CN103178533A - 温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率控制技术以及智能电网中的需求侧响应技术相关领域，为有效减小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，同时避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题，本发明采取的技术方案是，一种温控负荷的变参与度频率控制方法，包括如下步骤：第一步：采集当前电网频率f_meas(劝以及冷藏设备冷藏室温度T_c(n)；第二步：将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数；第三步：根据第一步、第二步数据进行计算：第四步：根据第三步计算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作；第五步：n＝n+1，返回第一步，开始下一循环。本发明主要应用于冷藏设备制造。

Description

温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器

技术领域

本发明属于频率控制技术以及智能电网中的需求侧响应技术相关领域，具体讲，涉及温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器。

背景技术

电力系统需要时刻保持电能在时间和空间上的供需平衡来维持系统的频率稳定。当功率出现大的不平衡时，系统频率将会发生较大偏差，破坏电力系统安全稳定运行。根据系统频率波动的大小及实时运行情况，通常采取调节发电机有功出力，甚至切机、切负荷等措施来维持系统的频率稳定。然而，随着电网中间歇性可再生能源(风电场、大型光伏电站)的并网比例不断提高，系统频率稳定性问题日渐凸显。

另一方面，近年来不断兴起的微电网中间歇性可再生能源(风能、太阳能、海洋能)所占比例较大，孤岛运行时抵御外界环境扰动的能力较弱，难以维持微电网频率的稳定性^[1-2]。为此，微电网中通常配备一定容量的储能单元(蓄电池、飞轮、超级电容器等)和传统微型发电单元(柴油发电机、微型燃气轮机)来提供系统频率调节^[3]。文献[4]利用蓄电池为独立光伏发电系统提供频率支撑；文献[5]则利用柴油发电机和蓄电池混合系统为孤立微电网提供频率支撑；文献[6]提出首先采用响应速度较快的储能装置进行一次频率调节，随后利用动态特性较慢的微电源(微型燃气轮机、柴油发电机和燃料电池)进行二次调控以恢复储能容量的频率协调控制策略。然而柴油发电机无法摆脱对化石能源的依赖，存在利用效率低、成本高以及污染重等问题；蓄电池则受容量、成本以及自身性能(如频繁充放电导致其寿命缩短)等多方面限制。因此，频率控制仍是当前孤立微电网发展的主要瓶颈之一。

随着智能电网的快速发展，高级量测、现代控制以及通信技术为需求侧响应技术的兴起及应用奠定了基础。需求侧响应是指电力用户通过与电力企业建立协调机制，改变其传统电力消费模式而主动参与(Active Participation)辅助电网运行的行为^[7-8]。国内外学者对需求侧响应技术的应用进行了多方面的研究。文献[9]引入动态需求侧控制技术来提高电力系统的频率稳定性，减小对系统备用容量的需求。文献[10]通过需求侧响应进行风电场的有功功率调度。文献[11]引入多阶段需求侧响应技术通过直接控制可控负荷的动作来参与系统的一次频率调节。目前相关研究方法主要强调需求侧对电网的辅助作用而忽略了用户电能使用的舒适度；同时控制过程所产生的大量不确定性易导致系统的二次扰动。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，开发出一种温控负荷的变参与度频率控制器，该控制器能够参与系统的频率调节，有效减小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，在支持系统频率的同时，充分考虑终端用户的用能舒适度，避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种温控负荷的变参与度频率控制方法，包括如下步骤：

第一步：用户根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冷藏设备磨损程度自主选择用户参与系数k_f取值，同时采集当前电网频率f_meas(n)以及冷藏设备冷藏室温度T_c(n)；

第二步：根据第一步数据计算当前时刻用户参与度p_f(n)，用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为℃/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示：

p_f(n)＝k_f|f_meas(n)-f_r|    (8)

n代表当前时刻，f_r为电网额定频率，k_f为用户参与度系数；

第三步：根据第一步、第二步数据计算冷藏设备触发温度变化值ΔT(n)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T′₊、T′_-：

