空调负荷参与电力系统需求响应的建模及控制策略研究

摘要

近年来中国装机容量快速增长，电力供应总体富余，但是随着大城市人口集聚效应的不断增强，城市核心区域的用电负荷却在持续攀升。随着大量新能源的接入，其反调峰特性使得峰谷差进一步拉大，局部供需矛盾更加深化，也给地区电网的稳定带来了风险。另一方面，夏季高峰时段空调负荷在全网中占比很高，调节潜力巨大，其具有一定的热存储能力，在小范围内改变运行状态不会影响用户的舒适度，属于重要的需求响应资源，而电改9号文中明确提出要积极开展电力需求侧管理、实施需求响应。
　　本文以此为契机，开展空调负荷参与电力系统需求响应的建模及控制策略研究，分析了空调负荷的机理和影响因素，建立了地区电网削减空调负荷的最优调度方案，基于此方案对于空调负荷分别进行了分钟级和秒级的建模，设计了闭环控制策略，并提出了针对大规模空调负荷的分层控制架构和分散式协同控制算法。基于本文所提出的建模方法和闭环控制策略，能够实现大规模空调资源的精准调控，使其既能够参与到电力系统调峰中，缓解电力供需矛盾、有效降低峰荷、减小峰谷差，又能够参与到电力系统调频中，减小频率偏差、提高系统频率稳定性。本文为空调等柔性负荷参与电力需求响应提供了一种新思路，主要工作包括:
　　(1)分析了空调负荷参与电力系统需求响应的建模方法及控制机理，研究空调负荷特性及其影响因素，选择合适的行业进行空调负荷控制，构建了空调各部件的能耗模型和等效热参数模型，在此基础上提出了空调集群的降负荷潜力模型，综合考虑热岛效应、温湿效应和累积效应等城市微气象与负荷之间的关系，结合三种效应研究计及城市微气象的室外温度修正方法，并作为影响空调负荷的重要指标，从室内温度、调控持续时间、预制冷时长等多角度建立计及微气象的空调资源降负荷潜力表。
　　(2)基于空调资源参与需求响应的机理及最大降负荷潜力，构建了地区电网调度空调资源进行直接负荷控制的模型，通过适当削减空调负荷来避免配电网重构和有序用电、降低电网新建及改造线路设备的投资、解决负荷高峰期运行方式调整裕度小的问题题，缓解电网调度的压力。针对配电网的特点，采用前推回代法进行潮流计算，提出了空调负荷参与地区电网调度消除线路重载超载等问题的数学模型，采用改进的禁忌搜索算法得到聚合空调削减负荷分配的最优方案，并考虑了微气象对于该方案的影响。
　　（3）在最优削减负荷分配方案的基础上，针对夏季负荷高峰期峰谷差拉大的问题，提出了空调负荷参与电力系统调峰的分钟级闭环动态响应模型，根据空调的热力学模型，研究温度设定点的阶跃信号所引起的多台空调聚合功率的响应，分析了室内温度和空调负荷的欠阻尼振荡过程，由此推导出聚合空调参与调峰的二阶传递函数模型，并考虑微气象修正温度研究成果对于该传递函数模型参数的影响，设计闭环控制策略动态调节聚合空调的温度设定值，在不影响人体舒适度的情况下精准地进行负荷控制。
　　(4)为进一步挖掘空调负荷参与需求响应的潜力，针对电力系统的频率稳定问题，提出了变风量空调参与调频的秒级闭环动态响应模型，采用正弦扫频试验方法进行变风量空调的全频带扫频，并对所获得的数据进行频谱分析，运用最小二乘拟合算法辨识出控制模型的传递函数参数，并提出了闭环反馈的连续动态响应控制结构，突破了传统的控制设备开断的方法参与调频的局限性，通过持续调节风机转速使得单体空调负荷跟踪电网ACE信号，在此基础上提出了中央空调集群直接参与电力系统调频的控制模型和控制策略，并采用遗传算法对于空调能耗恢复速度与二次调频系数进行优化。
　　(5)在以上中小规模聚合空调资源参与需求响应的研究基础上，针对集中控制大规模空调负荷的通信挤占、控制中心计算量大、鲁棒性差等问题，提出了分层控制架构，设计每层的功能、各层之间信息交互及协同控制的机制，利用图论建立了多智能体及其相关的通信网络的拓扑结构模型，分析了电网公司需求侧成本为关于用户削负荷量的二次函数，提出了基于削负荷增量成本的多智能体主从一致性分散协调算法，支撑各智能体结合本地和全局信息进行全面的协同决策，将调峰、调频的负荷调度指令进行最优分解后，下发到分钟级、秒级的空调负荷控制模型，形成自上而下的闭环，以实现对于数量众多、位置分散的空调负荷资源的有效控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 需求响应概述

