LED照明负荷参与电力系统一次调频与备用优化配置研究

摘要

日益严峻的能源和环境问题，促使了可再生清洁能源发电技术的迅速发展，使得可再生能源发电在电力系统中的发电比例不断增大。但是，可再生能源发电输出功率固有的波动性、随机性、低惯量和间歇性的特征给电力系统的有功功率平衡控制带来了巨大挑战。为保证系统供电的可靠性，系统需预留充足的备用容量。若该备用容量全部由在线的发电机组来提供，将会显著影响电力系统的运行经济性。随着智能电网技术的发展，智能电网的推进与发展会促使先进的量测与传感技术的发展，使得电量和非电量的精细化采集成为可能。与此同时，随着电力市场改革的推进、灵活互动的电力市场逐步建立、以及针对柔性可控负荷的补偿激励机制逐步健全，使得可控负荷有能力用来参与电力系统运行与控制。而且，电力用户已逐步了解需求响应带来的社会效益，对控制其用电设备表示理解。可控负荷参与电力系统运行与控制得到了学者们广泛的研究。
　　随着半导体技术的广泛应用，LED因其高发光效率、长寿命、无污染、灵活可控性等优点，被称为第四代照明光源。而与传统照明光源的控制技术不同，LED照明灯具可以通过脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)实现精确而又快速的调光控制，有十分优越的可控性。LED照明负荷作为可控负荷的一种，合理的控制LED照明灯具的工作状态，可以灵活调整其用电功率，具有参与电力系统运行与控制的潜力。
　　在上述的研究背景下，本文以可控LED照明负荷为研究对象，从LED照明灯具的控制特性出发，设计了LED照明负荷的调光控制策略、主动参与电力系统一次调频的响应控制策略、并提出了考虑LED照明负荷的源-荷协同备用优化配置模型。本文的主要工作和所取得的成果如下:
　　(1)提出了一种基于照明功率密度(Lighting Power Density,LPD)的LED照明负荷模型，并采用利用系数法得到LED照明负荷平均照度。平均照度计算模型用来计算工作面上平均照度水平，以实现对LED照明负荷的调光控制。当使用LED照明负荷参与电力系统一次调频和备用优化配置时，采用蒙特卡洛模拟方法对分散的分布在电力系统中且工作状态随机的LED照明负荷进行聚合，并利用多元线性回归模型来评估LED照明负荷的得到可控容量、调整的平均照度和自然光照的关系。得到的LED照明负荷可控容量评估模型后续对LED照明负荷进行研究的基础。
　　(2)根据建立LED照明负荷模型和LED照明负荷的控制特性，设计了对房间内LED照明负荷的模糊调光控制策略。基于LED照明负荷可灵活控制的特性，设计了计及用户照明舒适度的调光控制模型，目标函数为以用最小照明功率在满足用户照明舒适度的要求，并采用主要目标函数法来求解建立的调光控制模型。然后，建立了考虑自然光照和人工照明两种照明光源下的模糊舒适度评判模型。在评判模型中，自然光照对用户的照明舒适度权重更高。在DIALux照明仿真软件中，验证了建立的调光控制模型在满足用户照明舒适度下的照度分布与节能效果，最后，基于DALI(Digital Addressable Lighting Interface，DALI)协议，搭建了LED照明负荷的调光控制硬件平台。
　　(3)利用LED照明负荷响应控制指令快的特性，设计了LED照明负荷主动参与电力系统一次调频的响应控制机制，将LED照明负荷纳入到电力系统有功功率/频率平衡控制体系中。首先，建立了考虑LED照明负荷的频率响应模型。然后，设计了三种用户不同照明舒适度的LED照明负荷响应控制模式:舒适度模式、不控模式和频率响应模式。并根据LED照明负荷的控制特性，设计了下垂控制策略来线性调整LED照明负荷的照度防止在不同模式切换时功率的阶跃变化。当电力系统出现频率偏移时，LED照明负荷根据系统的频率偏差大小和偏差持续时间来线性的调整房间内的设定照度值，从而改变其功率需求。在此响应机制下，利用负荷的分散式控制模式充分发挥LED照明负荷快速响应的优点。最后，在单机带集中负荷系统模型中验证了LED照明负荷在应对不同的频率事件下对系统频率的支撑作用。同时，在LED照明负荷响应频率偏差过程中，如果系统频率的波动频率较高，可能会引起房间内的LED照明负荷的照度闪变，本文使用了改进的IEC闪变仪分解模型对由调光控制引起的光闪变效应进行评估。
　　(4)在动态经济调度的框架下，对LED照明负荷参与电力系统事故备用优化配置进行研究。首先，设计了LED照明负荷的补偿机制和对LED照明负荷的优化调度构架。在设计的可控负荷补偿机制中，基于消费者心理学，用户的响应行为与负荷的单位补偿价格相关。设计的LED照明负荷的调度架构分三层:电力系统调度层、负荷聚合层和负荷终端层。然后，在备用配置的确定性模型的基础上，提出了考虑LED照明负荷的源-荷协同备用优化配置模型，在提出的模型中，计及网络安全约束、LED照明负荷的可控容量与调用的补偿成本后，以调度时段系统的总运行成本最小为目标函数。最后，对IEEE30节点系统进行仿真分析，在利用本文建立的优化配置模型和设计的可控负荷补偿机制下，对发电机组预留的备用和各负荷节点处的LED照明负荷进行配置。

