电热水器参与电网频率稳定与控制方法及其频率控制器

摘要

本发明涉及一种使电热水器参与到电网频率稳定与控制过程的控制方法和电热水器频率控制器，包括如下步骤：第一步，采集当前t时刻电网频率f(t)以及电热水器出水温度T(t)；第二步：将电热水器额定出水温度修正量ΔT设计成随电网频率变化的线性函数；第三步：根据第一步、第二步所得数据计算修正后的额定出水温度；第四步：根据第三步计算所得结果决定电热水器下一时刻的工作状态；第五步：t＝t+1时刻，返回第一步，开始下一循环。包括以下几个模块：遥控器模块，用于设定调频系数和额定出水温度；频率传感器模块，用于实时测量电网频率；温度传感器模块；温控电路模块，用于判断电热水器下一时刻工作状态。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统频率稳定与控制以及家用电器控制技术相关领域，具体讲，涉及一 种电热水器参与电力系统频率稳定与控制方法和电热水器频率控制器。

背景技术

电力系统频率反映电力系统发电侧和用电侧的有功功率平衡关系，有功功率不平衡会 导致频率偏差的出现，大的频率偏差对于电力设备的安全、有效运行，以及整个电力系统的 安全、可靠、经济运行都是不利的，因此需要对频率进行稳定与控制，将频率偏差控制在允 许范围之内。传统的主要频率稳定与控制措施是通过增加/减少机组出力实现发电侧与用电 侧功率平衡，从而实现将频率偏差控制在允许范围之内的。这种调频方式虽然总体上能够满 足电力系统的调频要求，但存在机组响应速度慢、爬坡时间长、频繁动作易磨损、调频成本 高和污染重等不足之处。另外，随着风力、太阳能等新能源发电机组在电力系统中装机比例 的增加，其对电网的间歇性冲击使得电力系统频率调节面临着更大的挑战。

与传统的基于发电侧的频率调节方式不同，基于负荷侧的频率调节主要考虑通过调节 负荷侧容量实现功率平衡，进而实现频率稳定与控制。负荷侧的家用电器负荷分布广，数量 多，尽管单台电器的功率不大，但其总容量大，能够满足电力系统对调频备用容量的要求。 而电热水器作为能够储存热能的纯电阻性家用电器负荷，具有易于控制、开通/关断一小段 时间不会影响用户舒适度等特点。因此，本发明专利从电热水器着手，设计其参与电力系统 频率稳定与控制方法和频率控制器。

发明内容

本发明旨在克服现有调频方式和技术的不足，开发出一种电热水器参与电力系统频率 稳定与控制方法和电热水器负荷频率控制器，使电热水器参与到电力系统频率调节过程中， 有效减小调频备用发电机组的容量需求，节省调频成本。另外，在有大量风电机组、太阳能 发电机组等新能源机组的系统中，能够平抑间歇性机组出力，提高电力系统运行稳定性。为 达到上述目的，本发明采用的技术方案是设计一种使电热水器参与到电力系统频率稳定与控 制过程中的控制方法，主要包括：

第一步：用户基于电网需求、用户舒适度需求的不同以及电热水器磨损程度等方面的 考量用遥控器自主设定调频系数k_f和温控开关触发温度额定点T^normal的取值，设计温控开 关触发温度调整电路，计算额定高、低温触发温度，如式(1)所示：

式中，T^normal是由用户在考虑自身舒适度需求的前提下自行设定的额定出水温度；表示电热水器温控开关额定高、低温触发温度值，同样，考虑到用户舒适度的需求， 本发明专利中设定温控开关额定高、低温触发温度值与用户期望的出水温度相差2度。

第二步：频率传感器实时采集电网频率信号f(t)，温度传感器采样电热水器出水口附近 的水温T(t)。

第三步：电热水器温控开关根据第二步采集到的电网频率信号，结合第一步中用户自 行设定的调频系数k_f计算温控开关触发温度修正量及修正后温控开关触发温度的值：

ΔT＝k_f×(f-f₀)   (2)

