CN105762835A - 基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统，在保证用户舒适度的同时，应用温控负荷的改进变参与度调频方法和储能装置调频方法的协同作用，实现微电网系统频率的二次调节，不仅能够充分发挥温控负荷的调频能力，且可以更有效地减小对储能装置的容量需求，从而能够更好地提高微电网频率控制效果。所述方法包括：S1、基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_?分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；S2、基于储能装置对微电网进行再次调频。

Description

基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及单个区域微电网系统的能量管理领域，具体涉及一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统。

背景技术

随着国民经济发展，太阳能、风能等波动性能源高渗透率的接入和电力负荷需求的不断增长，在微电网孤立运行时，给我国电力供需平衡的维持带来巨大挑战，难以确保电网频率的稳定性。在传统电网的运行机制下，若遇到太阳能等新能源发电不足、用户负荷高峰的情况，或启用高峰机组，或对电力用户采用拉闸限电等负荷管理措施，维持电网的供需平衡、确保频率的稳定性。但高峰机组成本过高，而拉闸限电则牺牲了用户利益。储能设备的引入虽可作为系统的备用容量，缓解系统的净负荷波动，调整电网频率的变化，但受单台储能装置容量及自身性能的限制，使用多台储能装置时会导致微网建设经济成本过高。

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。以冰箱、空调、热水器为代表的大量家居型温控负荷因其能量存储特性，短时投切或调整目标温度值不会明显影响其效用，且可以及时减少功率需求，故成为需求侧响应的主要研究对象。目前，孤立微电网利用家居型温控负荷实现调频的方法是协同储能装置对系统频率进行一次调节。虽然这种方法在保证用户舒适度的同时，系统频率的调节效果有所增强、对储能装置的容量需求也有所减少，但未能充分发挥用户侧负荷的调频作用，且系统频率的一次调节属于有差调节，这种方法也没有对频率一次调节效果本身存在的误差进行进一步的优化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统。

一方面，本发明实施例提出一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，包括：

S1、基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_{_}分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

S2、基于储能装置对微电网进行再次调频。

另一方面，本发明实施例提出一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制系统，包括：

第一调频单元，用于基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_{_}分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

第二调频单元，用于基于储能装置对微电网进行再次调频。

本发明实施例提供的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法及系统，在保证用户舒适度的同时，应用温控负荷的改进变参与度调频方法和储能装置调频方法的协同作用，实现微电网系统频率的二次调节，不仅能够充分发挥温控负荷的调频能力，且可以更有效地减小对储能装置的容量需求，在减少储能装置充放电深度的同时延长其使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法一实施例的流程示意图；

图2为空调负荷制冷状态时随时间变化的温度特性及功率需求特性示意图；

图3为集群空调的频率响应特性示意图；

图4为实现微电网二次调频的储能装置调频策略示意图；

图5为本发明一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，包括：

S1、基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_-分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

S2、基于储能装置对微电网进行再次调频。

以空调为例，对本发明所采用的技术方案进行如下分析：

步骤1：以现有温控负荷的变参与度调频策略为基础，提出一种改进的变参与度需求侧分散式控制策略，并利用该策略对微电网进行一次调频。

根据空调工作原理，建立描述空调工作过程的数学模型，其由一阶动态常系数微分方程和其控制逻辑的迟滞环节组成，如式(1)、式(2)所示：

$C{\stackrel{\·}{T}}_{in}\left(t\right)=\frac{1}{R}\left(T_{en}\right(t)-T_{in}(t\left)\right)-P_N\·s\left(t\right)---\left(1\right)$

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

式中：T_in(t)为t时刻室内温度，℃；C为室内墙壁等效热容值；R为室内墙壁等效热阻值；T_en(t)为t时刻室外的环境温度，℃；s(t)为t时刻空调负荷的工作状态，0或1；P_N为空调负荷的额定功率，kW；T_{_}、T₊分别为空调关闭和开启的温度限值设定，℃。

求解上式(1)、式(2)，可得到空调负荷制冷状态时随时间变化的温度特性及功率需求特性，如图2所示。

现有文献将其中的用户参与度p_f定义为：微网频率变化单位赫兹时空调目标温度的变化量，单位为℃/Hz，将参与度p_f设计成如式(3)所示：

p_f＝k_f|f_meas-f_N| (3)

式中：f_meas为微网频率测量值；f_N为微网额定频率50Hz；k_f为用户参与度系数。

以集群空调为例，其改进的变参与度需求侧分散式控制策略实现方式如下：

微电网系统频率发生变化时，在频率增、减变化的情况下，对集群空调的目标温度分别进行修正，使空调负荷群能够在系统频率增大、减小相同量值时，具有相同的功率需求可调控能力，为微电网系统运行提供相同的可调频容量。