目录

声明

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 可控负荷参与电力系统—次调频研究现状

1．2．1 可控负荷响应控制模式

1．2．2 可控负荷建模和响应控制策略

1．3 可控负荷参与电力系统备用优化配置研究现状

1．3．2 备用优化配置方法

1．4 本文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 LED电气模型

2．3 基于照明功率密度的LED照明负荷容量评估

2．4 LED照明负荷聚合模型

2．4．1 蒙特卡洛模拟方法

2．4．2 LED照明负荷聚合流程

2．4．3 不同场景下LED照明负荷可控容量

2．5 LED照明负荷可控容量评估

2．6 本章小结

第3章 计及用户照明舒适度的LED照明负荷调光控制策略

3．1 引言

3．2 计及用户照明舒适度的调光模型

3．2．1 目标函数

3．2．2 约束条件

3．3 模型求解

3．4 基于模糊控制理论的照明舒适度评判模型

3．4．1 确定因素集和评判集

3．4．2 确定因素集权重向量

3．4．3 建立隶属度矩阵

3．4．5 照度跟踪控制

3．5 仿真分析与调光控制平台设计

3．5．1 测试房间参数

3．5．2 仿真结果及分析

3．5．3 基于DALI协议调光控制平台

3．6 本章小结

第4章 LED照明负荷参与电力系统一次调频控制策略

4．1 引言

4．2 电力系统频率特性

4．2．1 电力系统有功功率频率静态特性

4．2．2 电力系统有功功率频率动态特性

4．3 考虑LED照明负荷的电力系统频率响应模型

4．4 LED照明负荷响应控制模式

4．4．1 舒适度模式

4．4．2 不控模式

4．4．3 频率响应模式

4．4．4 光闪变效应评估

4．5 LED照明负荷群分散响应控制策略

4．5．1 频率的分散式响应

4．6．1 算例系统

4．6．2 仿真结果

4．7 本章小结

第5章 LED照明负荷参与系统备用优化配置研究

5．1 引言

5．2 可控负荷补偿方式与调度构架

5．2．1 备用的分类

5．2．2 考虑用户行为的负荷补偿方式

5．2．3 可控负荷的调度架构

5．3 考虑LED照明负荷的备用优化配置

5．3．1 目标函数

5．3．2 约束条件

5．3．3 求解方法

5．4 算例分析

5．4．1 算例系统

5．4．2 仿真结果

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表与录用的学术论文

攻读博士学位期间参与的课题研究与项目研发