成了两组；

步骤s231，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp小于0时，热泵的总功率需下降，此时如果即响应需求未超出暖通负荷集群的频率调节能力，则将开启的可控热泵按照lo中的顺序依次关闭，关闭的可控热泵数量(non,off)满足下式：

若将所有开启的热泵都关闭；

步骤s332，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp大于0时，热泵的总功率需上升，此时如果则将关闭状态的可控热泵按照lf中顺序依次开启，开启的可控热泵数量(noff,on)满足下式：

若将所有关闭的热泵都开启。

实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：

本发明所提供的暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控的获取方法，其在确定频率控制策略的过程中，通过虚拟电厂的集中式控制框架，热泵的控制策略能实现对系统频率的有效控制，所提出的控制策略考虑了暖通负荷数量与调频能力的实时变化，最大限度避免了热泵触碰可控域的边界；

同时，保证了控制温度始终在舒适温度范围内，满足了用户需求，能提高用户的使用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明提出的一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控的获取方法一个实施例的主流程示意图；

图2为本发明涉及的单个热泵热力学模型示意图；

图3为图1中涉及的单体热泵动态过程示意图；

图4本本发明涉及的暖通负荷虚拟电厂频率调节模型示意图；

图5是本发明涉及的热泵的状态序列模型示意图；

图6是本发明一个实施例中涉及的仿真实施方式示意图；

图7是本发明一个实施例中涉及的两种案例的风电出力的曲线图；

图8是本发明一个实施例中涉及的两种案例的统频率变化曲线图；

图9是本发明一个实施例中涉及的热泵集群总功率曲线图；

图10是本发明一个实施例中案例1涉及的热泵温度变化曲线图；

图11是本发明一个实施例中案例2涉及的热泵温度变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，示出了本发明提出的一种暖通负荷虚拟电厂频率调整策略的主流程示意图。一并结合图2至图5所示，在本实施例中，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，通过等值热力学参数(equivalentthermalparameter，etp)模型描述热泵的控制温度动态过程，并根据用户的舒适温度范围确定单体热泵的可控域，根据所述等值热力学参数模型以及单体热泵的可控域获得暖通负荷虚拟电厂的频率调节模型；

步骤s2，通过定义热泵的温度状态参数(stateoftemperature，sot)与响应时间裕度作为频率控制参数，确定热泵的状态切换顺序，获得基于暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控；

步骤s3，通过仿真验证所提出控制策略的有效性。

下述结合附图对各步骤进行详细说明。

可以理解的是，在具体的应用场景中，电采暖热泵通过驱动压缩机为建筑屋供热，当采暖热泵打开时，将电能转化为热能，使得室内温度上升；当热泵被关闭时，热泵停止供热，不消耗电能，建筑物内储存热量慢慢流失，导致室内温度下降。

在一个具体的例子中，所述步骤s1进一步包括：

步骤s10，使用等值热力学参数(etp)模型描述单个热泵的热力学模型，其中流入建筑物的热量通过与etp模型耦合的恒温控制热泵装置提供，由下式获得所述的etp模型的二阶微分方程：

其中，tin为室内空气温度；tm为室内物质温度；t0为室外环境温度；q为热泵的热比率；r2为室内物质热阻；r1为室内空气热阻；ca为室内空气热容；cm为室内物质热容；

其中，本发明涉及的单个热泵热力学模型可以参考图2所示，该模型使用等值热力学参数(etp)模型来描述热泵的动态热力学过程，其中，流入建筑物的热量通过与etp模型耦合的恒温控制热泵装置提供。

步骤s11，在实际工程应用过程中，为了便于仿真分析，对所述etp模型的二阶微分方程进行简化，获得所述etp模型的一阶表达形式，所述一阶表达形式定义了用户设定的最舒适温度用户舒适温度范围的最大值与最小值以及单体热泵的动态曲线，其中，通过所述与确定单体热泵的可控域；其中，简化的etp模型温度变化过程可参考图3所示。

步骤s12，通过公式描述单体热泵的温度上升及下降过程，具体地：

可以理解的是，当在可控域的内部时，热泵处于可控状态并能参与频率调节；当升高触碰到可控域上边界时，热泵立刻关闭使温度下降；当下降触碰到可控域下边界时，热泵立刻打开使温度上升，如此通过不断切换功率状态，热泵能够使温度保持在舒适范围内，避免超出用户的舒适温度范围。热泵舒适温度范围是由用户自己设定的，不同用户对温度的需求存在差异，因此单体热泵的可控域范围各不相同，而可控域的约束使得热泵在参与系统频率控制过程中始终满足各位用户的需求。