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}=T_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\\ T_{\mathrm{low}}=T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(2)中，k_f的单位为℃/Hz，表示频率每变化单位赫兹时电热水器中热水温度变化 的摄氏度数，f表示频率传感器采集到的电力系统频率信号，f₀表示电力系统频率额定值， 本发明主要用于中国大陆地区的家用电热水器上，频率额定值设为50Hz。

式(3)中，T_high、T_low表示修正后电热水器温控开关触发温度值，表 示修正前电热水器温控开关触发温度值。

第四步：根据第三步计算结果确定电热水器温控开关下一步动作：

若当前时刻电热水器内水温T(t)高于此时刻温控开关高温触发设定点T_high(t)，温控开 关关断，电加热管停止加热；若当前时刻电热水器内水温T(t)低于此刻温控开关低温触发 设定点T_low(t)，温控开关开通，电加热管开始加热；否则，温控开关工作状态不变，电加 热管状态不变。

第五步：t＝t+1时刻，返回第一步，开始下一循环。

一种能够根据系统频率信息控制家用电热水器负荷的频率控制器，主要包括：

遥控器：用于用户自行设定自家电热水器的调频系数k_f和电热水器额定出水温度T^normal。 k_f的单位为℃/Hz，表示频率每变化单位赫兹时电热水器中热水温度变化的摄氏度数。设 计硬件电路使得额定高温触发点额定低温触发点与之间满足各相差 2度，如式(4)：

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}+2\\ T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}-2\end{array}\right)---\left(4\right)$

频率传感器：用于实时采集电网频率信号，并将其传给温控电路；

温度传感器：用于实时采集电热水器出水口水温T(t)并传给温控电路；

温控电路根据采集到的电网频率信号，结合用户自行设定的调频系数k_f和电热水器额 定出水温度T^normal，计算出水温度设定点修正量ΔT以及修正后的高温、低温触发点，计算 公式见式(5)、(6)：

ΔT＝k_f×(f-f₀)   (5)

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}=T_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\\ T_{\mathrm{low}}=T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)---\left(6\right)$

式(5)中，k_f的单位为℃/Hz，表示频率每变化单位赫兹时电热水器中热水温度变 化的摄氏度数，f表示频率传感器采集到的电力系统频率信号，f₀表示电力系统频率额定值， 本发明主要用于中国大陆地区的家用电热水器上，频率额定值设为50Hz。

式(6)中，T_high、T_low表示修正后电热水器温控开关触发温度值，表 示修正前电热水器温控开关触发温度值。

若当前时刻电热水器内水温T(t)高于此时刻高温触发设定点T_high(t)，容积式/速热式电 热水器温控开关关断，电加热管停止加热。若当前时刻电热水器内水温T(t)低于此刻低温 触发设定点T_low(t)，容积式/速热式电热水器温控开关开通，电加热管开始加热；否则，电 热水器工作状态不变。

本发明的技术特点及效果：与传统电力系统基于发电侧“供随需动”的频率稳定与控 制措施不同，基于本发明的负荷侧调频方式跟随“需随供动”的思想，通过引入用户自行设 定的调频系数，在保证用户舒适度的基础上，使电力系统负荷侧的电热水器参与到电力系统 频率稳定与控制过程中，既能提高需求侧在电力系统运行中的主动参与性，又能节省发电侧 调频备用容量，提高发电机组运行效率，减少调频过程中产生的环境污染。

附图说明

图1电热水器水温设定值随电网频率动态变化图；

图2电热水器参与电网频率稳定与控制聚合效应图；

图3电热水器频率控制器结构图；

图4容积式/速热式电热水器频率控制器工作流程图。

具体实施方式

以功率消耗稳定、参与性强的电热水器为例，本发明旨在开发出一种电热水器参与电 力系统频率稳定与控制方法和频率控制器，通过用户自行设定的调频系数对电热水器电加热 管/调温阀的工作状态(通电/断电)进行控制，从而参与系统的频率调节。该控制器无需通 信系统的支持，有效减小了系统频率控制需求对备用发电机组以及储能装置的容量需求，节 省相应投资。同时，在支持系统频率调节的同时，充分考虑了终端用户的用能舒适度，避免 了传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题。

