CN111900740B - 一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统 - Google Patents

一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统 Download PDF

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CN111900740B CN201910367581.5A CN201910367581A CN111900740B CN 111900740 B CN111900740 B CN 111900740B CN 201910367581 A CN201910367581 A CN 201910367581A CN 111900740 B CN111900740 B CN 111900740B
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Abstract

本发明涉及一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统，包括：根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频。本发明提供的技术方案统筹各类需求响应设备参与系统调频，通过充分的挖掘各类需求响应设备的调频潜力来解决电力供需实时平衡问题，有效的提升了系统的经济化运行，稳定了电网的频率波动水平，提高了电网接纳分布式能源的能力。

Description

一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统
技术领域
本发明涉及需求响应技术领域，具体涉及一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统。
背景技术
分布式能源装机容量大规模并网，向电网提供低碳清洁能源的同时，由于间歇性和难以准确预测的特点，极大地增加了电网安全稳定控制的难度。分布式发电输出功率的波动可能造成系统功率不平衡，系统频率发生变化。使得系统需要安排大量的旋转备用容量应对分布式发电的功率波动。
电力系统传统的调频方法主要通过火电、水电、抽水蓄能等机组调节频率波动。然而，发电机组调频运行成本高，对电网的经济调度造成负担；部分火电机组参与调频时，其碳排放对环境造成影响。
近年来，各类可中断、可调节负荷和分布式电源、电动汽车等需求响应设备不断增多。在电力市场环境下，这些设备通过需求响应技术，可以视为与发电机同等的调频资源，为地区电网优化运行提供了新的调节手段。
但是，目前关于需求响应资源设备的研究主要针对于某一类设备参与系统调频，未考虑需求响应设备响应能力的差异，以及不同需求响应设备的协调。
因此，在系统频率调节中，如何统筹协调各类需求响应设备的调频性能差异，经济有效地解决电力供需实时平衡问题、稳定电网频率波动有待进一步研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于需求响应设备的电力系统调频方法和系统，该方法统筹各类需求响应设备参与系统调频，通过充分的挖掘各类需求响应设备的调频潜力来解决电力供需实时平衡问题，有效的提升了系统的经济化运行，稳定了电网的频率波动水平，提高了电网接纳分布式能源的能力。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于需求响应设备的电力系统调频方法，其改进之处在于，所述方法包括：
根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频。
优选的，所述根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类，包括：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，△P(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；Z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+△l为历史调度周期中第l+△l个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
优选的，所述根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量，包括：
根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
进一步的，所述根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子，包括：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
进一步的，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σj为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量△Pj(t)：
△Pj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
进一步的，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；
按下式确定所述调频需求约束条件：
式中，△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤△Pj(t)≤△Pjmax
式中，△Pjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-△i≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤△i
式中，△i为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
进一步的，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
本发明提供一种基于需求响应设备的电力系统调频系统，其改进之处在于，所述系统包括：
分类模块，用于根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
计算模块，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
调频模块：用于利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频。
优选的，所述分类模块，用于：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，△P(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；Z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+△l为历史调度周期中第l+△l个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
优选的，所述根据计算模块，包括：
确定单元，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
获取单元，用于将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