ΔT(n)＝p_f(n)(f_meas(n)-f_r)    (9)

T′₊(n)＝T₊(n)-ΔT(n)    (10)

T′_-(n)＝T_-(n)-ΔT(n)    (11)

其中，T′₊为修正后的冷藏设备上触发温度，℃；T′_-为修正后的冷藏设备下触发温度，T₊为原冷藏设备上触发温度，℃；T_-为原冷藏设备下触发温度；

第四步：根据第三步计算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作：

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T′₊，则压缩机启动，即CS(n+1)＝1；

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)小于修正后的冷藏设备下触发温度T′_-，则压缩机停止运行，即DS(n+1)＝0；

否则，压缩机状态不变，即CS(n+1)＝CS(n)；

第五步：n＝n+1，返回第一步，开始下一循环。

一种温控负荷的变参与度频率控制器，其特征是，包括：

频率传感器：用于实时采集电网频率信号，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片；

温度传感器：用于采样冷藏设备冷藏室温度T_c并传送至压缩机控制芯片；

冷藏设备压缩机控制器芯片根据采集的电网频率信号，结合设定的用户参与系数k_f计算当前时刻用户参与度p_f(n)，用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为℃/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示：

p_f(n)＝k_f|f_meas(n)-f_r|    (8)

n代表当前时刻，f_r为电网额定频率，f_meas(n)为当前时刻电网频率，k_f为用户参与度系数；

计算冷藏设备触发温度变化值ΔT(n)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T′₊、T′_-：

ΔT(n)＝p_f(n)(f_meas(n)-f_r)    (9)

T′₊(n)＝T₊(n)-ΔT(n)    (10)

T′_-(n)＝T_-(n)-ΔT(n)    (11)

其中，T′₊为修正后的冷藏设备上触发温度，℃；T′_-为修正后的冷藏设备下触发温度，T₊为冷藏设备上触发温度，℃；T_-为冷藏设备下触发温度；

若当前时刻冷藏设备温度Tc(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T′₊(即Tc(n)＞T′₊)，则冷藏设备压缩机控制器芯片输出PWM信号，PWM信号输入压缩机驱动芯片的输入端口，其输出即为压缩机驱动脉冲，压缩机启动，此时压缩机状态CS(n+1)＝1；

若当前时刻冷藏设备温度Tc(n)小于修正后的冷藏设备下触发温度T′_-(即Tc(n)＜T′_-)，则冷藏设备压缩机控制器芯片不输出PWM驱动信号，压缩机停止运行，此时压缩机状态CS(n+1)＝0；

否则，压缩机状态维持不变，即CS(n+1)＝CS(n)。

压缩机驱动芯片：压缩机驱动

若压缩机控制芯片输出PWM驱动信号，则PWM驱动信号通过压缩机驱动芯片输出适合于压缩机驱动电压的驱动脉冲，驱动压缩机运行；

若压缩机控制芯片不输出PWM驱动信号，则压缩机驱动芯片无输出，压缩机停止运行。

本发明的技术特点及效果：

与传统大电网通过增加备用机组提高系统频率调节能力的方法相比，基于本发明所提供的变参与度频率控制器的冰箱可在保证用户舒适度的前提下，参与电网的频率调节，可节省一定的备用机组容量，降低对传统化石能源的依赖，有益于节能减排目标的实现，且所需投资费用低，是一种经济可行的电网辅助服务。与现有的需求侧控制方法相比，本发明通过引入与频率幅值变化成正比的用户参与度，在提高用户舒适度(冰箱冷藏室温度合理，保证食物新鲜)的同时，充分考虑了用户的主动参与性，提高了电网的频率调节能力。此外，与基于集中控制的负荷侧响应方法[12-13](Aggregator，Virtual power plant，VPP)相比，此频率控制器根据当地频率测量信号迅速做出响应，无需通信网络与控制中心的支持，经济成本大大降低，同时避免了控制信号在传输过程中的延迟效应，可充分发挥温控负荷的速动性，提高系统的频率调节能力。

