CN104218589B - 基于家居型温控负荷的低频减载方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低频减载、频率调节领域，为充分利用家居型温控负荷的功率可调特性，在不影响用户舒适度的条件下，将家居型温控负荷运用到电力系统的低频减载控制中，充分利用温控负荷的储能特性，实现减载量的降低，在一定程度上实现了用户的主动减负荷，有利于用户用电的不间断性，改善了用电条件。为此，本发明采取的技术方案是，基于家居型温控负荷的低频减载方法，包括下列步骤：1.系统发生扰动后，确定系统的功率缺额并算出减载总量P_shed2.发出调节电热水器的T_setpoint命令；3.切除负荷直到系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。本发明重要用于温控负荷的功率调节。

Description

基于家居型温控负荷的低频减载方法

技术领域

本发明涉及低频减载、频率调节，特别涉及基于家居型温控负荷的低频减载方法。

技术背景

低频减载是指在电力系统发生严重扰动引起功率缺额导致频率下降时，通过切除部分非重要的负荷阻止频率下降并恢复到正常稳定运行范围内的控制措施，是电力系统安全稳定运行的最后一道防线，能有效地防止频率崩溃和大面积停电，具有至关重要的作用。传统的低频减载通过切除负荷，停止对所有减载线路上的用户供电阻止系统频率下降，忽略用户的能动作用，给经济和环境带来很多不必要的损失。

随着智能电网和高级量测体系的建设及其相关技术的推进，温控负荷由于其储能特性、易于控制及响应速度快的特点得到国内外学者的广泛研究。

发明内容

为克服现有技术的不足，为充分利用家居型温控负荷的功率可调特性，在不影响用户舒适度的条件下，将家居型温控负荷运用到电力系统的低频减载控制中。本文在分析了家居型温控负荷运行特性和控制方法的基础上，提出了基于家居型温控负荷的低频减载方法，充分利用了温控负荷的储能特性，实现减载量的降低，在一定程度上实现了用户的主动减负荷，区别于传统的被动切负荷，有利于用户用电的不间断性，改善了用电条件。为此，本发明采取的技术方案是，基于家居型温控负荷的低频减载方法，包括下列步骤：

1.系统发生扰动后，产生功率缺额导致系统频率下降，此时，在控制中心根据各发电机端的频率变化率及其惯性常数由式(6)确定系统的功率缺额并算出减载总量P_shed

P_shed＝(△P-P_thr)×105％

△P：根据转子运动方程得到系统的功率缺额，P_thr是确定减少多少负荷能有效防止系统频率降到危险频率以下的标志值；

2.发出调节电热水器的T_setpoint命令：在系统惯性中心频率下降到低频减载装置之前的某个值时，控制中心发出调节电热水器的T_setpoint命令，电热水器聚合体响应于该命令改变工作状态，功率消耗降低；当系统发生功率缺额时，发出调节T_setpoint信号时的频率应该高于基本轮首轮整定值。

3.系统惯性中心频率下降到低频减载装置动作值时，低频减载装置基本轮和特殊轮响应于系统频率依次动作，切除负荷直到系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i}{f_n}\frac{{\mathrm{df}}_c}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{f_n}{H}_c\frac{{\mathrm{df}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中，f_n为额定频率，

H_i为第i台发电机的惯性常数；

为惯性中心频率，f_i为第i台发电机发出的电压频率。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本文提出的基于家居型温控负荷的低频减载方法利用了温控负荷的储能特性，在不影响用户舒适度的前提下，当系统发生扰动引起功率缺额导致功率下降时，控制中心发出下调Tsetpoint命令，电热水器聚合体响应于控制命令，部分电热水器停止运行，电热水器聚合体的功耗降低。同时低频减载装置响应于系统频率切除部分负荷至系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。仿真证明相比于自适应低频减载方法，基于家居型温控负荷的低频减载方法能有效的降低减载总量，在一定程度上改善了用户的用电条件。

