含規(guī)模化空氣源熱泵的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

丁屹峰， 宮 成， 馬龍飛， 徐 蕙， 邵文君

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司 電源中心， 北京 100075)

近年來，為了實(shí)現(xiàn)冬季清潔供暖、改善空氣質(zhì)量，北京市率先開展了“煤改電”工程[1].北京市政府首先在農(nóng)村地區(qū)推廣使用空氣源熱泵[2]一類分布式電采暖設(shè)備，該類設(shè)備能效較高，單位面積供暖所需的負(fù)荷密度較低[3-5].但由于傳統(tǒng)空氣源熱泵采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)電流大，因而，目前正在逐步推廣使用變頻空氣源熱泵替換定頻熱泵[6].

空氣源熱泵是一種將空氣、土壤、水中不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱能的節(jié)能裝置[7-8].眾多學(xué)者和專家重點(diǎn)研究了空氣源熱泵的啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和室內(nèi)外氣溫波動(dòng)時(shí)的暫態(tài)特性，并主要關(guān)注能量轉(zhuǎn)換效率與加熱效果[9-10].文獻(xiàn)[11]與[12]針對(duì)現(xiàn)有空氣源熱泵的工作對(duì)象主要是居民建筑與寫字樓的問題，研究了需要考慮保溫與通風(fēng)因素時(shí)空氣源熱泵的加熱效率；文獻(xiàn)[13]考慮到能源的綜合利用效率和供熱成本，提出了一種太陽能輔助加熱或光伏供電加熱的互補(bǔ)運(yùn)行模式，力圖減少電能使用.

北京地區(qū)為了減小分布式電采暖規(guī)?；瘧?yīng)用對(duì)電網(wǎng)電量平衡的影響，實(shí)施了峰谷電價(jià)，在21點(diǎn)開始實(shí)施優(yōu)惠電價(jià)，但由于此時(shí)大量空氣源熱泵同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊，影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[14-16].本文基于單體定頻空氣源熱泵和變頻直流空氣源熱泵的啟動(dòng)特性，使用非序貫蒙特卡洛方法研究了規(guī)?；諝庠礋岜脝?dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)理論分析了電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，為分析規(guī)模化空氣源熱泵對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定帶來的影響提供了有效的手段.

1 單空氣源熱泵啟動(dòng)特性

空氣源熱泵主要由室內(nèi)外風(fēng)機(jī)電機(jī)和換熱器構(gòu)成，可以將空氣、土壤、水中不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)化為可利用的高位熱能.空氣源熱泵包括定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵，其中定頻空氣源熱泵始終以固定頻率運(yùn)行，并在達(dá)到設(shè)定溫度后自動(dòng)停機(jī)；而變頻空氣源熱泵在運(yùn)行時(shí)可通過改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制，并可根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)切換制冷、除濕和制熱等運(yùn)行方式[17-18].為了準(zhǔn)確模擬規(guī)?；諝庠礋岜玫膯?dòng)特性，本節(jié)分別分析了單體定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動(dòng)特性.

1.1 定頻空氣源熱泵啟動(dòng)特性

定頻空氣源熱泵所連接的機(jī)械設(shè)備為谷輪空氣壓縮機(jī)，電機(jī)類型為異步電動(dòng)機(jī).其機(jī)械特性與電氣特性分別表示為

(1)

(2)

1.2 變頻空氣源熱泵啟動(dòng)特性

變頻空氣源熱泵的一般驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.變頻空氣源熱泵的功率一般為4 kW，由低壓電網(wǎng)單相供電，通過交直交驅(qū)動(dòng)器為伺服電機(jī)提供電能.在交直變換中一般采用全橋布控整流，通過直流電容來穩(wěn)定脈動(dòng)直流電壓；而在直交轉(zhuǎn)換中，通過基于IGBT的全控三相功率變換器來直接控制輸出電壓的幅值與頻率，并間接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.當(dāng)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度偏差較大時(shí)，可通過提高轉(zhuǎn)速增大制冷或制熱功率；反之則降低轉(zhuǎn)速，減少制冷或制熱功率.其中，制冷或制熱功率的控制根據(jù)用戶需求與室內(nèi)外溫差的變化而定.相對(duì)于定頻空氣源熱泵斷續(xù)工作的方式，變頻空氣源熱泵的工作方式減少了電機(jī)的啟停次數(shù)，從而有利于減少電能損耗，增加設(shè)備的使用壽命.