附图说明

图1冰箱特性曲线。

图2冰箱频率控制器的硬件结构图。

图3冰箱聚合体的频率响应特性。

图4冰箱变参与度频率控制器控制流程。

图5Benchmark低压微电网。

图6微电网的频率控制效果。

图7微电网故障后频率放大图。

具体实施方式

以功率消耗稳定、参与性强的电冰箱为例，本发明旨在开发出一种适用于家居型温控负荷的变参与度频率控制器，通过控制器中的变参与度的需求侧分散控制策略来对冰箱压缩机的启停进行定向控制，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变参与度频率控制器的硬件结构

以温控型负荷电冰箱为例，压缩式电冰箱模型由表示其热力学特性的一阶常系数微分方程组(1)以及表示压缩机控制逻辑的迟滞环节(2)组成^[10-11]：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{T}}_e\\ {\stackrel{\·}{T}}_c\end{array}\right]=\left[A\right]\left[\begin{array}{c}{T}_e\\ T_c\end{array}\right]+\left[B\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{CS}\\ T_a\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\mathrm{CS}(n+1)=\left\{\begin{array}{cc}1& T_c>T_{+}^{\&prime;}\\ 0& T_c<T_{-}^{\&prime;}\\ \mathrm{CS}\left(n\right)& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，

$\left[A\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{K_{\mathrm{ec}}{S}_{\mathrm{ec}}}{C_e{m}_e}& \frac{K_{\mathrm{ec}}{S}_{\mathrm{ec}}}{C_e{m}_e}\\ -\frac{K_{\mathrm{ec}}{S}_{\mathrm{ec}}+K_{\mathrm{ca}}{S}_{\mathrm{ca}}}{C_c{m}_c}& \frac{K_{\mathrm{ec}}{S}_{\mathrm{ec}}}{C_c{m}_c}\end{array}\right],$

$\left[B\right]=\left[\begin{array}{c}-\frac{P}{C_e{m}_e}\\ \frac{K_{\mathrm{ca}}{S}_{\mathrm{ca}}}{C_c{m}_c}\end{array}\right]$

T_e为蒸发器温度，℃；e为蒸发器；T_c为冷藏室温度，℃；c为冷藏室；CS(n)为压缩机当前采样时刻的状态(0或1)；CS(n+1)为压缩机下一采样时刻的状态(0或1)；n代表当前时刻；n+1代表下一时刻；T_a为外界环境温度，℃；a为外界环境；T′₊为修正后的冰箱上触发温度，℃；T′_-为修正后的冰箱下触发温度；K_ec为蒸发器与冷藏室的传热系数，W/(m²·℃)；S_ec为蒸发器与冷藏室的接触面积，m²；e为冰箱蒸发器；c为冰箱冷藏室；C_e为蒸发器比热容，J/(kg·℃)；m_e为蒸发器中物质质量，kg；K_ca为冷藏室与外界环境的传热系数，W/(m²·℃)；S_ea为冷藏室与外界环境的接触面积，m²；a外界环境；C_c为冷藏室比热容，J/(kg·℃)；m_c为冷藏室物质质量，kg；P为冰箱额定功率，kW。

电冰箱工作原理为通过控制压缩机的启停保持冰箱冷藏室温度在允许的范围[T_L，T_H](T_L为冰箱运行温度下限，T_H为冰箱运行温度上限)内变化。冰箱压缩机包括工作(“on”，即CS＝1)，关断(“off”，即CS＝0)两种运行状态，其运行状态的切换受冷藏室温度T_c控制。图1所示为T′₊，T′_-为恒定触发温度T₊、T_-时的冰箱特性曲线。当冷藏室温度T_c上升至T₊时，压缩机状态为“on”，制冷剂在蒸发器中吸热气化，T_e降低，通过热传递T_c降低，冰箱功率消耗为P_r。当T_c降至T_-时，压缩机状态切换为“off”，冷藏室与外界环境进行热传递，T_c升高，冰箱功率消耗为零。