1．2．2 城市微气象对于空调负荷的影响

1．2．3 空调负荷提供电力系统辅助服务

1．2．4 空调负荷的控制手段、建模方法与控制策略

1．3 本文的主要研究工作

第二章 计及城市微气象的空调负荷参与需求响应的机理分析

2．1 引言

2．2 城市空调负荷特性分析

2．3 空调的基本结构、能耗模型及等效热参数模型

2．4 空调集群的降负荷潜力数学模型

2．5 计及城市微气象的室外温度修正

2．5．1 热岛效应对气温的修正模型

2．5．2 温湿效应对气温的修正模型

2．5．3 累积效应对气温的修正模型

2．5．4 综合考虑三种效应的城市微气象修正室外温度

2．6 城市微气象对聚合空调降负荷潜力的影响

2．6．1 与理想情况的对比

2．6．2 从多角度看微气象对于空调降负荷潜力的影响

2．6．3 计及局部微气象的空调资源降负荷潜力表

2．7 本章小结

第三章 空调负荷需求响应参与城市核心区电网调度模型

3．1 引言

3．2 基于前推回代法的配电网潮流计算

3．3 空调负荷参与地区电网调度的数学模型

3．3．1 目标函数

3．3．2 约束条件

3．3．3 计及微气象影响的模型

3．4 基于改进禁忌搜索算法的模型求解方法

3．5 算例分析

3．6 本章小结

第四章 空调负荷参与电力系统调峰的分钟级闭环动态响应模型

4．1 引言

4．2 ETP模型的局限性

4．3 聚合空调群的温度设定点-降负荷效果传递函数模型

4．3．1 空调参数对于输出特性的影响

4．3．2 分钟级二阶线性传递函数模型

4．3．3 稳定性分析

4．3．4 ETP模型与传递函数模型的对比

4．4 空调负荷参与系统调峰的分钟级闭环反馈控制策略

4．4．1 室外温度恒定或缓慢变化的控制策略

4．4．2 城市微气象修正后室外温度快速变化的控制策略

4．5 算例分析

4．5．1 场景1：室外温度不变

4．5．2 场景2：缓慢变化的实时室外温度

4．5．3 场景3：计及城市微气象影响后修正温度快速变化

4．6 本章小结

第五章 空调负荷参与电力系统调频的秒级闭环动态响应模型

5．1 引言

5．2 商业楼宇变风量空调的建模

5．2．1 典型变风量HVAC系统

5．2．2 送风量热动力学能耗模型

5．2．3 控制系统线性化建模

5．3 变风量空调的控制回路及秒级闭环反馈控制策略

5．4 单体空调的秒级传递函数模型跟踪ACE信号

5．4．1 正弦扫频信号的频率响应分析

5．4．2 传递函数的参数辨识

5．4．3 算例分析

5．5 空调集群的秒级传递函数模型直接参与一次调频

5．5．1 直接参与调频的控制原理、控制策略与控制流程

5．5．2 参数的优化

5．5．3 算例分析

5．6 本章小结

第六章 大规模空调负荷的分层控制架构及分散式协同控制

6．1 引言

6．2 大规模空调负荷需求响应的分层控制架构

6．3 多智能体的拓扑描述和一致性算法

6．3．1 图论机理

6．3．2 基本一致性算法

6．3．3 收敛性分析

6．4 基于空调负荷响应增量成本的主从一致性建模

6．4．1 电网公司需求侧负荷削减成本

6．4．2 负荷多智能体的主从一致性算法

6．5 算例分析

6．5．1 不同的负荷条件和通讯拓扑结构

6．5．2 收敛速度的影响因素

6．5．3 大规模空调负荷分层分散协同控制整体仿真

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参与科研情况