圖1 變頻直流空氣源熱泵驅(qū)動(dòng)器拓?fù)銯ig.1 Topology of driver of DC air source heat pump with variable frequency

功率所需無功功率由直流電容器提供，而所需有功功率計(jì)算表達(dá)式為

(3)

式中：U1和U2分別為啟動(dòng)前與啟動(dòng)時(shí)的直流母線電壓；Im為電機(jī)側(cè)電流；IR為整流器側(cè)電流；T為工作時(shí)間；t0為啟動(dòng)時(shí)間.變頻空氣源熱泵所采用的伺服電機(jī)為電壓源型驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，由直流電壓可控的特點(diǎn)可知，通過降低短暫?jiǎn)?dòng)時(shí)間內(nèi)的功率需求能夠有效抑制啟動(dòng)電流.

1.3 空氣源熱泵啟動(dòng)特性定性分析

在對(duì)前述兩種類型空氣源熱泵啟動(dòng)特性定量分析的基礎(chǔ)上，為了更為準(zhǔn)確地量化啟動(dòng)特性，對(duì)定頻和變頻空氣源熱泵工作特性進(jìn)行了定性分析.

定頻空氣源熱泵的銘牌參數(shù)如表1所示，其啟動(dòng)特性如圖2所示.圖2中的曲線較好地反映了式(1)與式(2)的模型特性.在定頻空氣源熱泵啟動(dòng)時(shí)有功功率與無功功率均出現(xiàn)了較大的沖擊電流，一方面用于建立磁場(chǎng)，另一方面反映了電機(jī)旋轉(zhuǎn)前的堵轉(zhuǎn)電流.由于啟動(dòng)時(shí)同時(shí)具有有功功率與無功功率的沖擊，使用串聯(lián)電阻、降壓或星三角變換等常規(guī)手段難以應(yīng)對(duì).

表1 定頻空氣源熱泵基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters for air source heat pump with fixed frequency

圖2 定頻空氣源熱泵啟動(dòng)特性Fig.2 Actual measurement of startup characteristic of air source heat pump with fixed frequency

變頻空氣源熱泵的銘牌參數(shù)如表2所示，其啟動(dòng)特性如圖3所示.圖3表明變頻空氣源熱泵在電力電子功率變換設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下能平滑啟動(dòng)，有功功率與無功功率均未出現(xiàn)越限情況.

表2 變頻空氣源熱泵基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters for air source heat pump with variable frequency

圖3 變頻空氣源熱泵啟動(dòng)特性實(shí)測(cè)Fig.3 Actual measurement of startup characteristics of air source heat pump with variable frequency

2 規(guī)?；諝庠礋岜脝?dòng)特性模擬

通過兩類型空氣源熱泵啟動(dòng)過程的定量和定性分析可知，空氣源熱泵啟動(dòng)的瞬時(shí)功率與空氣源熱泵的電動(dòng)機(jī)特性有著較大關(guān)系.如定頻空氣源熱泵所采用的異步電機(jī)，其瞬時(shí)有功功率可達(dá)到額定功率的4倍，總電流值可達(dá)到額定電流的7倍.因此，在同一變壓器臺(tái)區(qū)下，若多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)可能造成變壓器的瞬時(shí)過載與電壓跌落.同時(shí)，在北京市大規(guī)模推廣的城郊“煤改電”工程中，考慮到煤改電負(fù)荷的季節(jié)性變化與日變化，多采用非晶變壓器，其空載損耗低，但過載能力不足，增加了電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)隱患.

針對(duì)規(guī)?；諝庠礋岜媒尤肱潆娋W(wǎng)，對(duì)變壓器低壓側(cè)啟動(dòng)支撐能力的評(píng)估需求，并考慮到未來配電網(wǎng)增容改造的合理評(píng)估與運(yùn)行控制的安全要求，本文以單體空氣源熱泵啟動(dòng)特性為基礎(chǔ)，采用非貫序蒙特卡洛模擬計(jì)算得到兩種類型多臺(tái)空氣源熱泵共同工作時(shí)的啟動(dòng)特性.

2.1 非貫序蒙特卡洛模擬

非貫序蒙特卡洛模擬的基本思想是利用各空氣源熱泵運(yùn)行狀態(tài)之間的獨(dú)立性，抽樣判斷出某一熱泵的運(yùn)行狀態(tài)，從而得到電網(wǎng)系統(tǒng)的整體狀態(tài).該種評(píng)估方法被廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，本文使用該方法并假設(shè)某一空氣源熱泵存在運(yùn)行和停機(jī)兩種狀態(tài)，并用Si表示第i個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，1，0分別表示運(yùn)行與停機(jī)狀態(tài)，Pi表示停機(jī)概率，則有

(4)

式中，Ri為在[0，1]區(qū)間上隨機(jī)抽取的值.