进一步的，所述确定单元，用于：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
进一步的，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σj为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量△Pj(t)：
△Pj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
进一步的，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；
按下式确定所述调频需求约束条件：
式中，△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤△Pj(t)≤△Pjmax
式中，△Pjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-△i≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤△i
式中，△i为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
进一步的，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的技术方案，根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频；通过统筹各类需求响应设备参与系统调频，并充分的挖掘各类需求响应设备的调频潜力来解决电力供需实时平衡问题，有效的提升了系统的经济化运行，稳定了电网的频率波动水平，提高了电网接纳分布式能源的能力。
附图说明
图1是一种基于需求响应设备的电力系统调频方法流程图；
图2是系统调频需求曲线图；
图3是需求响应设备参与系统调频的调频成本曲线图；
图4是各类需求响应设备调频结果曲线图；
图5是一种基于需求响应设备的电力系统调频系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
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、完整地描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于需求响应设备的电力系统调频方法，如图1所示，包括：
步骤101.根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
步骤102.根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
步骤103.利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频。
在本发明实施例中，在电价和供电政策激励下需求侧的各类需求响应设备合理用电(在用电高峰期少用电，在用电低谷期多用电)，达到削峰填谷的效果，进而参与系统的调频；
具体的，所述步骤101，包括：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值。
在本发明的最优实施例中，考虑到不同需求响应设备的需求响应潜力不同，根据不同设备参与需求响应调频的历史响应数据，计算需求响应设备调频性能指标。针对响应能力有差异的不同需求响应设备，设定调频性能划分指标，利用支持向量机(SupportVector Machine,SVM)算法对不同需求响应设备分类，分别构建调频性能品质为一类、二类和三类的需求响应设备；其中，设定划分指标λ1＝0.9，λ2＝0.8；一类需求响应设备用电设备主要为温控类设备(如空调等)和分布式储能设备；其具备快速响应AGC调频指令，通过一定的需求响应措施，可以集中调节用电量，可调性高的特点。
二类需求响应设备用电设备主要为用电设备主要指电动汽车，其响应速率相比较优质资源稍慢，但是由于电动汽车具有储能特性，大量聚合后既可以在负荷高峰削减负荷，也可以在负荷低谷时消耗电量。
三类需求响应设备用电设备主要为电饭煲、洗衣机等居民厨房用电设备、大型工厂用电设备等，该类资源受消费者心理、工厂生产班制等影响，调频性能相较于其他两种较差。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标。
在本发明的最优实施例中，需求响应设备的调频性能由需求响应设备调频时的准确性、相关性和延迟性来评价，其中，统计需求侧设备的功率波动大小来评估需求响应设备调频时的准确性；
在本发明的最优实施例在，系数k1，k2，k3取值范围为[0,1]，并且满足k1+k2+k3＝1，本实施例中系数k1，k2，k3均取为1/3。
进一步的，按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，△P(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；Z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+△l为历史调度周期中第l+△l个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
在本发明的最优实施例中，相关性表示调频指令和实际响应之间的相关程度；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
在本发明的最优实施例中，延迟性用于表征需求响应资源完全响应与调频指令之间的时间差。受需求侧设备响应启动时间影响，需求响应资源完全响应到调频指令之间有一定的延迟；
进一步的，所述步骤102，包括：
步骤a.根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
步骤b.将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
具体的，所述步骤a，包括：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；调频性能奖励因子对各类需求响应设备进行价格补偿，假设调频市场调频性能基准值为S，各类需求响应设备的调频性能越高，价格补偿程度越高；反之，若各类需求响应设备调频性能低于调频市场调频性能基准值(σ<1)，各类需求响应设备参与调频将会受到相应的惩罚。
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
具体的，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σj为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量△Pj(t)：
△Pj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
在本发明的最优实施例中，发电机组可以为火电机组，风电机组等可以参与调频的常规调频机组；
构建常规调频机组和各类需求响应设备同时参与系统调频的调度模型，确定需求响应资源的调度容量；若常规调频机组和各类需求响应设备的权重曲线为衡量调频成本的曲线时，调度中心在获取常规调频机组和各类需求响应资源成本信息后，以调度成本最小为目标，以功率平衡和各发电机出力、负荷调整限制为约束条件，建立调频决策模型，此时ai为第i个发电机组在当前时刻t的调频成本的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的调频成本的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的调频成本的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的价格曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的价格曲线的常数项系数。