附图说明

图1电热水器的典型温度特性曲线。

图2单个热水器典型特性仿真波形。

图3Deadband＝6℃，Tsetpoint＝65℃的电热水器一天内水的温度及运行变化。

图4Deadband＝10℃，Tsetpoint＝65℃的电热水器一天内水的温度及运行变化。

图5正常工作时电热水器温度和开关状态。

图6在400min时Tsetpoint下调5℃后热水器温度和开关状态波形。

图71000台电热水器聚合体正常运行时的功率。

图81000台电热水器聚合体在400min时Tsetpoint由65℃下调到59℃的功率。

图9基于家居型温控负荷的自适应减载策略控制流程图。

图10IEEE10机39节点测试系统。

图11负荷增加28％时，系统频率波形。

图12自适应低频减载后的系统频率波形。

图13基于家居型温控负荷的自适应低频减载后的系统频率波形。

具体实施方式

(1)家居型温控负荷的运行特性及控制方法

本文以电热水器为例研究家居型温控负荷的运行特性。本文在综合相关文献和结合实际情况的基础上，总结了热水器的热动态数学模型并分析了控制方法。

1.电热水器的模型

对电热水器的运行特性的模拟需要建立温度动态模型用以描述电热水器与环境以及注入冷水的热量交换。图1显示了贮水式电热水器中水箱中的水随着时间变化的温度曲线上升的部分表示热水器在加热状态，而曲线下降的部分表示当热水器处于不加热状态时水箱中热水的温度的降低(这种降低由热传递、热辐射等原因造成)。随着热水器的“开”与“关”，热水器分别处于加热状态和不加热状态，储水箱中水的温度也就随着分别上升和降低。

热水器的温度特性曲线可以由式(1)～(4)表示。当热水器在[t_n,t_n+1]时间段加热时，在t_n+1时刻水的温度为

$T_{\mathrm{in}}^{n+1}=T_{\mathrm{ex}}+\mathrm{QR}-(T_{\mathrm{ex}}+\mathrm{QR}-T_{\mathrm{in}}^n)e^{-(t_{n+1}-t_n)/\mathrm{RC}}---\left(1\right)$

热水器在[t_n,t_n+1]时间段处于关闭状态时，在t_n+1时刻水的温度为：

$T_{\mathrm{in}}^{n+1}=T_{\mathrm{ex}}-(T_{\mathrm{ex}}-T_{\mathrm{in}}^n)e^{-(t_{n+1}-t_n)/\mathrm{RC}}---\left(2\right)$

用热水器的水而有冷水注入时，水的温度为：

$T_{\mathrm{in}}^n[T_{\mathrm{now}}(M-m_n)+T_{\mathrm{ex}}{m}_n]/M---\left(3\right)$

由式(1)～(3)热水器的温度为：

$T_{\mathrm{in}}^{n+1}=f(T_{\mathrm{in}}^n,T_{\mathrm{ex}},R,C,Q,m_n,t_n,u_n)---\left(4\right)$

其中，——在时间t_n时热水器水的温度(℃)；

——在时间t_n+1时热水器水的温度(℃)；

T_ex——注入热水器中的水的温度(℃)；

T_now——热水器中水现在的温度(℃)；

m_n——热水器在t_n时注入的凉水量(gal)；

u_n——[t_n,t_n+1]时间段热水器的开关状态，1代表开，0代表关；

M——热水器总的容积(gallon)；

R——热水器的等值热电阻(℃/kW)；

C——热水器的热容(kWh/℃)；

Q——热水器容量(kW)。

根据电热水器的典型参数，如表1，以及家庭用户在冬天喝夏天的典型用水曲线，利用MATLAB仿真软件给出的一个电热水器特性的仿真结果如图2，假定电热水器开启时的功率为4500W。

表1一组典型的热水器热参数

参数	Q0(kW)	R0(℃/kW)	C0(kWh/℃)	M0(gallon)
					典型值	4.5	1.52	863.40	50

2.电热水器控制

影响电热水器的耗电量的因素主要有，室外温度、用户用水量、T_upper、T_lower、T_setpoint等，其中室外温度及用户用水量是不可调量。因此可以通过调节T_upper、T_lower、T_setpoint来调节热水器的耗电量。

电热水器的温度参数是通过通讯设备上传到电力控制中心，或接受电力控制中心的命令的。电热水器在工作时是通过温度传感器显示的温度来确定热水器是处于工作状态还是关闭状态。电热水器中水的最高温度为T_upper、最低温度为T_lower、同时T_setpoint＝(T_upper+T_lower)/2，Deadband＝T_upper-T_lower。在本发明中，对电热水器控制时保持Deadband不变，根据电热水器聚合体的功率上下调节T_setpoint的值，即电热水器中水的最高温度T_upper和最低温度T_lower都随着T_setpoint的变化而变化。因此当电热水器处于工作状态时，接收到电力控制中心下调T_setpoint的命令，则T_upper和T_lower的值都减小，此时电热水器的水温T_now可能高于T_upper的值，则电热水器由工作停止，电热水器的功率降低。