本文提出的变参与度频率控制器的硬件结构图如图2所示。变参与度频率控制器由冰箱压缩机控制器，频率传感器，温度传感器，辅助电源，驱动电路、以及键盘显示等模块组成。与普通的冰箱压缩机控制器相比，本发明提出的冰箱变参与度频率控制器硬件部分具有专门的电网频率传感器，实时采集电网频率信号。同时，压缩机控制芯片中的控制算法中将不仅仅根据冰箱温度来控制冰箱压缩机动作，而是综合考虑电网频率与冰箱冷藏室温度，根据本发明提出的变参与度频率控制算法，通过定向控制压缩机动作，达到既能保证冰箱冷藏室温度适中，又能参与电网频率调节的目的。

本发明中压缩机控制器采用高性能16位单片机dsPIC30F4012，该芯片采用独特的模块化结构，具有强大的存储性能，片内具有电机专用PWM控制器。频率传感器采用精度高、响应速度快的SMF00-Vn-Pn-On传感器，频率测量范围为48-52Hz。温度传感器采用DS1820数字传感器，该传感器具有结构简单、全数字式输入、测量范围宽以及测量精度高等优点，采用一根I/O数据线即可供电又可实现数据传输。辅助电源采用LM7805芯片，实现220V交流电压到+5V直流电压的转换，提供冰箱频率控制器内各芯片的工作电压。

这里整个控制算法是在压缩机控制芯片中完成，压缩机控制芯片输出压缩机的PWM驱动信号，而压缩机驱动芯片的作用是把PWM驱动信号转换成适合驱动压缩机的驱动脉冲。

当前压缩机状态可根据压缩机控制芯片中PWM驱动信号来确定，若压缩机控制芯片输出PWM驱动信号，则当前压缩机状态CS(n)＝1；若压缩机控制芯片不输出PWM驱动信号，则当前压缩机状态CS(n)＝0.因此压缩机状态的确定可在压缩机控制芯片内部确定，不需要额外的传感器。

频率传感器SMF00-Vn-Pn-On实时采集电网频率信号，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片dsPIC30F4012输入端口。同时温度传感器DS1820采样冰箱冷藏室温度T_c并通过I/O端口传送至压缩机控制芯片dsPIC30F4012输入端。dsPIC30F4012芯片对输入的数据根据变参与度的频率控制算法进行处理，压缩机触发温度根据频率采样信号在线动态调整，修正后的压缩机触发温度(T′₊，T′_-)在原触发温度(T₊，T_-)的基础上根据系统频率信号动态变化，通过对冰箱冷藏室温度采样信号与修正后的压缩机触发温度进行对比，并通过dsPIC30F4012内置PWM控制器输出PWM信号，PWM信号输入驱动芯片SA8382的输入端口AD0-AD7，其输出即为压缩机驱动脉冲，通过对压缩机的起停进行定向控制，使冰箱参与系统的频率调节。

2变参与度的频率控制算法

冰箱变参与度频率控制器中的变参与度的需求侧分散控制策略无需通信系统，各冰箱根据系统频率的变化独立做出响应决策。其控制思想为：冰箱的触发温度(T′₊，T′_-)在用户可接受的舒适度范围内根据系统频率动态变化，通过调整冰箱压缩机的占空比(压缩机持续开启时间占一个周期之比)参与电网的频率控制。同时，通过引入用户参与度的概念考量用户的频率调节能力与其舒适度的关系，并为需求侧用户与电力企业签订相关补偿合同提供了依据。用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冰箱触发温度的变化量，单位为℃/Hz。修正后的冰箱上、下触发温度如式(3)～(5)所示：

ΔT＝p_f(f_meas-f_r)    (3)

T′₊＝T₊-ΔT    (4)

T′_-＝T_--ΔT    (5)

其中，f_meas为电网频率测量值；f_r为电网额定频率，50Hz；ΔT为冰箱触发温度的变化。

由式(3)～(5)可以看出，p_f取值越大，ΔT越大，T′₊(T′_-)变化越大，冰箱的频率调节能力越强，用户舒适度水平越低；反之亦然。本发明考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(6)所示：

p_f＝k_f|f_meas-f_r|    (6)

