基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略

郭炳慶，楊婧捷，屈 博，戚 艷，劉幸蔚，王迎秋

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略

郭炳慶1，楊婧捷1，屈 博1，戚 艷2，劉幸蔚1，王迎秋2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

以HVAC（暖通空調(diào)）類負(fù)荷為控制對(duì)象，提出了一種基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略。首先給出了HVAC負(fù)荷的等值熱力學(xué)參數(shù)模型，分析了此類負(fù)荷的負(fù)荷特性；進(jìn)而通過(guò)用戶參與度建立HVAC負(fù)荷的溫度設(shè)定值與系統(tǒng)頻率波動(dòng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，給出了一種基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)狀態(tài)改變負(fù)荷功率，達(dá)到系統(tǒng)頻率控制的目的。最后利用典型的單機(jī)電力系統(tǒng)模型驗(yàn)證了控制策略的有效性。

暖通空調(diào)類負(fù)荷；動(dòng)態(tài)調(diào)頻；參與度；頻率控制策略

電力系統(tǒng)頻率是電能質(zhì)量的三大指標(biāo)之一，是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，反映了發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)之間的平衡關(guān)系，是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要控制參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)有功功率有盈余時(shí)，頻率就會(huì)上升超過(guò)額定值；當(dāng)發(fā)送的有功功率有缺額時(shí)，頻率就會(huì)下降至低于額定值。近年來(lái)，規(guī)模不斷增加的可再生能源其間歇性和不穩(wěn)定性增大了系統(tǒng)有功功率的波動(dòng)，從而加劇了系統(tǒng)頻率偏差[1-3]。

以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)必然替代部分常規(guī)機(jī)組[4]。對(duì)于變速風(fēng)電機(jī)組，其控制系統(tǒng)的控制作用使變速風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率完全解耦，使得電網(wǎng)頻率變化時(shí)機(jī)組無(wú)法提供頻率響應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)功率缺額發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)頻率變化率較高，頻率跌落幅度較大，不利于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到一定比例時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的功率波動(dòng)，或是風(fēng)電場(chǎng)的因故退出運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的有功出力與負(fù)荷之間產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不平衡，若此時(shí)其他發(fā)電機(jī)組未能快速響應(yīng)風(fēng)電的功率波動(dòng)，則可能造成系統(tǒng)的頻率偏差，甚至可能導(dǎo)致頻率越限，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行[5-7]。

需求響應(yīng)DR（demand response）是指用戶針對(duì)電力價(jià)格信號(hào)或者激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng)，能夠改變正常電力消費(fèi)模式的市場(chǎng)參與行為，是目前智能電網(wǎng)研究的重點(diǎn)[7-8]。需求側(cè)在電力系統(tǒng)中的地位和作用被重新認(rèn)識(shí)和定義，需求側(cè)的資源也得到了更加充分的利用。通過(guò)需求響應(yīng)控制，電力用戶可以改變電力消費(fèi)模式，參與電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和運(yùn)行，向電網(wǎng)提供高效的輔助服務(wù)[9-10]。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，高級(jí)通信、測(cè)量和控制手段為需求響應(yīng)的發(fā)展提供了有力的保障。暖通空調(diào)HVAC（heating，ventilation and air conditioning）類負(fù)荷是可控負(fù)荷的典型代表，由于其熱動(dòng)態(tài)過(guò)程與電系統(tǒng)相比，存在一定的延遲性，因此可在溫度舒適度約束要求的范圍內(nèi)，通過(guò)改變開關(guān)狀態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)功率需求[11-12]。