1).调节Deadband

舒适区Deadband(其中，Deadband＝T_upper-T_lower)反应电热水器内热水的温度范围，主要由用户设定。舒适区的增加将会为可控恒温控制电器的调度提供更多的灵活性，增加能量储备。如图3为Deadband＝6℃，T_setpoint＝65℃的电热水器一天内水的温度及开关情况，图4为Deadband＝10℃，T_setpoint＝65℃的电热水器一天内水的温度及开关情况。图3和图4对比可以看出在一台热水器中，当Deadband增大时，热水器的开关次数降低，即有利于设备使用寿命的延长。因此在对Deadband调节时在考虑到用户舒适度的同时要考虑到设备的使用寿命问题。

2).调节T_setpoint

T_setpoint为电热水器水箱内温度上下限的平均值。如图5为正常工作时热水器温度和开关状态，图6为在400min时接到调节T_setpoint信号后，下调6℃后热水器温度和开关状态波形。由图5和图6对比可以看出当正常运行时电热水器在400min时是处于开启的工作状态，而当收到下调T_setpoint命令时，电热水器关断。

为使电热水器的功率消耗对电网的运行状态产生影响，需要多个电热水器共同作用即电热水器聚合体。考虑不同电热水器个体之间参数的差异性，表2为电热水器聚合体的参数设定，其中，hot_water为按用户典型用水量曲线采集的数据。

表2电热水器聚合体参数的概率分布

如图7为1000台电热水器聚合体正常运行时的功率，图8为在400min时收到调节T_setpoint信号后，由65℃下调到59℃的功率。由图7和图8对比可以看出，当T_setpoint下调后，电热水器聚合体将关闭正在运行的热水器，使其功率消耗降低。由于热水器的初始化温度是随机的，因此图8和图9的功率消耗会有所不同。空间矢量控制的基本思想是将变换器当作一个整体来看待，把变换器不同开关状态下输出的电压作为控制矢量，将该矢量与参考矢量相比较，通过控制各开关矢量的作用时间使得变换器输出矢量作用的平均效果与参考矢量相同。但变换器的开关导通状态时数量是一定的，所以形成的空间矢量数量也是一定的。

(2)基于家居型温控负荷的自适应低频减载方法

前文提到在智能电网的双向通信功能的基础上可以实现对温控负荷的控制。可以设想在系统中负荷突然增加时，发生功率不平衡，系统频率下降。此时控制中心发出信号将热水器T_setpoint值下调，此时，一部分在加热的电热水器会停止工作，使负荷减小，有利于系统频率恢复。由于自适应低频减载方法的减载量是根据系统遭受扰动引起功率缺额的大小确定的。为研究家居型温控负荷对系统减载量的影响，本文将家居型温控负荷应用到自适应低频减载中。

自适应低频减载方法是基于系统频率响应模型建立的。在系统遭受大扰动时，根据简单的系统频率响应模型，可以估算出系统的频率变化。根据转子运动方程得到系统的功率缺额为：

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i}{f_n}\frac{{\mathrm{df}}_c}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{f_n}{H}_c\frac{{\mathrm{df}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中，f_n为额定频率，

H_i为第i台发电机的惯性常数；

为惯性中心频率，f_i为第i台发电机发出的电压频率。

由于低频减载装置的实际时延因素，可以取(5)式计算值的105％作为减载量的大小。因此自适应低频减载方法总的减载量为：

P_shed＝(△P-P_thr)×105％(6)

P_thr是用来确定减少多少负荷能有效防止系统频率降到危险频率以下。对于复杂的多机系统而言一般通过仿真得出，也就是系统频率下降到危险频率以下最大能承受的功率缺额。设想当系统因发生功率缺额导致频率下降时，控制器由广域测量系测得的实时数据得到系统的减载量，同时向下发出调节电热水器的T_setpoint，此时部分电热水器响应于控制信号将停止工作，即电热水器聚合体的功耗降低。因此使频率恢复到正常运行状态后，实际的切负荷量将会降低。由此可以设计基于家居型温控负荷的自适应减载控制策略：