当系统频率减小时，修正后的空调上、下目标温度为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;T}}_{on}=\frac{p_f}{N}(f_{meas}-f_N)\\ T_{+}^{\&prime;}=T_{+}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{on}\\ T_{-}^{\&prime;}=T_{-}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{on}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，f_meas为微网频率测量值；f_N为微网额定频率50Hz；ΔT_on为系统频率减小时，空调目标温度的变化量；T′₊、T′_-为修正后的上、下目标温度；N为参与频率控制的空调数量。

当系统频率增大时，修正后的空调上、下目标温度为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;T}}_{off}=\frac{p_f}{N}\&CenterDot;\frac{on\%}{off\%}(f_{meas}-f_N)\\ T_{+}^{\&prime;}=T_{+}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{off}\\ T_{-}^{\&prime;}=T_{-}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{off}\end{array}---\left(5\right)$

式中，ΔT_off为系统频率增大时，空调目标温度的变化量；on％(off％)为稳定运行状态下空调处于开启(关断)状态的比例。

当集群空调进入稳定运行状态，即其温度在[T_l,T_h]内均匀分布时，集群空调有相对稳定的功率消耗，结合式(3)～(5)，可得参与系统调频的集群空调在频率发生增、减变化时的功率可调节量均可表示为：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{AC}=\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_{on}}{T_{+}-T_{-}}\&CenterDot;P_N\&CenterDot;N\&CenterDot;on\%---\left(6\right)$

或

式中：ΔP_AC为集群空调参与调频时的功率可调节量；P_N为空调的额定功率；on％为稳定运行状态下空调处于开启状态的比例。

式(7)中，令：空调参与调频时的频率调节效应系数为:

$K_{AC}=\frac{{\mathrm{on\%P}}_N}{T_{+}-T_{-}}\&CenterDot;k_f---\left(8\right)$

式中，K_AC会随着用户参与度系数k_f的适当提高而增大。利用K_AC替代现有的k_f进行一次调频，该改进的变参与度调频方法更能体现出用户参与调频的主动性即k_f取值会较大，故由公式(7)可得，有空调机组参与的系统频率调节进入稳态时，不受集群空调数量影响而产生的功率可调变化量ΔP_AC也会增大，进而可充分发挥集群空调对系统频率的调节作用，更有效地减少对储能装置的容量需求。

由式(4)、(5)、(6)可得集群空调的频率响应特性，如图3所示。如图3(a)所示为T′₊与微电网频率的关系曲线(T′_-的变化与T′₊的变化相同)，二者成二次函数关系。电网频率从f_N减小为f₁，即减小Δf时，T′₊从T₊增加为T′_1＋，即增加了ΔT_on；电网频率从f_N增加为f₂，即增加Δf时，T′₊从T₊减小为T′₂₊，即减小了ΔT_off。如图3(b)所示，当T′₊从T₊增加为T′_1＋，集群空调的功率消耗从P_N减小为P₁，即减小了ΔP；当T′₊从T₊减小为T′₂₊，集群空调的功率消耗从P_N增加为P₂，即增加了ΔP。

步骤3：以现有的储能装置调频策略为基础，建立适合于系统二次调频的储能装置调频方法，并利用该方法对微电网进行二次调频。

基于本设计中所提到的温控负荷调频方法，其只适用于系统进行一次调频时的情况。而系统一次调频结果是有差调节，故在对一次调频结果进行优化而实现频率二次调节时，需使用储能装置的调频策略来进行。系统频率的二次调节可分为无差调节和有差调节，考虑到温控负荷的调频方法，储能装置在此处进行的二次调频为有差调节，也即实现频率偏差设为0.1Hz处的无差调节。

实现系统二次调频的储能装置调频策略如图4所示。当频率未超过0.1Hz时，仅需利用比例环节计算储能装置需要吸收或者发出的功率P_ref，即P_ref＝P_n+0.3|f_N-f_meas|，P_n为在微电网额定频率f_N状态下储能装置的额定功率；当频率超过0.1Hz时，需利用比例环节和积分环节计算储能装置需要吸收或者发出的功率P_ref，即

本实施例提供的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，在保证用户舒适度的同时，应用温控负荷的改进变参与度调频方法和储能装置调频方法的协同作用，实现微电网系统频率的二次调节，不仅能够充分发挥温控负荷的调频能力，且可以更有效地减小对储能装置的容量需求，在减少储能装置充放电深度的同时延长其使用寿命。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S1，包括：

S10、获取微电网频率f_meas和温控负荷作用区域温度T；

S11、利用所述微电网频率f_meas和改进的用户参与度系数K_AC分别对所述T₊和T_{_}进行修正，得到T′₊和T′_-，其中，T′₊为T₊修正后的值，T′_-为T_{_}修正后的值；

S12、比较所述温控负荷作用区域温度T与T′₊和T′_-的大小关系，根据比较结果控制温控负荷的压缩机开启或关闭。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S11，包括：