HVAC類負(fù)荷是一種非常適合參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的負(fù)荷形式。文獻(xiàn)[13]指出了其優(yōu)缺點(diǎn)，即HVAC類負(fù)荷所占的負(fù)荷比重較大，其速斷特性使其具有較強(qiáng)的可控性，同時(shí)作為一種耗能元件，可在用戶舒適度范圍內(nèi)短時(shí)間切斷而不影響使用，具有良好的儲(chǔ)能特性；同時(shí)又具有一定的不確定性和通信局限性，其響應(yīng)也會(huì)有一定的延遲，可能會(huì)造成系統(tǒng)二次擾動(dòng)；同時(shí)以電冰箱為例，提出一種適用于家居型HVAC負(fù)荷的變參與度需求側(cè)分散控制策略，配合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行孤立微電網(wǎng)的頻率控制。除頻率控制外，相關(guān)文獻(xiàn)也研究了HVAC類負(fù)荷在抑制其他波動(dòng)方面的應(yīng)用；文獻(xiàn)[14]采用居民家居HVAC負(fù)荷設(shè)備（以電熱泵為例）作為負(fù)荷響應(yīng)資源，以SQ算法為基礎(chǔ)，提出了一種有效抑制由可再生能源波動(dòng)引起的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)算法；文獻(xiàn)[15]以冰箱、空調(diào)、空氣能熱水器這3種負(fù)荷特性為基礎(chǔ)，提出了居民可控負(fù)荷主動(dòng)、安全響應(yīng)微電網(wǎng)電壓的基本思路，以協(xié)助微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[16]將智能需求響應(yīng)技術(shù)與低頻減載措施相結(jié)合，利用負(fù)荷側(cè)的快速響應(yīng)資源與低頻減載裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提出了一種考慮冰箱、冰柜、空調(diào)、熱水器等家電頻率響應(yīng)的新型低頻減載方案。

本文基于HVAC的負(fù)荷特性，提出一種基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略，在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的環(huán)境下，利用HVAC類負(fù)荷為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。

1 HVAC類負(fù)荷建模

HVAC類負(fù)荷指暖通空調(diào)類的溫控負(fù)荷。以制熱型溫控負(fù)荷為例，為了研究HVAC類負(fù)荷控制過(guò)程中的溫度動(dòng)態(tài)特性，在研究中常用等值熱力學(xué)ETP（equivalent thermal parameter）模型來(lái)描述HVAC類負(fù)荷，如圖1所示[11]。

圖1 HVAC負(fù)荷ETP模型Fig.1 ETP model of HVAC load

ETP模型用二階微分方程組來(lái)描述HVAC類負(fù)荷的變化過(guò)程，在涉及大量溫控負(fù)荷的大規(guī)模仿真計(jì)算時(shí)所用計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。將上述的ETP模型簡(jiǎn)化為1階微分方程，以制熱型HVAC類負(fù)荷為例，在開啟狀態(tài)下，受控溫度變化情況為

式中：T為受控環(huán)境溫度，℃；To為外環(huán)境溫度，℃；R為等值熱阻，℃/W；上標(biāo)t為仿真時(shí)間；C為等值熱容，J/℃。

在關(guān)斷狀態(tài)下，受控溫度變化情況為

式中：Q為等值熱效率，W。參數(shù)R、C、Q為等值擬合參數(shù)，是由簡(jiǎn)化模型曲線擬合精確的ETP模型曲線得出。等值擬合參數(shù)雖然沒(méi)有實(shí)際的物理意義，但它與HVAC類負(fù)荷功率及使用環(huán)境是有關(guān)聯(lián)的。功率越大，環(huán)境隔熱性能越好，等值熱阻R和等值熱比率Q的乘積RQ就越大，負(fù)荷開啟時(shí)溫度上升越快。制熱型HVAC類負(fù)荷溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖2所示。仿真步長(zhǎng)本文取為1 min，表示為

式中：T+為溫度上邊界；T-為溫度下邊界；Tset為溫度設(shè)定值；ΔT為溫度死區(qū)值。根據(jù)Tset，可計(jì)算T+與T-。

圖2 制熱型HVAC類負(fù)荷動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.2 Thermal behavior of a heating HVAC load

