一种基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法与流程

本发明涉及电力系统调频技术领域，是一种基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法。

背景技术：

现有的一次调频主要由发电机组来完成，但因机组固有的特性导致调频响应速度较慢，频繁的增减出力不仅会对机组造成磨损，还会增加煤耗。此外，面对因新能源接入导致的大量调频需求，单纯地靠增加机组容量来增加调频容量会显著增加运营成本，经济性较差。因此，有必要寻求一种新的调频方式，作为供给侧的补充。需求侧调频便是一个很好的选择，物联网技术、通信技术和智能量测技术的发展更是为需求侧调频提供了技术保障。其中，以空调、冰箱、热水器等为代表的温控负荷是目前分布较为广泛的需求侧资源，且因夏季温度过高，我国空调负荷的占比逐年增高甚至超过1/2，其可调控的潜在容量也在逐渐增加。温控负荷还具有开通关断时间短、短时储存热量的特点，这些都使温控负荷更适合参与系统一次调频。

目前，利用温控负荷参与调频的方式主要有开关控制、占空比控制和温度设定值。其中，开关控制响应速度快，适合时间尺度较短的一次调频。但对于温控负荷分布广的特点，在调频控制方面调度中心需处理大量信息，有一定控制难度，并且温控负荷参与调频时，需要保证用户舒适度，应尽最大可能考虑用户参与调频的意愿，减少频繁开关负荷对设备的损耗。这些都是温控负荷参与系统调频时面临的难点。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种具有技术方案可行、应用价值高的基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)上层调度中心变下垂系数的确定方法

将温控负荷聚合体作为具有虚拟下垂曲线的虚拟发电机组参与调频，变下垂系数能够根据聚合商的实时调节能力调整功率的分配，使得各个聚合商的调节功率均在其调节容量内，有效的改善了调频效果；

将温控负荷的聚合功率称为基准功率pbase，用以构造虚拟下垂曲线，在不受外界控制时，pbase主要受负荷自身的温度死区范围和外界温度影响，利用单台温控负荷的等值热力学模型求解pbase，将二阶的数学模型进行简化，得室内温度的计算公式：

式中：n为温控负荷聚合商聚合的温控负荷的总台数；t为时间，单位：h；ti(t)表示t时刻第i个负荷所处的室内温度，单位：℃；为t时刻第i个负荷所处的室内温度变化率，单位：℃/h；tw(t)为外界环境温度，单位：℃；r为等效热阻，单位：℃/kw；c为等效热容，单位：kwh/℃；pn为第i个负荷的制冷量，单位kw；si(t)为第i个空调负荷t时刻的开关状态，用一个二元变量表示：

其中，δ为无穷小的时间延迟，1代表空调处于开启状态，0代表空调处于关闭状态，ti^max(t)和ti^min(t)分别表示t时刻第i个负荷允许的温度上限和温度下限，由t时刻第i个负荷的温度设定值ti^set(t)及温度死区δti决定：

ti^max(t)＝ti^set(t)+δti(3)

ti^min(t)＝ti^set(t)-δti(4)

最后，负荷在t时刻的基准功率，也就是聚合功率为：

其中，η为能效比；

此时的pbase是在不受外界控制的情况下聚合功率，然而pbase在温控负荷参与调频的过程中是时刻变化的，需要负荷聚合商根据收集的室温值、开关状态、可调用台数等信息实时计算基准功率，对其进行不断修正，通过对温控负荷基准功率的研究，获得时刻变化的最大上调功率和最大下调功率

pall为n台负荷的总功率；

δfrg为规定一次调频的范围，且传统机组为防止因系统微小的频率波动而引起不必要的动作一般设置调频死区δfdb，则负荷的上调下垂系数为：

负荷的下调下垂系数为：

由于最大上调功率和最大下调功率是时刻变化的，导致也是实时变化的；

对于频率偏差量δf而言，负荷可调节的功率δp为：

由于负荷的功率消耗并不能连续调整，所以实际上构造的虚拟下垂曲线是阶跃的，但单个负荷的容量与总体负荷的聚合容量性比较，前者要小得多，即更加接近我们构造的光滑下垂曲线；

调度中心接收聚合商上报的虚拟下垂系数，据此进行分配，传统发电机组与温控负荷聚合商共享有功功率不平衡量，当出现频率偏差δf时，δpg为传统发电机组应调节的有功功率，δptcls为温控负荷聚合商应调节的有功功率：