根据3类需求响应设备对激励价格响应关系，本实施例中3类需求响应设备的价格系数如表1所示。
表1需求响应设备价格响应参数
具体的，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；
按下式确定所述调频需求约束条件：
式中，△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤△Pj(t)≤△Pjmax
式中，△Pjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-△i≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤△i
式中，△i为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
进一步的，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
在本发明的最优实施例中，根据系统间歇性新能源预测出力功率和系统电力负荷的预测值，采用滚动平均法计算间歇性新能源大规模并网后，系统的调频需求。其中PAGC(t)大于0，表示系统需要上调容量；PAGC(t)小于0，表示系统需要下调容量。
在本发明的最优实施例中，通过应用本专利技术方案，某典型日负荷数据和某风力发电场发电功率为例，计算系统的调频需求如图2所示。
为分析需求响应资源参与调频带来的经济效益，设定2个情景：情景1：只有常规调频机组参与调频；情景2：基于调频性能差异，对需求响应设备分类聚合，并组织常规调频机组和需求响应资源同时参与调频，计算系统调频优化调度结果。
截取12.00-14.00时刻，系统调度成本变化如图3所示，对比2种情景下系统调度成本变化可知，系统总调度成本大小：情景1>情景2。需求响应资源参与系统调频可以降低系统调频调度成本，有利于系统经济运行。这是因为常规调频机组相比于需求响应资源，调度成本高。
3类求响应资源在系统优化调度中的调频容量如图4所示。对比3类需求响应资源的调频容量可知，调频性能越好的需求响应资源获得的调频容量越大。但是受最大可调节容量限制，在系统总调频需求较大时，二类和三类需求响应资源，也可以获得较高的调频容量。
本发明提供一种基于需求响应设备的电力系统调频系统，如图5所示，所述系统包括：
分类模块，用于根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
计算模块，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
调频模块：利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频。
具体的，所述分类模块，用于：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值。
具体的，按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标。
具体的，按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，△P(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；Z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+△l为历史调度周期中第l+△l个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，△l为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
具体的，所述根据计算模块，包括：
确定单元，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
获取单元，用于将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
具体的，所述确定单元，用于：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
具体的，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σj为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量△Pj(t)：
△Pj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
具体的，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；
按下式确定所述调频需求约束条件：
式中，△Pj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤△Pj(t)≤△Pjmax
式中，△Pjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-△i≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤△i
式中，△i为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
具体的，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于需求响应设备的电力系统调频方法，其特征在于，所述方法包括：
根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频；
所述根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类，包括：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值；
按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标；
按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，ΔP(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，Δl为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+Δl为历史调度周期中第l+Δl个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，Δl为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量，包括：
根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子，包括：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；ΔPj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σ为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量ΔPj(t)：