對(duì)一個(gè)含有M個(gè)空氣源熱泵的低壓配電網(wǎng)隨機(jī)重復(fù)抽取N次，可以得到電網(wǎng)的整體運(yùn)行狀態(tài)集合為S=(S1，S2，…，Sk，…，SN).當(dāng)抽取次數(shù)N足夠大時(shí)，可以近似確定某一狀態(tài)Sk的概率為

(5)

式中，m(Sk)為狀態(tài)Sk出現(xiàn)的次數(shù).

本文將抽樣次數(shù)的閾值作為終止條件，并在達(dá)到閾值時(shí)，檢驗(yàn)方差系數(shù).若滿足則結(jié)束模擬；否則增加抽樣閾值并繼續(xù)抽樣.

2.2 空氣源熱泵概率模型

常用的蒙特卡洛模擬法有連續(xù)模型和離散模型兩種.連續(xù)模型使用正態(tài)分布來近似模擬空氣源熱泵運(yùn)行狀態(tài)的不確定性；而離散模型則使用空氣源熱泵的功率及其對(duì)應(yīng)的概率來描述.

由于離散模型并不能準(zhǔn)確反映規(guī)?；諝庠礋岜眠\(yùn)行過程中的不確定性和負(fù)荷變化，因此本文使用連續(xù)模型進(jìn)行模擬.在模擬中假設(shè)定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動(dòng)同步率p和啟動(dòng)延遲時(shí)間q分別服從正態(tài)分布，即

(6)

(7)

式中：μp、σp和μq、σq分別為p和q的均值和方差；f(p)和f(q)為分布函數(shù).

2.3 電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與評(píng)估流程

根據(jù)空氣源熱泵的定性和定量分析，本文定義了系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn)和電流越限風(fēng)險(xiǎn)來評(píng)估電網(wǎng)穩(wěn)定性.

1) 系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn).空氣源熱泵的運(yùn)行狀態(tài)按照某一概率函數(shù)抽樣時(shí)，某些抽樣值可能失穩(wěn)，從而產(chǎn)生失穩(wěn)損失，系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值可表示為

(8)

式中：n為抽樣次數(shù)；Pl為第i個(gè)失穩(wěn)抽樣值的次數(shù)占總抽樣次數(shù)的比例；λ為失穩(wěn)導(dǎo)致相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失.

2) 電流越限風(fēng)險(xiǎn).該風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的表達(dá)式為

(9)

式中：PSk為第k個(gè)空氣`源熱泵狀態(tài)Sk運(yùn)行的概率；D為電流越限狀態(tài)的集合；βSk為電流越限嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)參數(shù).

3) 綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo).該指標(biāo)由系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn)和電流越限風(fēng)險(xiǎn)的加權(quán)和表示，基于多次交叉實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)置權(quán)值分別為0.28和0.72，其表達(dá)式為

Rcom=0.28Rl+0.72PLSV

(10)

規(guī)?；諝庠礋岜脝?dòng)時(shí)，電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程主要包括以下兩步：

1) 使用非貫序蒙特卡洛法對(duì)空氣源熱泵運(yùn)行狀態(tài)隨機(jī)抽樣，并根據(jù)式(6)、(7)計(jì)算此時(shí)各熱泵的功率；

2) 計(jì)算電網(wǎng)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，并計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)，從而分析規(guī)模化空氣源熱泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響.

3 算例分析

為了驗(yàn)證所提模擬方法的有效性，本文以北京某郊區(qū)以空氣源熱泵為主要設(shè)備的村落臺(tái)區(qū)低壓配電網(wǎng)為研究對(duì)象，同時(shí)，設(shè)定每戶接入空氣源熱泵分為定頻與變頻兩種情況.

臺(tái)區(qū)低壓電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，臺(tái)區(qū)下共有低壓用戶20戶，每個(gè)用戶為農(nóng)家院，居住面積200 m2，變壓器容量400 kW.其中，3、4、5、6、8、9、10、11、12、17、19、20號(hào)節(jié)點(diǎn)處安裝定頻空氣源熱泵，其他節(jié)點(diǎn)處安裝變頻空氣源熱泵.

