空調(diào)負(fù)荷主動(dòng)參與電力系統(tǒng)有功調(diào)度與控制研究.pdf

1、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求是保持發(fā)電功率和負(fù)荷之間的實(shí)時(shí)平衡。傳統(tǒng)上，電力系統(tǒng)采用控制發(fā)電跟蹤負(fù)荷的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率平衡。只有當(dāng)調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力水平（或啟停狀態(tài)）難以滿足有功功率平衡控制要求或者控制代價(jià)較高時(shí)，才考慮切負(fù)荷措施。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源短缺與環(huán)境污染促使電源結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。大容量火電機(jī)組和核電機(jī)組所占比例提高，使發(fā)電側(cè)提供備用的成本顯著增加;風(fēng)能、太陽能等間歇式可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，其出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性使電

2、源的受控性能變差，同時(shí)使系統(tǒng)對(duì)備用的需求量增加?？傊?，傳統(tǒng)發(fā)電跟蹤負(fù)荷的控制方式將面臨巨大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)大量分散負(fù)荷實(shí)施控制的成本降低。主動(dòng)調(diào)整負(fù)荷的功率需求，使其與發(fā)電側(cè)協(xié)同，進(jìn)行多時(shí)間尺度的有功功率調(diào)度控制成為可能。
　　電力系統(tǒng)中存在大量具有能量存儲(chǔ)特性的負(fù)荷，如空調(diào)、冰箱、熱水器、熱泵和電動(dòng)汽車等，短時(shí)間投切或改變控制參數(shù)，不會(huì)對(duì)用戶用電產(chǎn)生明顯的負(fù)面作用，具有主動(dòng)參與系統(tǒng)

3、有功功率平衡控制的潛力。本文以具有熱存儲(chǔ)特性的空調(diào)負(fù)荷為研究對(duì)象，將其納入到電力系統(tǒng)有功功率調(diào)度與控制體系中，完成的工作和所取得的成果如下:
　　1)在空調(diào)負(fù)荷個(gè)體和群體數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率特性進(jìn)行調(diào)制。首先，從文獻(xiàn)中引入了空調(diào)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型:單個(gè)空調(diào)個(gè)體的物理模型分別采用一階和三階微分方程表示，后者更為精確?？照{(diào)負(fù)荷的群體數(shù)學(xué)模型包括基于蒙特卡洛的聚合模型和狀態(tài)空間模型兩種類型，前者可以模擬空調(diào)負(fù)荷群的運(yùn)行，

4、后者是對(duì)空調(diào)負(fù)荷群進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)。之后，在狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上，采用基于卡爾曼濾波的狀態(tài)估計(jì)方法，感知空調(diào)負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)，為負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)分析與控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。最后，在對(duì)負(fù)荷群多樣性破壞機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了兩種并從文獻(xiàn)引入一種計(jì)及多樣性保持的空調(diào)負(fù)荷群聚合功率特性調(diào)制策略，定量分析了通信延遲對(duì)調(diào)制策略性能的影響。仿真算例驗(yàn)證了空調(diào)負(fù)荷群聚合功率特性調(diào)制策略的有效性。
　　2)采用空調(diào)負(fù)荷參與一次調(diào)頻的控制機(jī)制，根

5、據(jù)頻率偏差調(diào)整單臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度，從而改變整個(gè)負(fù)荷群的功率需求，為系統(tǒng)提供一次調(diào)頻備用。在此基礎(chǔ)上，分別提出了兩種空調(diào)負(fù)荷群響應(yīng)系統(tǒng)頻率事件的控制策略。前者是一種空調(diào)負(fù)荷群分散式控制，在頻率的持續(xù)下降（或上升）階段，根據(jù)頻率偏差調(diào)整單臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度，改變整個(gè)空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率需求。在負(fù)荷控制的結(jié)束時(shí)刻，實(shí)施基于負(fù)荷群多樣性恢復(fù)的空調(diào)負(fù)荷群聚合功率特性調(diào)制策略，以保持空調(diào)負(fù)荷群多樣性，防止出現(xiàn)負(fù)荷群聚合功率振蕩。采用分時(shí)段空調(diào)設(shè)定溫度

6、恢復(fù)的控制策略，以避免負(fù)荷恢復(fù)高峰;后者是一種空調(diào)負(fù)荷群之間的協(xié)調(diào)控制，將所提基于多樣性保持的空調(diào)負(fù)荷群聚合功率特性調(diào)制策略分別設(shè)計(jì)為感知頻率變化的分散式控制策略和響應(yīng)調(diào)度信號(hào)的分布式控制策略。分散式控制存在寄生的“負(fù)荷高峰”，根據(jù)卡爾曼濾波法對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，作為目標(biāo)功率值，采用二分法計(jì)算實(shí)施分布式控制空調(diào)負(fù)荷群的設(shè)定溫度調(diào)整值和控制時(shí)間，使得實(shí)施兩類不同負(fù)荷控制空調(diào)負(fù)荷群的整體功率避免出現(xiàn)功率振蕩和恢復(fù)高峰。算例仿真表明兩種空調(diào)負(fù)荷群響