δpg＝-kg|δf-δfdb|(13)

kg为传统发电机组的下垂系数；

2)考虑温度优先级列表法的下层温控负荷聚合功率控制

温控负荷聚合商经由上层调度中心获得应调节的功率偏差量δptcls，将下层的温控负荷看作虚拟的发电机组，采用温度优先级列表法对温控负荷的聚合功率进行控制，使其虚拟发电量等于应调节的功率偏差，进而平衡电网的频率波动，温度优先级列表法在尽量不改变负荷的自然开断转换状态下，对负荷进行排序，越接近自然开断转换的负荷优先级越高，进而降低了负荷的开关次数，温度优先级列表法还充分的考虑了用户的参与意愿，将温控负荷用户的参与度分为四级，参与度高的温控负荷的温度死区较宽，开关次数会变少，降低了空调的损耗，参与度低的温控负荷的开关次数将会有所增加，但仍在可接受范围内，并且温度优先级列表法在控制过程中考虑了负荷最小开通关断时间，避免某一负荷多次连续的参加调整，有效降低了空调的开关次数；

提出用户参与度表示用户参与调频的意愿，用ci表示第i个用户的参与度，以改变温控负荷的温度死区，ci在0.25、0.5、0.75、1四个参与度指标中选取，计算式为：

δti＝ciδt0(14)

其中，δt0为温度死区设置的初始值，规定为1，ci选取越大，温度死区越大，即可调节的范围越大，在电力市场中，也能获得更多的调频补偿，用户根据自己对温度变化的容忍程度和获得的收益来考虑如何设置自己的参与度，δti为第i个温控负荷的温度死区，温控负荷在室温达到温度死区边界值时，会自然改变开关状态；

设置了负荷最小开通、关断时间约束，减少在控制过程中因某一负荷连续频繁的改变开关状态给设备带来的磨损，空调在打开后应至少运行3分钟，同时在关闭后等待至少5分钟再次打开，将各温控负荷分为两组，处于开启状态且未锁定的负荷为一组，处于关闭状态且未锁定的为一组，按接近自然转换的开关状态去开启关闭负荷，即按照第i个温控负荷距离温度死区边界的差值di进行排序，di越小，具有越高的优先级，越先进行状态转换，处于开启状态下的负荷，越靠近下边界温度死区具有优先级越高，处于关闭状态下的负荷，越靠近上边界温度死区具有优先级越高；

di^on＝ti^set-ti^min(15)

di^off＝ti^max-ti^set(16)

ti^set为第i个空调负荷的温度设定值，ti^max、ti^min分别为第i个空调负荷的温度上限和温度下限，为处于开启状态下第i个温控负荷距离温度死区下边界的差值，为处于关闭状态下第i个温控负荷距离温度死区上边界的差值；

温控负荷聚合商在接收到调频任务量δptcls后，按式(17)确定负荷参加调频的台数：

non，noff分别为温控负荷应开启或关闭的台数，在台数确定后，根据各空调按优先级排序后的序列，确定开关状态应变化的温控负荷。

本发明的一种基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法所具有的优点体现在：

1.提出负荷聚合商参与的分层控制结构，对调度中心有效的屏蔽了温控负荷分散的特点，将大量冗杂的信息进行处理，简化的调度中心工作，便于调频命令下发；

2.上层控制中，将温控负荷也作为具有虚拟下垂曲线的虚拟发电机组，构造变化的虚拟下垂曲线，使得各个聚合商的调节功率均在其调节容量内，更贴近实际情况，可以有效的进行功率分配；

3.下层控制中，让用户自主选择参与度，给与用户极大的自主权，考虑温度优先级列表法对下层负荷进行控制，极大的减小了负荷的开关次数，并且考虑最小开通关断时间，避免某一负荷多次连续的参加调整；

4.技术方案可行、应用价值高。

附图说明

图1是温控负荷参与一次调频分层控制框架示意图；

图2是温控负荷虚拟下垂曲线示意图；

图3是丧失5mw发电量频率响应图；

图4是室内温度变化图；

图5是理想功率和实际功率对比图；

图6是负荷平均开关次数示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实例对本发明作进一步说明。

本发明的一种基于双层控制的温控负荷参与电力系统一次调频方法，包括以下步骤：

1)构建分层控制框架

以夏季空调负荷参与系统一次调频为例，提出如下的分层控制框架，主要由三个主体构成：调度中心、负荷聚合商和用户，具体参考图1。

在上层控制中，针对调度中心而言，其负责为各个温控负荷聚合商及传统机组分配调频任务。调度中心每秒接收一次温控负荷聚合商上报的虚拟下垂系数及最大上调、下调容量等信息，构造虚拟下垂曲线，用以响应系统的频率偏差。