其中，k_f为用户参与度系数，k_f＝0表示用户不参与电网的频率调节。

T′₊与电网频率的关系曲线如图3(a)所示(T′_-的变化与T′₊的变化相同)，二者成二次函数关系。假设k_f取值一定，电网频率偏差较小时，p_f取值较小，冰箱触发温度T′₊变化速率较慢，变化幅值较小，用户舒适度相对较高；反之，当电网频率偏差较大时，p_f取值较大，T′₊变化速率较快，变化幅值较大，可充分发挥用户的参与积极性，但同时会导致冰箱冷藏室温度变化较大，用户舒适度降低。因此，式(6)所示的p_f可根据系统频率变化幅值动态调整用户参与度，调整冰箱对电网频率的调控能力。同时，由式(6)可知，当频率偏差一定时，p_f取值与p_f取值成正比，通过选取不同p_f值可调整相同频率偏差水平下冰箱对电网频率的调控能力。由于式(3)～(6)所示的控制逻辑便于集成在冰箱内部控制器，用户可根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冰箱磨损程度自主选择k_f取值。

将电网中参与频率调节的冰箱总体称为冰箱聚合体(Refrigerator Aggregation)，当其达到稳定运行状态，即冰箱冷藏室温度在[T_L，T_H]内均匀分布时，压缩机状态为“on”的冰箱比重维持动态平衡，冰箱聚合体有相对稳定的功率消耗。当电网频率偏离额定值时，参与频率控制的冰箱聚合体功率消耗如式(7)所示：

$P_F^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{\&Delta;T}\&le;(T_{-}^{\&prime;}-T_{+}^{\&prime;})\\ (1+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{T_{+}^{\&prime;}-T_{-}^{\&prime;}})\&CenterDot;P\&CenterDot;N\&CenterDot;\mathrm{on}\%,& (T_{-}^{\&prime;}-T_{+}^{\&prime;})<\mathrm{\&Delta;T}<0\\ (\mathrm{on}\%+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{T_{+}^{\&prime;}-T_{-}^{\&prime;}}\&CenterDot;\mathrm{off}\%)\&CenterDot;P\&CenterDot;N,& 0\&le;\mathrm{\&Delta;T}<(T_{+}^{\&prime;}-T_{-}^{\&prime;})\\ P\&CenterDot;N{,}^{}& \mathrm{\&Delta;T}\&GreaterEqual;(T_{+}^{\&prime;}-T_{-}^{\&prime;})\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，P′_F指冰箱聚合体参与电网频率控制后的功率；N为参与频率控制的冰箱数量；P为冰箱额定功率(假设冰箱额定功率相同)；on％(off％)为稳定运行状态下压缩机状态为“on”(“off”)的冰箱比例。

结合上式可得参与频率控制的冰箱聚合体的功率曲线如图3(b)所示。电网频率f_meas为额定值f_r(50Hz)时，T′₊、P′_F的取值分别为T₊、P_r(T₊为原冰箱上触发温度，P_r为不参与频率控制时冰箱聚合体的功率消耗)。当f_meas由f_r降至f₁(f₁为低于额定频率的某一数值)时，修正后的冰箱上触发温度T′₊由T₊上升至T′₁₊(T′₁₊为频率降低时对应的冰箱的上触发温度)，相应的冰箱聚合体功率P′_F由P_r降为P₁(P₁为与T′₁₊对应的冰箱聚合体的功率消耗)。反之，当f_meas由f_r升至f₂(f₂为高于额定频率的某一数值)时，冰箱聚合体功率P′_F由P_r升至P₂(P₂为与f₂对应的冰箱聚合体的功率消耗)。此外，由图中可看出，电网频率上、下偏移量相同((f₂-f_r)＝(f_r-f₁))时，所对应的P′_F变化量并不相同((P₂P_r)＞(P_rP₁))，这是由于冰箱的功率调节能力不仅与p_f取值有关，还与当前时刻“on％”、“off％”的取值密切相关(如式(7)所示，正常情况下on％取值不同于off％取值)。