具体地，当热泵关闭时，热泵的回水温度即控制温度下降，此时热泵的功率为0，由式(2)描述温度下降过程：

其中，j是热泵编号；是环境温度；△t是该状态持续时间，即仿真步长；r^j是等值热阻抗；c^j是等值热力学容量；是热泵的实时用电功率；

当热泵开启时，热泵以额定功率运行，升高，由下式(3)描述温度上升过程可：

其中，q^j为热泵的等值热效率；为热泵的额定功率；

步骤s13，根据与单体热泵的可控域之间的关系，对热泵进行调节，当升高触碰到可控域上边界时，热泵关闭使温度下降；当下降触碰到可控域下边界时，热泵打开使温度上升；如此通过不断切换功率状态，使热泵控制温度保持在舒适温度范围内。

在一个具体的例子中，所述步骤s1进一步包括：

步骤s13，建立暖通负荷虚拟电厂频率调节模型；所述暖通负荷虚拟电厂的频率调节模型包括虚拟电厂控制中心与热泵负荷，两者通过光纤连接，实现信息的双向实时传递；其中，单体热泵的动态热力学过程采用等值热力学etp模型来描述，基于此构建单体热泵的可控域，用于判断热泵是否可控；

步骤s14，确定暖通负荷虚拟电厂的响应边界，并通过功率调节裕度来描述频率调节能力；可以理解的是，利用暖通负荷实现频率调节本质上是通过改变热泵的运行状态来平抑系统有功失衡量，因此使用功率调节裕度来描述暖通负荷虚拟电厂的频率调节能力；

通过下式(4)来确定暖通负荷虚拟电厂的响应边界，包括可控热泵们的用电功率上边界下边界以及总功率

其中，nhp-all是可控热泵的数量，shp是可控热泵的集合；可以理解的是，热泵是一直接入电网状态，且可控域的约束作用能保证热泵温度不会超出可控域范围，因此可认为所有接入电网的热泵都处于可控状态。由于热泵不能向电网反向供电，单体热泵的最低耗电功率为0，暖通负荷虚拟电厂的响应下边界为0；

通过下式(5)来确定暖通负荷虚拟电厂的总功率的上调裕度与下调裕度

其中，总功率调节裕度始终满足且与随着nhp-all、shp改变而动态变化。

在一个具体的例子中，所述步骤s2进一步包括：

步骤s20，对暖通负荷频率控制参数中的热泵温度状态参数进行定义；

为体现与舒适温度边界的距离，本章节使用状态标识sot描述在热泵可控域上下边界间的相对位置。sot计算过程如下式所示：

对应的目标温度采用下式(7)获得热泵状态标识sot的目标值

其中，所述状态标识sot用于描述在热泵可控域上下边界间的相对位置；

步骤s21，确定暖通负荷频率控制参数中响应时间裕度；因热泵在不受控情况下通常一小时内可完成至少一次开关状态循环，不考虑极端地理气候条件，我国北方冬季一日24小时内最大温差通常在10℃以内，因此在计算热泵的状态持续时间过程中，考虑热泵的分钟级响应尺度，可认为外界环境温度保持不变或变化程度对温度改变速度影响不大。因此对于t时刻的热泵回水温度如果热泵一直保持制热状态，通过下式(8)获得热泵从此时开始到触碰温度上边界所需的时间

假如热泵保持关闭状态，则通过下式(9)获得热泵从此时开始到触碰温度下边界所需的时间

步骤s22，确定状态切换顺序；具体为：

频率控制策略根据状态切换顺序决定需要调频时控制具体哪些热泵。考虑用户的使用舒适度由温度决定，因此状态切换顺序主要根据热泵sot决定；当sot值相同时，依靠热泵的响应时间裕度来辅助决定顺序，在该过程中需考虑热泵sot与其目标值的关系、热泵自身运行状态。

将所有开启的可控热泵的按sot的值降序排列，排序过程中，当遇到sot值相同的热泵时，如果sot值小于它们的目标值，则按照的值降序排列；如果sot值大于它们的目标值，则按照的值升序排列，最终得到开启热泵的状态切换顺序lo；将所有关闭的可控热泵按sot值升序排列排序过程中，当遇到sot值相同的热泵时，如果sot值小于它们的目标值，则按照的值升序排列；如果sot值大于它们的目标值，则按照的值降序排列，最终得到关闭热泵的状态切换顺序lf；所获得的状态切换顺序如下式所示：

其中，nhp1是开启的可控热泵数量；o^m是列表lo中第m个热泵编号；nhp2是关闭的可控热泵数量；fⁿ是列表lf中第n个热泵编号；

其中，lo与lf满足以下约束：

步骤s23，根据所述热泵温度状态参数、响应时间裕度以及状态切换顺序获得频率控制策略；其中，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp后，控制中心根据状态切换顺序改变特定热泵的开关状态，使得dphp-all跟踪dp。可以理解的是，基于暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控考虑了单体热泵的响应容量，尽量避免控制温度触及可控域的上下边界；采用集中式控制模式，实现对热泵的精确控制；当响应需求不超出热泵集群的频率调节能力时，只控制部分热泵切换开关状态，不需要改变所有热泵的功率，对负荷多样性影响最小。