負(fù)荷開啟狀態(tài)下，室內(nèi)溫度以指數(shù)形式上升；當(dāng)達(dá)到溫度上邊界后負(fù)荷關(guān)斷，溫度以指數(shù)形式下降；當(dāng)達(dá)到溫度下邊界后負(fù)荷重新開啟，重復(fù)以上循環(huán)。該模型用指數(shù)變化近似模擬受控溫度的變化，在簡(jiǎn)化模型運(yùn)算復(fù)雜度的同時(shí)較好地保留了模型的精確度，在大規(guī)模仿真時(shí)有較大的應(yīng)用價(jià)值。

2 HVAC類負(fù)荷頻率響應(yīng)控制策略

需求側(cè)響應(yīng)控制策略分為集中式控制策略和分散式控制策略。集中式控制對(duì)控制區(qū)域內(nèi)的HVAC負(fù)荷集群進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度。這一控制方式可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行系統(tǒng)性控制和管理，實(shí)現(xiàn)能量的集中管理，從而可以實(shí)現(xiàn)整體上的最優(yōu)。但這一控制結(jié)構(gòu)需要專門的通信系統(tǒng)，增加了通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，信號(hào)傳遞的延遲也會(huì)降低HVAC負(fù)荷集群的響應(yīng)速度。而動(dòng)態(tài)調(diào)頻需要負(fù)荷的快速響應(yīng)，因此，集中式控制并不能很好地滿足控制需求。在分散式控制方式中，設(shè)備無(wú)需進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，也不需要專門的通信系統(tǒng)，而是可以根據(jù)本地頻率信號(hào)進(jìn)行自主快速響應(yīng)。這樣既降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時(shí)也可以避免信號(hào)傳遞的延遲。因而，分散式控制適用于動(dòng)態(tài)調(diào)頻對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度要求高的控制過(guò)程。

本文提出一種基于HVAC負(fù)荷的分散動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略，其基本控制思路如下：HVAC設(shè)備的溫度設(shè)定值（setpoint）在考慮用戶舒適度要求的范圍內(nèi)，根據(jù)電力系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化，在控制死區(qū)（deadband）的寬度不變時(shí)，設(shè)備的溫度上下界，即設(shè)備開關(guān)狀態(tài)變化的觸發(fā)溫度，也會(huì)隨系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化，這樣就可以調(diào)節(jié)狀態(tài)處于開啟和關(guān)斷的設(shè)備在負(fù)荷集群中所占的比例，從而改變HVAC群體總負(fù)荷量，進(jìn)而動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)負(fù)荷，維持系統(tǒng)發(fā)出的有功功率和負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的目的。這一過(guò)程表示為

式中：f為電力系統(tǒng)頻率的本地測(cè)量值；f0為系統(tǒng)額定頻率；T+′和T-′為經(jīng)過(guò)控制后的開關(guān)狀態(tài)觸發(fā)溫度；k為用戶參與度，℃/Hz，在數(shù)學(xué)上指的是HVAC設(shè)備觸發(fā)溫度變化量與電網(wǎng)頻率變化量之間的系數(shù)。容易看出，k值越大，HVAC負(fù)荷集群的頻率調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，調(diào)頻效果越好，但用戶舒適度越低；反之亦然。

本文將設(shè)置合適的參與度值，進(jìn)行頻率控制，控制過(guò)程如圖3所示。

圖3 HVAC頻率響應(yīng)控制策略示意Fig.3 Diagram of HVAC frequency control strategy

圖中，T+max為控制過(guò)程中設(shè)備溫度上界T+的最大值；T-min為溫度下界T-的最小值。從圖中可以看出，通過(guò)所提出的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)頻率波動(dòng)時(shí)，改變處于打開或關(guān)斷狀態(tài)的設(shè)備在負(fù)荷集群中所占的比例，從而改變整個(gè)集群的負(fù)荷需求量大小，使得供需功率趨于平衡，有效抑制可再生能源并網(wǎng)造成的頻率波動(dòng)。