1.系统发生扰动后，产生功率缺额导致系统频率下降。此时，控制中心根据各发电机端的频率变化率及其惯性常数由式(6)确定系统的功率缺额并算出减载总量P_shed。

2.发出调节电热水器的T_setpoint命令。在系统惯性中心频率下降到低频减载装置之前的某个值时，控制中心发出调节电热水器的T_setpoint命令，电热水器聚合体响应于该命令改变工作状态，功率消耗降低。当系统发生功率缺额时，为了避免直接减载而没有利用温控负荷的可调功率，考虑到通信延时等问题，发出调节T_setpoint信号时的频率应该高于基本轮首轮整定值，以保证电热水器聚合体的功率调节发生在切负荷之前。本文设定当频率下降到49.35Hz时，发出调节T_setpoint命令。

3.系统惯性中心频率下降到低频减载装置动作值时，低频减载装置基本轮和特殊轮响应于系统频率依次动作，切除负荷直到系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。

图9是基于家居型温控负荷的低频减载方法的流程图。

表3和表4分别为自适应低频减载方案和基于家居型温控负荷的低频减载方案。

表3自适应减载方法

表4基于家居型温控负荷的自适应减载方法

本文将提出的基于家居型温控负荷的低频减载方法在IEEE10机39节点测试系统进行了仿真验证。IEEE10机39节点测试系统接线结构如图10所示。系统在3、4、7、8、12、15、16、18、20、21、23、24、25、26、27、28、29、31、39母线上布置了低频减载装置。假设电热水器聚合体在正常运行下占系统总用电量的5％，即有200000台电热水器。

图11为系统负荷在420min的第0.2s时突然增加时的系统频率波形。图12为发生扰动后自适应低频减载基本轮动作三轮，特殊轮动作两轮共切除1372.678MW负荷后的频率波形。图13为扰动后基于家居型温控负荷的低频减载基本轮动作两轮，特殊轮动作两轮共切除负荷1286.6MW负荷后的频率波形。

自适应低频减载和基于家居型温控负荷低频减载仿真结果对比可知基于家居型温控负荷的自适应减载方法与一般的自适应减载方法相比，在不影响用户舒适度的前提下，通过调节Tsetpoint，降低了电热水器聚合体的功率，实现了减载量降低的目的。

本文提出的基于家居型温控负荷的低频减载方法利用了温控负荷的储能特性，在不影响用户舒适度的前提下，当系统发生扰动引起功率缺额导致功率下降时，控制中心发出下调Tsetpoint命令，电热水器聚合体响应于控制命令，部分电热水器停止运行，电热水器聚合体的功耗降低。同时低频减载装置响应于系统频率切除部分负荷至系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。仿真证明相比于自适应低频减载方法，基于家居型温控负荷的低频减载方法能有效的降低减载总量，在一定程度上改善了用户的用电条件。

Claims (2)

1.一种基于家居型温控负荷的低频减载方法，其特征是，包括下列步骤：

1)系统发生扰动后，产生功率缺额导致系统频率下降，此时，在控制中心根据各发电机端的频率变化率及其惯性常数由下式确定系统的功率缺额并算出减载总量P_shed

P_shed＝(△P-P_thr)×105％

△P：根据转子运动方程得到系统的功率缺额，P_thr是确定减少多少负荷能有效防止系统频率降到危险频率以下的标志值；

2)发出调节电热水器的T_setpoint命令：在系统惯性中心频率下降到低频减载装置之前的某个值时，控制中心发出调节电热水器的T_setpoint命令，电热水器聚合体响应于该命令改变工作状态，功率消耗降低；当系统发生功率缺额时，发出调节T_setpoint信号时的频率应该高于基本轮首轮整定值，T_setpoint为电热水器水箱内温度上下限的平均值；

3)系统惯性中心频率下降到低频减载装置动作值时，低频减载装置基本轮和特殊轮响应于系统频率依次动作，切除负荷直到系统频率停止下降并恢复到正常运行范围内。

2.如权利要求1所述的基于家居型温控负荷的低频减载方法，其特征是，

$\mathrm{\Δ}P=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}M=\frac{2\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_i}{f_n}\frac{{\mathrm{df}}_c}{dt}=\frac{2}{f_n}{H}_c\frac{{\mathrm{df}}_c}{dt}---\left(5\right)$

其中，H_i为第i台发电机的惯性常数；

为惯性中心频率，f_i为第i台发电机发出的电压频率，f_n为额定频率。