在一个具体的例子中，所述步骤s23进一步包括：

步骤s230，通过状态切换顺序，将开启与关闭的热泵分成了两组；

步骤s231，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp小于0时，热泵的总功率需下降，此时如果即响应需求未超出暖通负荷集群的频率调节能力，则将开启的可控热泵按照lo中的顺序依次关闭，关闭的可控热泵数量(non,off)满足下式：

若将所有开启的热泵都关闭，此时频率调节需求已经超出了暖通负荷虚拟电厂的频率调节能力，需考虑其他频率调节手段；

步骤s332，当暖通负荷虚拟电厂接收到有功响应需求dp大于0时，热泵的总功率需上升，此时如果则将关闭状态的可控热泵按照lf中顺序依次开启，开启的可控热泵数量(noff,on)满足下式：

若将所有关闭的热泵都开启，此时频率调节需求已经超出了暖通负荷虚拟电厂的功率上调裕度，需要考虑其他手段在热泵响应完毕的基础上将频率稳定在安全范围内。

下述结合一个仿真实例来说明本发明的暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控的有效性。

如图6所示，是本发明一个实施例中涉及的仿真实施方式示意图；

为了验证所提出的暖通负荷虚拟电厂频率控制策略的有效性，应用简化的电力系统仿真模型进行算例仿真，仿真模型系统如图6所示，在此仿真模型中的模型参数请参见表1所示。

表1热泵负荷参数

为暖通负荷虚拟电厂时间常数，风力发电厂出力曲线如图7所示。模型中一共包含22万个电热泵设备，热泵具体的负荷参数见表1。采用蒙特卡洛抽样法确定了热泵集群的初始温度状态。为了对比热泵是否参与需求侧响应对系统频率的影响，仿真一共进行了两次，两组仿真除了对暖通负荷虚拟电厂所应用的控制策略不同，其他条件完全一致：

案例1：热泵在所提出控制策略的指导下参与需求侧响应，使得热泵总功率随dp的波动而变化。

案例2：热泵不受控制策略约束，不参与需求侧响应，处于普通工作模式，每次热泵开启后直到温度上升到舒适温度范围的上边界才关闭，关闭后直到温度下降到舒适温度的下边界再开启。

图8与9分别展示了两组案例的系统频率与热泵总功率变化情况。由图4-10可知，案例1中的热泵在暖通负荷虚拟电厂控制策略的指导下其总功率随着dp的波动而变化，从而有效消纳有功失衡，维护系统频率稳定；而案例2中的热泵由于都处于普通工作模式，对于系统频率变化呈不响应状态，热泵总功率不随风电出力而变化，导致图4-8中案例2中情景下的系统频率有明显的波动，系统频率超出规定的稳定范围。

如图10与图11所示，两组案例中热泵温度随时间不断变化。由图10可知，案例1中的热泵由于受响应中心控制，在运行过程中，部分温度曲线的变化趋势逐渐一致，出现趋同效应；而图11中案例2中的热泵不参与频率响应，其状态切换只取决于是否触碰可控域边界，缺乏统一的规律，温度曲线相比案例1中的更为发散；此外由于可控域的约束，无论热泵是否参与频率调节其温度都没有超出舒适温度范围，满足了用户的需求。

通过虚拟电厂的集中式控制框架，热泵的控制策略能实现对系统频率的有效控制，所提出的控制策略考虑了暖通负荷数量与调频能力的实时变化，最大限度避免了热泵触碰可控域的边界，同时保证了控制温度始终在舒适温度范围内，满足了用户需求。值得注意的是，当热泵集群直接的响应特性较为接近时，相比较不参与需求侧响应的热泵，受控于频率响应需求的热泵集群其内部各负荷运行状态会出现趋同效应，可能造成大量热泵同时触碰可控域的边界，造成对系统频率的二次扰动。为此应考虑引入基于多种可控负荷的频率协调控制，增强需求侧可控负荷的频率调节能力，维护系统安全稳定运行。

实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：

本发明所提供的暖通负荷虚拟电厂频率调整策略动态调控的获取方法，其在确定频率控制策略的过程中，通过虚拟电厂的集中式控制框架，热泵的控制策略能实现对系统频率的有效控制，所提出的控制策略考虑了暖通负荷数量与调频能力的实时变化，最大限度避免了热泵触碰可控域的边界；

同时，保证了控制温度始终在舒适温度范围内，满足了用户需求，能提高用户的使用体验。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。