1电热水器频率控制模型

可用作电力系统频率稳定与控制备用的电热水器模型可由表示其热力学特性的一阶常 系数微分方程(4)表示：

$\left(\begin{array}{c}C\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+G\times (T\left(t\right)-T_{\mathrm{out}})+{\mathrm{HW}}_D\left(t\right)(T\left(t\right)-T_{\mathrm{in}})=w\left(t\right)\times P\\ C=\rho c_{p}V,H=\rho c_p,G=A/R\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，T(t)表示电热水器储水箱中的实时水温(℃)；T_in表示进水温度(℃)；T_out表示储 水箱外部空气温度(℃)；W_D(t)表示用户用水量(m³/s)；ρ表示水密度(kg/m³)；c_p表 示水的比热容(J/℃kg)；A表示电热水器储水箱面积(m²)；R表示水箱热电阻；P表示单 台电热水器额定功率；w(t)表示t时刻的负荷工作状态(0表示电加热管关断，1表示电加 热管开通)，任意时刻w(t)的取值可由式(2)表示：

$w\left(t_{n+1}\right)=\left(\begin{array}{c}0,T>T_{\mathrm{high}}\\ 1,T<T_{\mathrm{low}}\\ w\left(t_n\right),T_{\mathrm{low}}<T<T_{\mathrm{high}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中T_high、T_low表示热水器的温度设定点，且被设计成随频率值变化而动态变化，其动态变 化图见附图1，对应的变化公式为：

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}=T_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\\ T_{\mathrm{low}}=T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，表示额定温度设定点，其与用户自行设定的电热水器额定水温 T^normal之间存在以下的数学关系：

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}+2\\ T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}-2\end{array}\right)---\left(4\right)$

ΔT表示电热水器温控开关触发温度变化值，其与电网频率变化之间满足以下数学关系：

ΔT＝k_f×(f-f₀)   (5) 式中，f₀表示系统额定频率，即50Hz；f表示系统实际频率；k_f表示用户自行设定的调频 系数。

电热水器的工作原理为通过温控电路调整温度设定点，进而控制电加热管的通电/断电 或是调温阀的动作，以此保持电热水器出水口水温在允许的范围[T_low，T_high](T_low为电热 水器出水口水温下限，T_high为出水口水温上限)内变化。电热水器电加热管/调温阀的运行 状态的切换受电热水器内实时水温T控制。当水温T下降至T_low时，电加热管通电加热，升高 水温，电热水器功率消耗为P，假定这种运行状态为“on”。当T升至T_high时，电加热管断电， 容积式电热水器储水箱与外界环境进行热传递，T下降，电热水器功率消耗为零，假定这种 运行状态为“off”。

2电热水器频率控制聚合模型

将电网中参与频率调节的电热水器总体称为电热水器聚合体，当其达到稳定运行状态， 即电热水器出水温度在内均匀分布时，运行状态为“on”的电热水器比重维 持动态平衡，电热水器聚合体有相对稳定的功率消耗。当电力系统频率偏离额定值时，参与 频率控制的电热水器聚合体功率消耗如式(6)所示：

$P^{\prime }=\left(\begin{array}{c}0,\mathrm{\Delta T}\le (T_{\mathrm{low}}-T_{\mathrm{high}})\\ P\times N\times \mathrm{on}\%+\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_{\mathrm{high}}-T_{\mathrm{low}}}\times P\times N\times \mathrm{on}\%,(T_{\mathrm{low}}-T_{\mathrm{high}})<\mathrm{\Delta T}<0\\ P\times N\times \mathrm{on}\%+\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_{\mathrm{high}}-T_{\mathrm{low}}}\times P\times N\times \mathrm{off}\%,0\le \mathrm{\Delta T}<(T_{\mathrm{high}}-T_{\mathrm{low}})\\ P\times N,\mathrm{\Delta T}\ge (T_{\mathrm{high}}-T_{\mathrm{low}})\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，P'表示电热水器聚合体参与电力系统频率控制功率；N表示参与频率稳定与控制的电 热水器数量；P电热水器额定功率；on％(off％)表示稳定运行状态为“on”(“off”)的电热水器比 例。