由上述分析可知，变参与度的分散控制策略通过动态调整冰箱触发温度参与电网的频率控制，控制方式灵活、易实现。一方面冰箱温度在达到修正触发温度后立即动作，可有效保证用户的舒适度；另一方面，各用户结合自身需求通过设定不同的参与系数确定其合适的参与度，可有效提高用户参与的主动性。

各冰箱变参与度控制器的控制流程如图4所示，其控制步骤如下：

第一步：用户根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冰箱磨损程度自主选择用户参与系数k_f取值。

第二步：频率传感器SMF00-Vn-Pn-On实时采集电网频率信号f_meas(n)，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片dsPIC30F4012输入端口。温度传感器DS1820采样冰箱冷藏室温度T_c(n)并通过I/O端口传送至压缩机控制芯片dsPIC30F4012输入端。

第三步：冰箱压缩机控制器芯片dsPIC30F4012根据第二步采集的电网频率信号，结合设定的用户参与系数k_f计算当前时刻用户参与度p_r(n)，用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冰箱触发温度的变化量，单位为℃/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_r设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示：

p_f(n)＝k_f|f_meas(n)-f_r|    (8)

n代表当前时刻，f_r为电网额定频率，f_meas(n)为当前时刻电网频率，k_f为用户参与度系数；

由式(8)可以看出，k_f取值一定时，若电网频率偏差越大，则意味着用户参与度越高；反之，则参与度越低。

第四步：压缩机控制芯片dsPIC30F4012对第二步、第二步数据进行处理，计算冰箱触发温度变化值ΔT(n)以及修正后的冰箱上、下触发温度T′₊、T′_-：

ΔT(n)＝p_f(n)(f_meas(n)-f_r)    (9)

T′₊(n)＝T₊(n)-ΔT(n)    (10)

T′_-(n)＝T_-(n)-ΔT(n)    (11)

其中，T′₊为修正后的冰箱上触发温度，℃；T′_-为修正后的冰箱下触发温度，T₊为原冰箱上触发温度，℃；T_-为原冰箱下触发温度。

由式(9-11)可以看出，若电网频率偏差越大，则冰箱触发温度变化越大，这意味着需要参与频率控制的冰箱越多。若电网频率低于额定值，则修正后的触发温度T′₊、T′_-较原触发温度增大(此时部分压缩机运行的冰箱提前关断，部分压缩机关断的冰箱推迟开启，以减小系统负荷需求)；反之，若电网频率高于额定值，则修正后的触发温度T′₊、T′_-较原触发温度减小，(此时部分压缩机运行的冰箱推迟关断，部分压缩机关断的冰箱提前开启，以增大系统负荷需求，辅助电网的频率调节)。

第五步：压缩机控制芯片dsPIC30F4012将第四步计算结果与冰箱冷藏室温度进行对比，确定冰箱压缩机动作：

若当前时刻冰箱温度T_c(n)大于修正后的冰箱上触发温度T′₊(即T_c(n)＞T′₊)，则控制器输出PWM信号，PWM信号输入驱动芯片SA8382的输入端口AD0-AD7，其输出即为压缩机驱动脉冲，压缩机启动，此时压缩机状态CS(n+1)＝1；

若当前时刻冰箱温度T_c(n)小于修正后的冰箱下触发温度T′_-(即T_c(n)＜T′_-)，则控制器不输出PWM驱动信号，压缩机停止运行，此时压缩机状态CS(n+1)＝0；