比较所述微电网频率f_meas与微电网额定频率f_N的大小关系，若所述微电网频率f_meas小于所述微电网额定频率f_N，则计算所述T₊和T_{_}，计算公式分别为和其中，p_f＝K_AC|f_meas-f_N|，N为参与频率控制的温控负荷的数量。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S11，还包括：

若所述微电网频率f_meas不小于所述微电网额定频率f_N，则计算所述T₊和T_{_}，计算公式分别为和其中，p_f＝K_AC|f_meas-f_N|，off％为稳定运行状态下温控负荷处于关断状态的比例。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S12，包括：

若所述温控负荷作用区域温度T大于所述T′₊，则控制温控负荷的压缩机开启；或者

若所述温控负荷作用区域温度T小于所述T′_-，则控制温控负荷的压缩机关闭。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S2，包括：

S20、获取微电网频率f_meas，并计算|f_N-f_meas|，其中，f_N为微电网额定频率；

S21、比较|f_N-f_meas|与预设的数值a的大小关系，根据比较的结果计算储能装置需要发出或者吸收的功率P_ref，并控制储能装置发出或者吸收功率P_ref。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S21，包括：

若|f_N-f_meas|小于a，则计算P_ref，计算公式为P_ref＝P_n+0.3|f_N-f_meas|，其中，P_n为在微电网额定频率f_N状态下储能装置的额定功率。

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，所述S21，还包括：

若|f_N-f_meas|不小于a，则计算P_ref，计算公式为

可选地，在本发明基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法的另一实施例中，a为0.1或者0.2。

参看图5，本实施例公开一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制系统，包括：

第一调频单元1，用于基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_{_}分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

第二调频单元2，用于基于储能装置对微电网进行再次调频。

本实施例提供的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制系统，在保证用户舒适度的同时，应用温控负荷的改进变参与度调频方法和储能装置调频方法的协同作用，实现微电网系统频率的二次调节，不仅能够充分发挥温控负荷的调频能力，且可以更有效地减小对储能装置的容量需求，在减少储能装置充放电深度的同时延长其使用寿命。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，包括：

S1、基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_-分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

S2、基于储能装置对微电网进行再次调频。

2.根据权利要求1所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S1，包括：

S10、获取微电网频率f_meas和温控负荷作用区域温度T；

S11、利用所述微电网频率f_meas和改进的用户参与度系数K_AC分别对所述T₊和T_-进行修正，得到T′₊和T′_-，其中，T′₊为T₊修正后的值，T′_-为T_-修正后的值；

S12、比较所述温控负荷作用区域温度T与T′₊和T′_-的大小关系，根据比较结果控制温控负荷的压缩机开启或关闭。

3.根据权利要求2所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S11，包括：

比较所述微电网频率f_meas与微电网额定频率f_N的大小关系，若所述微电网频率f_meas小于所述微电网额定频率f_N，则计算所述T₊和T_-，计算公式分别为和其中，p_f＝K_AC|f_meas-f_N|，N为参与频率控制的温控负荷的数量。

4.根据权利要求3所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S11，还包括：

若所述微电网频率f_meas不小于所述微电网额定频率f_N，则计算所述T₊和T_-，计算公式分别为和其中，p_f＝K_AC|f_meas-f_N|，off％为稳定运行状态下温控负荷处于关断状态的比例。

5.根据权利要求2所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S12，包括：

若所述温控负荷作用区域温度T大于所述T′₊，则控制温控负荷的压缩机开启；或者

若所述温控负荷作用区域温度T小于所述T′_-，则控制温控负荷的压缩机关闭。

6.根据权利要求1所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S2，包括：

S20、获取微电网频率f_meas，并计算|f_N-f_meas|，其中，f_N为微电网额定频率；

S21、比较|f_N-f_meas|与预设的数值a的大小关系，根据比较的结果计算储能装置需要发出或者吸收的功率P_ref，并控制储能装置发出或者吸收功率P_ref。

7.根据权利要求6所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S21，包括：

若|f_N-f_meas|小于a，则计算P_ref，计算公式为P_ref＝P_n+0.3|f_N-f_meas|，其中，P_n为在微电网额定频率f_N状态下储能装置的额定功率。

8.根据权利要求7所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，所述S21，还包括：

若|f_N-f_meas|不小于a，则计算P_ref，计算公式为

9.根据权利要求6所述的基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制方法，其特征在于，a为0.1或者0.2。

10.一种基于温控负荷的孤立微电网频率的协调控制系统，其特征在于，包括：

第一调频单元，用于基于改进的用户参与度系数K_AC对微电网进行调频，其中，k_f为原始用户参与度系数，on％为稳定运行状态下温控负荷处于开启状态的比例，P_N为温控负荷的额定功率，T₊和T_-分别为设定的温控负荷开启和关闭的温度限值；

第二调频单元，用于基于储能装置对微电网进行再次调频。