图2描述了某个电热水器聚合体在电网频率变化时内部各电热水器各自运行状态的变 化。图2左边的示意图表明电网频率为额定值50Hz时电热水器聚合体有10台处于“on”状态， 当电网频率偏离额定值50Hz时，以电网频率降到50Hz以下为例，由式(3)、(4)、(5) 可知电热水器温控开关触发温度降低，由图2右图也可以看出此时处于“on”状态的电热水器 由10台变成了7台。该示意图形象地表明了电热水器工作状态与电力系统频率之间的关系。 电力系统频率变化影响电热水器温控开关触发温度点变化，进而影响电热水器工作状态变化， 最终影响某一区域内参与频率稳定与控制的电热水器功率的变化。

3、电热水器频率控制器硬件结构及其工作流程

电热水器按其工作方式不同，可分为容积式、即热式、速热式。容积式又称为储水式 或储热式，是传统型电热水器，也是现有电热水器的主要形式；即热式不具有储水功能，冷 水从进水口进入，经过大功率电加热丝，就会在短时间内升温变成热水从出水口流出；速热 式又称为半储水式，储水量小，功率大，提高了传统容积式电热水器的热能利用效率。目前 国内市场上的电热水器主要为容积式、速热式两种。二者都具有自动恒温保温功能，能在不 影响用户舒适度的前提下关断一小段时间，且出水温度的调节都由温控开关控制，因此本发 明专利主要考虑这两种电热水器参与电力系统频率稳定与控制过程。

本发明专利提出的电热水器频率控制器硬件结构图如图3所示。电热水器频率控制器 包括遥控器、温控电路、频率传感器、温度传感器等模块。与普通电热水器控制器相比，本 发明专利首先在遥控器功能部分增加了用户自行设定调频系数k_f的功能，k_f的单位为 ℃/Hz，表示频率每变化单位赫兹时电热水器中热水温度变化的摄氏度数，值越大，电热 水器对于频率偏差的反映越敏感；其次，增加了频率传感器模块，用以实时测量电网频率； 另外，温控电路不再是仅依靠温度信息来决定电加热管工作状态，而是综合考虑电网频率与 电热水器出水温度，根据本发明提出的频率控制方法，控制电热水器工作状态，达到既能保 证电热水器出水温度与用户所设额定出水温度偏差在允许范围而之内，又能够参与电力系统 频率稳定与控制。

电热水器频率控制器工作流程见图4，具体包括以下步骤：

第一步：用户基于电网需求、用户舒适度需求的不同以及电热水器磨损程度等方面的 考量用遥控器自主设定调频系数k_f和温控开关触发温度额定点T^normal的取值，设计温控开 关触发温度调整电路，计算额定高、低温触发温度，如式(8)所示：

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}+2\\ T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}=T^{\mathrm{normal}}-2\end{array}\right)---\left(8\right)$

第二步：频率传感器实时采集电网频率信号f(t)，温度传感器采样电热水器出水口附近 的水温T(t)。

第三步：电热水器温控开关根据第二步采集到的电网频率信号，结合第一步中用户自 行设定的调频系数k_f计算温控开关触发温度修正量及修正后温控开关触发温度的值：

ΔT＝k_f×(f-f₀)   (9)

$\left(\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{high}}=T_{\mathrm{high}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\\ T_{\mathrm{low}}=T_{\mathrm{low}}^{\mathrm{normal}}+\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)---\left(10\right)$

式中，T_high、T_low表示修正后电热水器温控开关触发温度值；表示修正前 电热水器温控开关触发温度值。

第四步：根据第三步计算结果确定电热水器温控开关下一步动作：

若当前时刻电热水器内水温T(t)高于此时刻温控开关高温触发设定点T_high(t)，温控开 关关断，电加热管停止加热；若当前时刻电热水器内水温T(t)低于此刻温控开关低温触发 设定点T_low(t)，温控开关开通，电加热管开始加热；否则，温控开关工作状态不变，电加 热管状态不变。

第五步：t＝t+1时刻，返回第一步，开始下一循环。