否则，压缩机状态维持不变，即CS(n+1)＝CS(n)。

第六步：n＝n+1，返回第二步，开始下一循环。

与传统大电网通过增加备用机组提高系统频率调节能力的方法相比，基于本发明所提供的变参与度频率控制器的冰箱可在保证用户舒适度的前提下，参与电网的频率调节，可节省一定的备用机组容量，降低对传统化石能源的依赖，有益于节能减排目标的实现，且所需投资费用低，是一种经济可行的电网辅助服务。与现有的需求侧控制方法相比，本发明通过引入与频率幅值变化成正比的用户参与度，在保提高用户舒适度(冰箱冷藏室温度合理，保证食物新鲜)的同时，充分考虑了用户的主动参与性，提高了电网的频率调节能力。此外，与基于集中控制的负荷侧响应方法[12-13](Aggregator，Virtual power plant，VPP)相比，此频率控制器根据当地频率测量信号迅速做出响应，无需通信网络与控制中心的支持，经济成本大大降低，同时避免了控制信号在传输过程中的延迟效应，可充分发挥温控负荷的速动性，提高系统的频率调节能力。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

本发明以电冰箱为例，研究本发明变参与度频率控制器在参与一个实际电网或者孤立微电网动态频率调节时的控制效果，并分析当电网出现故障时，冰箱聚合参与频率控制的作用机理及其对备用机组和储能装置的影响。这里对冰箱参与孤立微电网的频率控制效果进行分析。在DIg SILENT仿真平台上搭建如图5所示的Benchmark低压微电网测试系统^[16]，与配网连接的公共连接点(PCC)断开，微电网呈孤岛方式独立运行。

设定算例中参与微电网频率控制的冰箱聚合体含800台电冰箱，根据上述冰箱模型将其通过母线2、14以及15(居民区)接入微电网，各母线接入的冰箱数量正比于该母线的不可控负荷峰值。考虑不同冰箱个体之间参数的差异性，利用表1所列的典型分布对冰箱模型参数进行设定。其中，为分析用户参与度系数对微电网的频率控制效果、用户舒适度以及蓄电池充放电的影响，k_f的期望μ_kf取值分别为0，2000以及4000。

基于变参与度需求侧分散控制策略的冰箱聚合体协同储能系统进行孤立微电网频率控制的效果如图6所示。由图6(a)可以看出，与无变参与度频率控制器(k_f＝0)的情景相比，安装有变参与度频率控制器的冰箱聚合体可有效提高微电网的频率动态响应特性，且k_f取值越大，频率控制效果越好。

表1冰箱聚合体参数的概率分布

注：N表示服从正态分布；U表示服从均匀分布

图6(b)表明参与频率控制的冰箱聚合体功率在原功率基础上随微电网频率的波动而动态变化。当微电网频率高于50Hz时，冰箱聚合体功率升高；反之，则降低。k_f取值越大，冰箱聚合体功率变化越大。

图6(d)～(e)表明冰箱聚合体参与微电网频率控制对蓄电池充放电的影响。孤立微电网中蓄电池通过下垂特性参与微电网频率调节。冰箱聚合体参与微电网频率控制后呈现出类似下垂特性的频率响应特性，因此冰箱聚合体与蓄电池采用对等控制模式进行微电网频率调节。不同用户参与度系数对应的蓄电池的最大功率需求和荷电状态(state of charge，SOC)变化对比如表2所示。可以看出，随着k_f取值的增大，蓄电池充放电的最大功率逐渐减小，SOC变化范围也随之减小，而SOC变化范围的减小可等同于对蓄电池容量需求的减小^[21]。因此，基于变参与度需求侧分散控制策略的冰箱参与微电网频率调节可有效减少蓄电池容量需求。

表2参与频率控制的冰箱聚合体对蓄电池充放电的影响

此外，通过设置微电网故障分析基于变参与度需求侧分散控制策略的冰箱聚合体的暂态频率响应特性。设定t＝0.5s时，某一光伏系统由于逆变器故障退出运行。考虑三种冰箱聚合体控制方式：本文所提分散控制方式(以k_f＝2000为例)、文献[11]多阶段控制方法(MCS)以及冰箱不参与频率调节的方法(k_f＝0)，并对其频率控制效果进行对比，结果如图7所示。