圖4 煤改電村落臺(tái)區(qū)低壓電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.4Topologicalstructureoflowvoltagepowergridinvillageterrace(T)areawithchangefromcoaltoelectricity

在模擬中定頻空氣源熱泵由于采用斷續(xù)啟停的工作方式，在優(yōu)惠電價(jià)開始時(shí)刻同步率較高；而變頻空氣源熱泵由于采用閉環(huán)控制，根據(jù)各個(gè)居室條件控制輸出功率，所以同步率相對(duì)較低.又由于二者均采用微控制器，時(shí)間精度驅(qū)動(dòng)，故延遲時(shí)間均值設(shè)定在0.5 s.本文以定頻及變頻兩種類型空氣源熱泵實(shí)測(cè)曲線為基礎(chǔ)，設(shè)定定頻空氣源熱泵的啟動(dòng)同步率與啟動(dòng)延遲時(shí)間分別服從(0.8，0.4)，(0.5，0.2)的正態(tài)分布；而變頻空氣源熱泵的啟動(dòng)同步率與啟動(dòng)延遲時(shí)間分別服從(0.6，0.4)，(0.5，0.2)的正態(tài)分布.

針對(duì)兩種空氣源熱泵設(shè)定的啟動(dòng)同步率與啟動(dòng)延時(shí)的分布規(guī)律，對(duì)所選臺(tái)區(qū)內(nèi)空氣源熱泵的啟動(dòng)過程進(jìn)行了模擬.定頻空氣源熱泵模擬情況如圖5所示；變頻空氣源熱泵模擬情況如圖6所示.由圖5和圖6的蒙特卡洛模擬結(jié)果可知，定頻空氣源熱泵雖價(jià)格較為低廉，但啟動(dòng)沖擊較大；而變頻空氣源熱泵的啟動(dòng)過程更為平坦.

圖5 臺(tái)區(qū)定頻空氣源熱泵模擬Fig.5 Simulation of air source heat pump with fixed frequency in T area

圖6 臺(tái)區(qū)變頻空氣源熱泵模擬Fig.6 Simulation of air source heat pump with variable frequency in T area

為了評(píng)估不同類型的空氣源熱泵對(duì)電網(wǎng)的影響，本文計(jì)算了部分節(jié)點(diǎn)的各種風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo).系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、電流越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)結(jié)果如圖7～9所示.

圖7 部分節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Fig.7 Risk index of system instability loss of partial nodes

圖8 部分節(jié)點(diǎn)電流越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Fig.8 Risk index of over-limit current for partial nodes

圖9 各節(jié)點(diǎn)綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Fig.9 Comprehensive risk index of each node

從圖7可以看出，節(jié)點(diǎn)5的系統(tǒng)失穩(wěn)損失風(fēng)險(xiǎn)值最大，而節(jié)點(diǎn)7的值最小，這表明節(jié)點(diǎn)7的可靠程度對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響較大，而節(jié)點(diǎn)5的可靠程度對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響較小，因此，在規(guī)?；諝庠礋岜猛絾?dòng)時(shí)應(yīng)格外關(guān)注節(jié)點(diǎn)7；從圖8可看出，3、6、17、19、20節(jié)點(diǎn)發(fā)生電流越限的風(fēng)險(xiǎn)較高，這些節(jié)點(diǎn)極易發(fā)生電流沖擊并影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；從圖9可以看出，節(jié)點(diǎn)6的綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)最大，即該點(diǎn)極易導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定.

通過對(duì)臺(tái)區(qū)兩種類型空氣源熱泵啟動(dòng)特性的蒙特卡洛模擬結(jié)果可知，定頻空氣源熱泵雖價(jià)格較為低廉，但啟動(dòng)沖擊大，且對(duì)電網(wǎng)的影響更大；而變頻空氣源熱泵則啟動(dòng)平緩，在未來推廣中應(yīng)綜合考慮配電設(shè)施投資費(fèi)用與運(yùn)行安全，逐步增加變頻空氣源熱泵所占比例.

4 結(jié) 論

大量空氣源熱泵同時(shí)啟動(dòng)，會(huì)沖擊電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行.本文使用定性和定量的方法分析了定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動(dòng)特性.仿真結(jié)果表明，定頻空氣源熱泵在啟動(dòng)時(shí)有功功率與無功功率均出現(xiàn)了較大的沖擊電流；而變頻空氣源熱泵不僅能減少啟動(dòng)次數(shù)，且啟動(dòng)更加平滑.本文提出的評(píng)估方法能有效評(píng)估規(guī)模化空氣源熱泵啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，為分析規(guī)?；諝庠礋岜脤?duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來的影響提供了有效的分析手段.