在下层控制中，针对温控负荷聚合商，在接受到调度中心下发的需调整的功率偏差量后，考虑用户上报的参与度及负荷的最小开通关断时间约束，对所辖负荷以温度优先级列表法进行排序，按优先级将开关命令发送到每个温控负荷的本地控制器上以达到控制目的。此外，聚合商还需整合用户上报的参与度、室温及开关信息，得出最大上调、下调容量，虚拟下垂系数，每秒上报给调度中心，便于调度中心分配需要调整的功率偏差量。

用户负责向负荷聚合商上报参与度，表明自己参与调频的意愿，参与度的设置给定了用户很大的自主选择权。用户每秒还需上报负荷当下所处的开关状态以及室内温度信息，以便温控负荷聚合商进行聚合整理。除上报信息外，用户也需要执行聚合商下发的开关命令，后两项的具体操作均由本地负荷控制器自主完成。

以下以一个温控负荷聚合商为例来说明变下垂系数的确定方法，以及相应的功率分配及控制过程，并假设所有温控负荷的制冷量pn相同，该假设不会对实际的控制造成影响。

2)上层调度中心变下垂系数的确定方法

将温控负荷聚合体作为具有虚拟下垂曲线的虚拟发电机组参与调频，在如今因高渗透率可再生能源并网导致频率波动过大的情况下，可有效降低传统发电侧的调频压力。对于调度中心来说，上层需合理分配调频偏差量。传统的固定下垂系数没有考虑各聚合商调频功率分配的均衡性，会导致部分聚合商承担的调频功率过大，进而影响调频效果。变下垂系数可根据聚合商的实时调节能力调整功率的分配，使得各个聚合商的调节功率均在其调节容量内，有效的改善了调频效果。

将温控负荷的聚合功率称为基准功率pbase，用以构造虚拟下垂曲线。在不受外界控制时，pbase主要受负荷自身的温度死区范围和外界温度影响。利用单台温控负荷的等值热力学模型求解pbase，将二阶的数学模型进行简化，可得室内温度的计算公式：

式中：n为温控负荷聚合商聚合的温控负荷的总台数；t为时间，单位：h；ti(t)表示t时刻第i个负荷所处的室内温度，单位：℃；为t时刻第i个负荷所处的室内温度变化率，单位：℃/h；tw(t)为外界环境温度，单位：℃；r为等效热阻，单位：℃/kw；c为等效热容，单位：kwh/℃；pn为第i个负荷的制冷量，单位kw；si(t)为第i个空调负荷t时刻的开关状态，用一个二元变量表示：

其中，δ为无穷小的时间延迟，1代表空调处于开启状态，0代表空调处于关闭状态，ti^max(t)和ti^min(t)分别表示t时刻第i个负荷允许的温度上限和温度下限，由t时刻第i个负荷的温度设定值ti^set(t)及温度死区δti决定：

ti^max(t)＝ti^set(t)+δti(3)

ti^min(t)＝ti^set(t)-δti(4)

最后，负荷在t时刻的基准功率，也就是聚合功率为：

其中，η为能效比。

此时的pbase是在不受外界控制的情况下聚合功率，然而pbase在温控负荷参与调频的过程中是时刻变化的，需要负荷聚合商根据收集的室温值、开关状态、可调用台数等信息实时计算基准功率，对其进行不断修正。通过对温控负荷基准功率的研究，可以获得时刻变化的最大上调功率和最大下调功率

pall为n台负荷的总功率。

δfrg为规定一次调频的范围，且传统机组为防止因系统微小的频率波动而引起不必要的动作一般设置调频死区δfdb。则负荷的上调下垂系数为：

负荷的下调下垂系数为：

由于最大上调功率和最大下调功率是时刻变化的，导致也是实时变化的。

对于频率偏差量δf而言，负荷可调节的功率δp为：

由于负荷的功率消耗并不能连续调整，所以实际上构造的虚拟下垂曲线是阶跃的。但单个负荷的容量与总体负荷的聚合容量性比较，前者要小得多，所以更加接近我们构造的光滑下垂曲线，具体参考图2。

调度中心接收聚合商上报的虚拟下垂系数，据此进行分配，传统发电机组与温控负荷聚合商共享有功功率不平衡量。当出现频率偏差δf时，δpg为传统发电机组应调节的有功功率，δptcls为温控负荷聚合商应调节的有功功率：