图7所示故障瞬间，k_f＝0控制方式下微电网频率跌至49.95Hz；MCS控制控制方式下频率跌至49.962Hz；k_f＝2000控制方式下微电网频率跌至49.975Hz，控制效果最好。这是由于基于变参与度分散控制策略下冰箱聚合体的触发温度紧随频率的波动幅值而动态调整，微电网发生故障导致频率下降的瞬间，冰箱聚合体开始动作，其触发温度立即升高，快速切断部分冰箱压缩机来响应系统频率的突变，随着频率跌落幅值的增大，参与频率调节的冰箱数目不断增大，有效抑制了微电网频率的进一步下跌。

参考文献

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Claims (2)

1.一种温控负荷的变参与度频率控制方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步：用户根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冷藏设备磨损程度自主选择用户参与系数k_f取值，同时采集当前电网频率f_meas(n)以及冷藏设备冷藏室温度T_c(n)；

第二步：根据第一步数据计算当前时刻用户参与度p_f(n)，用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为℃/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示：

p_f(n)＝k_f|f_meas(n)-f_r|    (8)

n代表当前时刻，f_r为电网额定频率，k_f为用户参与度系数；

第三步：根据第一步、第二步数据计算冷藏设备触发温度变化值ΔT(n)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T′₊、T′_-：

ΔT(n)＝p_f(n)(f_meas(n)-f_r)    (9)

T′₊(n)＝T₊(n)-ΔT(n)    (10)

T′_-(n)＝T_-(n)-ΔT(n)    (11)

其中，T′₊为修正后的冷藏设备上触发温度，℃；T′_-为修正后的冷藏设备下触发温度，T₊为原冷藏设备上触发温度，℃；T_-为原冷藏设备下触发温度；

第四步：根据第三步计算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作：

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T′₊，则压缩机启动，即CS(n+1)＝1；

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)小于修正后的冷藏设备下触发温度T′_-，则压缩机停止运行，即CS(n+1)＝0；

否则，压缩机状态不变，即CS(n+1)＝CS(n)；

第五步：n＝n+1，返回第一步，开始下一循环。

2.一种温控负荷的变参与度频率控制器，其特征是，包括：

频率传感器：用于实时采集电网频率信号，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片；

温度传感器：用于采样冷藏设备冷藏室温度T_c(n)并传送至压缩机控制芯片；

冷藏设备压缩机控制器芯片根据采集的电网频率信号，结合设定的用户参与系数k_f计算当前时刻用户参与度p_f(n)，用户参与度p_f是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为℃/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将p_f设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示：

p_f(n)＝k_f|f_meas(n)-f_r|    (8)

n代表当前时刻，f_r为电网额定频率，f_meas(n)为当前时刻电网频率，k_f为用户参与度系数；

计算冷藏设备触发温度变化值ΔT(n)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T′₊、T′_-：

ΔT(n)＝p_f(n)(f_meas(n)-f_r)    (9)

T′₊(n)＝T₊(n)-ΔT(n)    (10)

T′_-(n)＝T_-(n)-ΔT(n)    (11)

其中，T′₊为修正后的冷藏设备上触发温度，℃；T′_-为修正后的冷藏设备下触发温度，T₊为原冷藏设备上触发温度，℃；T_-为原冷藏设备下触发温度；

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T′₊，即T_c(n)＞T′₊，则冷藏设备压缩机控制器芯片输出PWM信号，PWM信号输入压缩机驱动芯片的输入端口，其输出即为压缩机驱动脉冲，压缩机启动，此时压缩机状态CS(n+1)＝1；

若当前时刻冷藏设备温度T_c(n)小于修正后的冷藏设备下触发温度T′_-，即T_c(n)＜T′_-，则冷藏设备压缩机控制器芯片不输出PWM驱动信号，压缩机停止运行，此时压缩机状态CS(n+1)＝0；

否则，压缩机状态维持不变，即CS(n+1)＝CS(n)。

压缩机驱动芯片：压缩机驱动

若压缩机控制芯片输出PWM驱动信号，则PWM驱动信号通过压缩机驱动芯片输出适合于压缩机驱动电压的驱动脉冲，驱动压缩机运行；

若压缩机控制芯片不输出PWM驱动信号，则压缩机驱动芯片无输出，压缩机停止运行。

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