ΔPj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；
按下式确定所述调频需求约束条件：
式中，ΔPj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤ΔPj(t)≤ΔPjmax
式中，ΔPjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-Δi≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤Δi
式中，Δi为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
7.一种基于需求响应设备的电力系统调频系统，其特征在于，所述系统包括：
分类模块，用于根据需求响应设备的调频性能指标对需求响应设备进行分类；
计算模块，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标计算各类需求响应设备参与系统调频的容量；
调频模块：用于利用各类需求响应设备参与系统调频的容量参与系统调频；
所述分类模块，用于：
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ1≤S≤1时，则将该需求响应设备归为第一类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：λ2≤S≤λ1时，则将该需求响应设备归为第二类需求响应设备；
若需求响应设备的调频性能指标S满足：0≤S≤λ2时，则将该需求响应设备归为第三类需求响应设备；
其中，λ1为需求响应设备的调频性能指标的预设最大分界值；λ2为需求响应设备的调频性能指标的预设最小分界值；
按下式确定所述需求响应设备的调频性能指标S：
S＝k1Kacc+k2Kdel+k3Kcor
式中，k1为需求响应设备准确性指标的系数；k2为需求响应设备相关性指标的系数；k3为需求响应设备延迟性指标的系数；Kacc为需求响应设备准确性指标；Kdel为需求响应设备相关性指标；Kcor为需求响应设备延迟性指标；
按下式确定所述需求响应设备准确性指标Kacc：
式中，ΔP(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的功率波动值；D为历史调度周期内需求响应设备调频需求量的平均值；z为历史调度周期的时长；
按下式确定所述需求响应设备相关性指标Kdel：
式中，Δl为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间；Pl+Δl为历史调度周期中第l+Δl个时刻需求响应设备的调频需求量；PDR(l)为历史调度周期中第l个时刻需求响应设备的实际响应量；
按下式确定所述需求响应设备延迟性指标Kcor：
式中，Δl为需求响应设备从开始响应到完全响应的响应时间。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据计算模块，包括：
确定单元，用于根据各类需求响应设备对应的调频性能指标确定各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；
获取单元，用于将各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子代入预先建立的调频决策模型中，求解预先建立的调频决策模型，获取各类需求响应设备参与系统调频的容量。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述确定单元，用于：
按下式确定所述各类需求响应设备对应的调频性能奖励因子σj：
式中，Sj为第j类需求响应设备对应的调频性能指标；Sv为调频性能基准值；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备对应的调频性能指标Sj：
式中，M为第j类需求响应设备的设备总数，M＝1,2,3；为第j类需求响应设备中第n个设备的需求响应量；Pj为第j类需求响应设备的总需求响应量；/>为第j类需求响应设备中第n个设备的调频性能指标。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，按下式确定所述预先建立的调频决策模型的目标函数：
式中，CF(t)为调频决策目标值；Ugi(t)为第i个发电机组在当前时刻t的调用系数；PGen,i(t)为第i个发电机组在当前时刻t的发电容量；ai为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的二次项系数；bi为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的一次项系数；ci为第i个发电机组在当前时刻t的权重曲线的常数项系数；UYj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调用系数；αj为第j类需求响应设备的权重曲线的一次项系数；βj为第j类需求响应设备的权重曲线的常数项系数；ΔPj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PDR,j0第j类需求响应设备的初始响应量；σj为第j类需求响应设备对应的调频性能奖励因子；G为发电机组的数量；W为需求响应设备的类数；W＝1,2,3；
其中，按下式确定所述第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量ΔPj(t)：
ΔPj(t)＝PDR,j(t)-PDR,j0
式中，PDR,j(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的响应量。
11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预先建立的调频决策模型的目标函数的约束条件包括：调频需求约束条件、出力范围约束条件和机组爬坡速率约束条件；按下式
确定所述调频需求约束条件：
式中，ΔPj(t)为第j类需求响应设备在当前时刻t的调频容量；PAGC(t)为当前时刻t的系统调频需求；
按下式确定所述出力范围约束条件：
PGeni,min≤PGen,i(t)≤PGeni,max
式中，PGeni,min为第i个发电机组调频容量下限值；PGeni,max为第i个发电机组调频容量上限值；
0≤ΔPj(t)≤ΔPjmax
式中，ΔPjmax为第j类需求响应设备的调频容量上限值；
按下式确定所述机组爬坡速率约束条件：
-Δi≤Ugi(t)PGen,i(t)-Ugi(t-1)PGen,i(t-1)≤Δi
式中，Δi为第i个发电机组的最大爬坡速率；Ugi(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的调用系数；PGen,i(t-1)为第i个发电机组在t-1时刻的发电容量。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，按下式确定所述当前时刻t的系统调频需求PAGC(t)：
PAGC(t)＝Lnet(t)-Lnet,f(t)
式中，Lnet(t)为当前时刻t的系统净负荷；Lnet,f(t)为当前时刻t的系统平均净负荷；
按下式确定所述当前时刻t的系统净负荷Lnet(t)：
Lnet(t)＝L-PDG
式中，L为系统电力预测负荷值；PDG为间歇性新能源预测出力功率；
按下式确定所述当前时刻t的系统平均净负荷Lnet,f(t)：
式中，2M为平均周期的时长。
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