δpg＝-kg|δf-δfdb|(13)

kg为传统发电机组的下垂系数。

3)考虑温度优先级列表法的下层温控负荷聚合功率控制

温控负荷聚合商经由上层调度中心获得应调节的功率偏差量δptcls，将下层的温控负荷看作虚拟的发电机组，采用温度优先级列表法对温控负荷的聚合功率进行控制，使其虚拟发电量等于应调节的功率偏差，进而平衡电网的频率波动。该方法在尽量不改变负荷的自然开断转换状态下，对负荷进行排序，越接近自然开断转换的负荷优先级越高，进而降低了负荷的开关次数。温度优先级列表法还充分的考虑了用户的参与意愿，将温控负荷用户的参与度分为四级，参与度高的温控负荷的温度死区较宽，开关次数会变少，降低了空调的损耗。参与度低的温控负荷的开关次数将会有所增加，但仍在可接受范围内。并且该方法在控制过程中考虑了负荷最小开通关断时间，避免某一负荷多次连续的参加调整，有效降低了空调的开关次数。

提出用户参与度表示用户参与调频的意愿，用ci表示第i个用户的参与度，以改变温控负荷的温度死区，ci可在0.25、0.5、0.75、1四个参与度指标中选取，计算方式如下：

δti＝ciδt0(14)

其中，δt0为温度死区设置的初始值，规定为1，ci选取越大，温度死区越大，即可调节的范围越大，在电力市场中，也可获得更多的调频补偿。用户可以根据自己对温度变化的容忍程度和获得的收益来考虑如何设置自己的参与度。δti为第i个温控负荷的温度死区。即根据选取参与度指标不同，有四个温度档位。温控负荷在室温达到温度死区边界值时，会自然改变开关状态。

为减少在控制过程中某一负荷连续频繁的改变开关状态给设备带来的磨损，设置了负荷最小开通、关断时间约束，空调在打开后应至少运行3分钟，同时在关闭后等待至少5分钟再次打开。将各温控负荷分为两组，处于开启状态且未锁定的负荷为一组，处于关闭状态且未锁定的为一组。为减少开关次数，降低开关动作对负荷设备的磨损程度，应尽可能按接近自然转换的开关状态去开启关闭负荷，即按照第i个温控负荷距离温度死区边界的差值di进行排序，di越小，具有越高的优先级，越先进行状态转换。处于开启状态下的负荷，越靠近下边界温度死区具有优先级越高。处于关闭状态下的负荷，越靠近上边界温度死区具有优先级越高。

di^on＝ti^set-ti^min(15)

di^off＝ti^max-ti^set(16)

ti^set为第i个空调负荷的温度设定值，ti^max、ti^min分别为第i个空调负荷的温度上限和温度下限，为处于开启状态下第i个温控负荷距离温度死区下边界的差值，为处于关闭状态下第i个温控负荷距离温度死区上边界的差值。

温控负荷聚合商在接收到调频任务量δptcls后，按式(17)确定负荷参加调频的台数：

non，noff分别为温控负荷应开启或关闭的台数。在台数确定后，根据各空调按优先级排序后的序列，确定开关状态应变化的温控负荷。

上层考虑传统机组涡轮机和调速器的情况下，建立单区域电力系统仿真模型研究温控负荷聚合体对频率调节的能力，传统机组下垂系数取7mw/hz，负荷虚拟下垂系数取3.5mw/hz，其频率死区为0.033hz，标准频率为50hz，具体参数如表1。

模拟突然间丧失5mw的发电量频率波动的情况，具体参考图3。当仅传统发电机组进行调频时，频率最低点为49.08hz，最终稳定在49.35hz。当发电机组和温控负荷同时参与调频时，频率最低点为49.40hz，稳定在49.54hz，二者都能在30s内使频率达到稳态。负荷控制回路会产生额外的功率，且响应更加迅速，使频率可以快速地回升。

表1单区域电力系统仿真模型参数

下层选取共1000台空调在夏季制冷的情况下用于模拟温控负荷进行频率响应的情况，具体参数值见表2。初始化每台空调的室内温度值，使其均匀分布在各自初始温度死区范围内，初始有50％空调处于开启状态。给定某地区24h实测的外温变化值，并使用系统24小时的频率偏差数据。

表2温控负荷仿真参数

假设用户均匀选取参与度指标，图4是50台空调的室内温度变化曲线，以下边界为例，可以清晰的看出22℃、22.25℃、22.5℃、22.75℃四条边界，0～5小时内上边界有较为明显的控制表现。同样，1000台空调的室内温度变化曲线也是有清晰的边界，并且有较为明显的控制表现。图5为1000台实际功率与理想功率的对比图，二者十分相近，通过计算可得均方根误差rmse为10.59，能较好的进行调频。图6为1000台空调在每个档位的负荷平均开关次数，在5～55之间波动，其中，随着参与度的增加，负荷的平均开关次数会降低。总体平均开关次数为19.44，在可接受范围内。

本发明具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。