7、應(yīng)系統(tǒng)頻率事件的控制策略均能夠在負(fù)荷響應(yīng)的整個(gè)時(shí)間尺度上保持良好的響應(yīng)特性。
　　3)為了充分利用負(fù)荷側(cè)的備用資源，將空調(diào)負(fù)荷的受控響應(yīng)納入到有功功率/頻率控制體系中，在分析源-荷協(xié)同頻率控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全性約束的源-荷協(xié)同頻率控制。在一次調(diào)頻時(shí)間尺度上，空調(diào)負(fù)荷響應(yīng)頻率偏差信號(hào)進(jìn)行分散式控制，根據(jù)頻率測(cè)量信號(hào)調(diào)整單臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度，改變負(fù)荷群的功率需求，為系統(tǒng)提供一次調(diào)頻備用。在二次調(diào)頻時(shí)間尺度上，在模型預(yù)

8、測(cè)控制MPC的框架下實(shí)現(xiàn)源-荷協(xié)同頻率控制。在每一采樣時(shí)刻空調(diào)負(fù)荷響應(yīng)頻率信號(hào)的控制作用由ARMAX模型辨識(shí)得到，將其輸入到基于MPC的二次調(diào)頻控制器中進(jìn)行在線優(yōu)化，得到相關(guān)調(diào)頻機(jī)組的最優(yōu)二次頻率控制信號(hào)。在MPC滾動(dòng)優(yōu)化的過程中，空調(diào)負(fù)荷實(shí)施分散式控制的控制作用與電源二次調(diào)頻之間實(shí)現(xiàn)配合。另外，頻率控制在滿足發(fā)電和負(fù)荷功率總量平衡的基礎(chǔ)上，需要計(jì)及網(wǎng)絡(luò)約束。提出了判斷系統(tǒng)各支路薄弱程度的WBI指標(biāo)，確定系統(tǒng)的薄弱支路。根據(jù)靈敏度分析法

9、計(jì)算在控制中對(duì)薄弱支路安全運(yùn)行不利的負(fù)荷控制節(jié)點(diǎn)，下達(dá)控制指令將該類負(fù)荷節(jié)點(diǎn)閉鎖，避免其參與頻率控制。對(duì)新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)及網(wǎng)絡(luò)約束的源-荷協(xié)同頻率控制的有效性。
　　4)考慮到空調(diào)負(fù)荷群具有作為可調(diào)度資源納入到傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度控制體系中的潛能，在設(shè)計(jì)含空調(diào)負(fù)荷群電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了兩種含空調(diào)負(fù)荷群的優(yōu)化調(diào)度模型。首先在計(jì)及多樣性保持的空調(diào)負(fù)荷群聚合功率特性調(diào)制策略的基礎(chǔ)上，提出了負(fù)荷群

10、跟蹤有功控制指令的控制策略，依據(jù)隨機(jī)抽樣原則隨機(jī)抽取負(fù)荷群中接受控制的空調(diào)負(fù)荷，向其廣播控制信號(hào)，由空調(diào)自主響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)功率的跟蹤。在負(fù)荷群控制策略的基礎(chǔ)上，分別提出了負(fù)荷聚合層的優(yōu)化調(diào)度模型和計(jì)及空調(diào)負(fù)荷群的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。前者為負(fù)荷聚合層優(yōu)化調(diào)度所轄的空調(diào)負(fù)荷群跟蹤調(diào)度中心下達(dá)控制指令的優(yōu)化模型，為混合整數(shù)規(guī)劃問題，采用CPLEX軟件進(jìn)行求解;后者為追求電網(wǎng)運(yùn)行過程中經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)并使負(fù)荷群控制代價(jià)最小的雙目標(biāo)優(yōu)化問題，利用參考目

11、標(biāo)法，把最小化負(fù)荷群控制成本的目標(biāo)函數(shù)以約束的形式結(jié)合到模型中，把雙目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行優(yōu)化求解。通過空調(diào)負(fù)荷群和IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了所提空調(diào)負(fù)荷群跟蹤有功控制指令控制策略和兩種含空調(diào)負(fù)荷群優(yōu)化調(diào)度模型的有效性。
　　5)在采用的分布式控制策略中，負(fù)荷、負(fù)荷聚合層與調(diào)度中心之間進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)與控制指令的上傳下達(dá)，負(fù)荷聚合層承擔(dān)溝通負(fù)荷與調(diào)度中心的作用，將聚合得到的負(fù)荷群運(yùn)行狀態(tài)傳輸至調(diào)度中心，并解析由調(diào)