本文所提控制策略通過(guò)建立HVAC設(shè)備的溫度設(shè)定值與電網(wǎng)頻率變化量之間的關(guān)系，使HVAC負(fù)荷集群參與到電網(wǎng)的頻率控制中，設(shè)備在溫度達(dá)到觸發(fā)溫度時(shí)立即動(dòng)作，可以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)頻對(duì)響應(yīng)速度的要求。本控制策略對(duì)HVAC用戶的影響主要體現(xiàn)在受控溫度的變化，在控制過(guò)程中通過(guò)設(shè)置溫度上、下限（T+max、T-min）能夠有效保證用戶舒適度。同時(shí)，這一控制策略的控制方式比較靈活，易于實(shí)現(xiàn)，且成本較低。

3 算例分析

采用圖4所示的電力系統(tǒng)頻率控制模型進(jìn)行仿真。該模型為某地區(qū)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，用于頻率控制的研究。發(fā)電系統(tǒng)等值模型包含調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)等值模型以及代表一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的反饋環(huán)節(jié)，其中，TG、TT分別為調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)，用來(lái)描述二者的時(shí)間特性。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在調(diào)速器、原動(dòng)機(jī)之間引入暫態(tài)下垂補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用超前-滯后傳遞函數(shù)來(lái)表示，其中T1、T2為超前、滯后時(shí)間常數(shù)；ΔPm為機(jī)械功率變化量。兩個(gè)反饋信號(hào)分別代表機(jī)組自身的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻作用。一次調(diào)頻中，Req為等值機(jī)組調(diào)差系數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的有差控制。二次調(diào)頻中，引入積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)誤差控制，kE為機(jī)組二次調(diào)頻響應(yīng)系數(shù)。負(fù)荷模塊用來(lái)描述系統(tǒng)負(fù)荷的頻率響應(yīng)性，其中D為荷機(jī)械阻尼功率。仿真參數(shù)的選取如表1所示。綜合考慮HVAC負(fù)荷利用率與用戶舒適度，統(tǒng)一設(shè)置用戶參與度k=10℃/Hz。

圖4 電力系統(tǒng)頻率控制模型Fig.4 Frequency control model of power system

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖4中，新能源發(fā)電模塊模擬風(fēng)電并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來(lái)的功率擾動(dòng)用ΔP表示。仿真控制對(duì)象為5×104臺(tái)功率和初始溫度設(shè)定值相同的HVAC設(shè)備，初始溫度和單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化滿足均勻分布。在功率擾動(dòng)下，系統(tǒng)產(chǎn)生頻率偏差，用Δf表示。HVAC設(shè)備通過(guò)采集系統(tǒng)頻率信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，負(fù)荷集群為電力系統(tǒng)提供調(diào)頻功率ΔPHVAC。本算例通過(guò)對(duì)比含負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略與不含動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略的系統(tǒng)頻率偏差波動(dòng)曲線來(lái)顯示頻率控制策略的調(diào)頻效果。

風(fēng)電出力波動(dòng)如圖5所示，在間歇性風(fēng)電影響下，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)如圖6所示。在沒(méi)有HVAC類負(fù)荷頻率控制的情況下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)較大，在有HVAC類負(fù)荷頻率控制的情況下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)減小。受HVAC類負(fù)荷響應(yīng)速度與用戶舒適度的限制，在個(gè)別情況下會(huì)出現(xiàn)施加HVAC類負(fù)荷控制后系統(tǒng)頻率偏差增大的情況，即二次擾動(dòng)（例如圖6中23：00）。然而在有HVAC類負(fù)荷控制后系統(tǒng)頻率波動(dòng)從整體上得到明顯改善，兩種情境下系統(tǒng)頻率概率密度分布如圖7所示。

