计及用户舒适度的空调负荷参与电力系统频率控制研究

摘要

传统上，电力系统利用发电侧备用资源进行频率的调整，频率的一次调整以及二次调整能够在各个时间尺度上满足电力系统对频率质量的要求。但是随着发电侧结构的变化，特别是核电以及间歇性能源发电比例的提高，发电侧提供备用的能力有所下降。同时，大容量火电机组发电的经济成本以及环境成本日益增长，仅仅依靠发电侧资源进行频率调整已经不足够，发掘负荷侧资源的备用潜力已经日益受到关注。
　　空调负荷作为一种典型的恒温控制负荷与家居负荷，在夏季用电高峰期所占的负荷比例逐年上升，具有提供负荷备用的潜力。同时，由于其内在的热储性能，能够在短时间内调整工作状态而不影响用户的效用，降低自身的功率需求，进而达到调整频率的目的。对于空调负荷，用户的效用主要是热舒适度。论文基于温度与湿度两个影响因素，提出用户热舒适度双层模糊评价模型，在此基础上论文提出空调负荷个体自主响应系统频率信号的控制策略，根据用户的舒适度等级与电力系统频率偏差进行自身设定温度调整。论文设计实验对所提出的用户热舒适度模型以及空调控制策略的有效性进行了验证。
　　尽管个体空调功率需求的降低对于整个电网的功率不平衡状态的影响微乎其微，但是当研究区域内的大量空调负荷进行工作状态的调整，降低负荷集群的聚合功率，将会改善发电功率与负荷功率之间的不平衡，达到抑制电网频率降低的目标。论文在已有空调三阶物理模型的基础上，采用蒙特卡洛模拟方法，对模型参数进行抽样，将研究区域内的空调负荷进行聚合，并将其聚合特性映射到相应的负荷节点上，提出包含空调负荷的，结构保持电网动态模型。由于空调负荷群的聚合功率处于动态变化中，节点电压与注入电流为非线性关系，因此，不能将空调负荷群的聚合特性表达为静态ZIP模型，也无法采用针对感应电动机的动态模型。为了适应空调的聚合特性，论文设计了内层—外双层迭代算法研究电网动态过程，采用内层迭代解决网络方程，外层迭代解决微分—代数方程组，分析空调负荷控制策略对系统频率的影响。
　　在空调负荷控制实现的过程中，由于大量空调负荷的状态信息与数据需要传输与处理，因此对信息的传输能力是考验。论文在计及信息通信技术限制的前提下，提出了空调负荷控制的信息—物理系统(Cyber Physical System，CPS)交互仿真控制策略实现机制。利用OpenDSS作为电力系统的仿真平台，NS-2作为信息通信系统的仿真平台，MATLAB作为控制平台实现两个软件之间的数据沟通与时间同步。论文利用IEEE13节点配电网模型，通过在CPS仿真平台上进行算例仿真，针对通信技术对负荷控制实现的影响与限制进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 负荷控制实现机制研究

1．3 空调负荷参与系统频率控制研究

1．3．1 空调负荷热空间模型

1．3．2 空调负荷参与频率控制模式

1．3．3 电网动态模型

1．3．4 信息—物理系统

1．4 负荷控制研究存在的问题

1．5 本文主要研究工作和成果

第二章 计及用户舒适度的空调负荷分散式频率控制策略

2．1 引言

2．2 用户热舒适度模糊评价模型

2．2．1 人体热舒适度的基本概念

2．2．2 建立因素集

2．2．3 建立评价集

2．2．4 建立权重集

2．2．5 建立评判空间

2．3 空调负荷的热过程模型

2．3．1 空调负荷的工作特性

2．3．2 空调负荷的三阶热过程模型

2．4 空调负荷分散式频率控制策略

2．4．1 空调负荷频率响应范围

2．4．2 空调负荷分散式频率控制策略

2．5 算例验证

2．5．1 空调负荷工作特性

2．5．2 空调负荷频率控制分析

2．6 小结

第三章 基于结构保持模型的空调负荷群参与系统频率控制建模与求解

3．1 引言

3．2 发电机组与负荷的数学模型

3．2．1 发电机动态模型

3．2．2 常规负荷的数学模型

3．2．3 基于蒙特卡洛模拟法的空调负荷聚合模型

3．3 电力网络的结构保持模型

3．3．1 各动态元件与网络的连接

3．3．2 空调负荷集群接入负荷节点

3．4 频率动态过程的求解

3．4．1 初值求解

3．4．2 网络方程的数值求解

3．4．3 微分方程组的求解

3．5 算例验证

3．6 小结

第四章 空调负荷控制的信息—物理系统仿真

4．1 引言

4．2 信息—物理耦合电力系统

4．3 信息—物理耦合电力系统仿真模型

4．3．1 物理电力系统仿真模型

4．3．2 信息通信系统仿真模型

4．3．3 时间同步机制

4．4 空调负荷控制的信息—物理过程交互仿真

4．4．1 物理电力系统仿真

4．4．2 信息通信系统仿真

4．4．3 信息—物理过程交互仿真

4．5 算例分析

4．6 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果