為了維持系統(tǒng)有功平衡，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)出力波動(dòng)如圖8所示。在沒(méi)有HVAC類負(fù)荷頻率控制的情況下，發(fā)電機(jī)出力波動(dòng)較大，在有HVAC類負(fù)荷頻率控制的情況下，發(fā)電機(jī)出力波動(dòng)減小。綜上所述，本文所提HVAC類負(fù)荷控制策略能夠有效利用需求側(cè)HVAC類負(fù)荷為電力系統(tǒng)提供頻率響應(yīng)服務(wù)，在大規(guī)模新能源并網(wǎng)環(huán)境下，能夠有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)和減小發(fā)電廠出力波動(dòng)。

圖5 風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)Fig.5 Fluctuation of wind power output

圖6 系統(tǒng)頻率波動(dòng)Fig.6 Fluctuation of system frequency

圖7 系統(tǒng)頻率概率分布Fig.7 Probability distribution of system frequency

圖8 發(fā)電機(jī)出力波動(dòng)Fig.8 Fluctuation of power plant output

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于HVAC類負(fù)荷的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻控制策略，通過(guò)調(diào)整觸發(fā)溫度控制負(fù)荷的開關(guān)狀態(tài)，改變負(fù)荷功率。利用典型算例驗(yàn)證了控制策略的有效性，發(fā)現(xiàn)本控制策略能夠有效利用HVAC類負(fù)荷為電力系統(tǒng)提供頻率響應(yīng)服務(wù)，在大規(guī)模新能源并網(wǎng)環(huán)境下能夠減小系統(tǒng)頻率波動(dòng)，配合傳統(tǒng)發(fā)電廠完成系統(tǒng)調(diào)頻。

然而，受系統(tǒng)中HVAC類負(fù)荷數(shù)量與負(fù)荷特性的限制，其頻率響應(yīng)能力是有限的，單一利用HVAC類負(fù)荷提供頻率響應(yīng)服務(wù)可能會(huì)出現(xiàn)二次擾動(dòng)現(xiàn)象。需求側(cè)資源同時(shí)涵蓋電動(dòng)汽車等多種類型的柔性負(fù)荷，在需求響應(yīng)控制中如何綜合利用、協(xié)調(diào)各種類型的柔性負(fù)荷是未來(lái)研究當(dāng)中的重點(diǎn)。

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Dynamic Frequency Control Strategy for Power System Based on HVAC Load

GUO Bingqing1，YANG Jingjie1，QU Bo1，QI Yan2，LIU Xingwei1，WANG Yingqiu2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.Tianjin Electric Power Research Institute，State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China）

This paper proposes a dynamic frequency control strategy for the power system based on heating，ventilation and air conditioning（HVAC）loads.First，an equivalent thermal parameter（ETP）model is used to study the characteris?tics of HVAC loads.Then，an mathematical model is established to describe the relationship of the set-point of HVAC temperature and system frequency deviation.A dynamic frequency control strategy is proposed，which allows the HVAC loads to provide frequency response through adjusting their on/off states.Finally，a typical single-machine power system model is used to test the effectiveness of the control strategy.

heating ventilation and air conditioning（HVAC）load；dynamic frequency control；participation degree；frequency control strategy

TM73

A

1003-8930（2016）11-0065-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.011

2016-04-27；

2016-08-19

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050403）；國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目“冷熱電混合能源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”（SGTJDK00DWJS1500100）

郭炳慶（1962—），男，博士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)槟苄Ч芾?、電網(wǎng)能效分析、電能替代等。Email：bq_guo@epri.sgcc.com.cn

楊婧捷（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槟芰抗芾硐到y(tǒng)、混合能源系統(tǒng)能源聯(lián)合優(yōu)化等。Email：yangjj10@fox?mail.com

屈 博（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槟苄y(cè)評(píng)、需求側(cè)管理、混合能源聯(lián)合優(yōu)化等。Email：qubo@epri.sgcc.com.cn