CN117638995A - 一种基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，属于电力系统频率调整技术领域。顶层集中调控中心通过同步相量测量装置获取电力系统频率信息，在频率信息达到阈值时计算温控负荷集群需求响应功率总量；基于各负荷聚合商调节能力按比例进行功率总量的分配；中间层负荷聚合商计算本控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，并计算与前一控制周期的数量差；计算响应时间标签设置时序控制变量，并以广播的方式向温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令；底层温控负荷终端接收控制指令并触发响应。本发明实现了温控负荷集群的连续功率调节，形成了适用于温控负荷集群参与电力系统频率响应的综合惯性控制。
Description
技术领域
本发明属于电力系统频率调整技术领域，尤其涉及一种基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法。
背景技术
为响应国家“双碳目标”，能源转型逐渐被提上日程，高比例可再生能源和高比例电力电子设备的电力系统日趋形成，电网转动惯量持续降低。系统的惯量和阻尼包含发电侧、负荷侧及各类模拟控制策略所提供的等效惯量和阻尼。大多聚焦于分布式电源侧的惯量和阻尼控制，在用电侧，社会经济日益发展，居民生活水平显著提高，在经济发达地区空调等可控类温控负荷占比超过50%，且呈现逐年增长的趋势，伴随着信息通信与智能控制技术的发展，温控负荷需求响应控制技术逐渐成熟。有必要深入探索温控负荷与系统惯量、阻尼和频率稳定的内在联系。温控负荷规模庞大，在总负荷中的占比逐年增高，需求响应调节潜力巨大；负荷及其所属建筑环境具备一定的热存储能力，在一定的范围内调节温度不会过度影响居民的生活舒适度；温控负荷耗电量较高时段，正值电力系统负荷高峰而系统备用容量不足时段，温控负荷需求响应可以弥补发电机组调节能力缺额；基于5G的公共通信网络，时延低至毫秒，完全满足温控负荷需求响应场景下的电力系统的调频要求。因此，研究温控负荷集群的综合惯性控制，实现温控负荷频率响应对电力系统的灵活调节，将成为满足新型电力系统对于系统惯量要求的新思路。
随着信息通信和智能控制技术的快速发展，集中式调控模式在温控负荷频率响应的综合惯性控制方面的优势更加明显。然而在控制周期内，负荷集群功率指令为定值，并不遵从虚拟惯量/阻尼控制律。并且，在相邻控制周期总功率响应指令不同，造成负荷集群将以功率阶跃的方式向电网提供功率支撑，这会给电网带来新的功率扰动，电力系统频率动态实际为扰动功率与负荷集群阶跃功率共同激励的结果。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法,以解决现有技术中温控负荷集群附加频率响应功率呈现阶跃变化，控制周期内不遵从综合惯性控制律的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法的具体技术方案如下：
顶层集中调控中心通过同步相量测量装置获取电力系统频率信息，并判断频率信息是否达到响应阈值；在频率信息达到阈值时计算温控负荷集群需求响应功率总量；集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行功率总量的分配；中间层负荷聚合商计算响应温控负荷终端数量，在控制周期大于等于2时，计算本控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量/>与前一控制周期的温控负荷终端数量/>的差值 />；并根据计算得到的/>、/>、/>等概率随机抽取温控负荷终端，计算响应时间标签设置时序控制变量，并以广播的方式向温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令；底层温控负荷终端接收控制指令并触发功率调节响应。
本发明的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法具有以下优点：实现了温控负荷集群的连续功率调节，形成了适用于温控负荷集群参与电力系统频率响应的综合惯性控制，能够在减小频率偏差最值的同时缩短了到达最值的时间，有效改善系统频率动态，利于电网的频率稳定。
附图说明
图1为温控负荷集群控制示意图。
图2为温控负荷集群频率控制流程示意图。
图3为温控负荷集群总功率的频率响应示意图。
图4为温控负荷集群功率曲线示意图。
图5(a)为系统频率偏差示意图。
图5(b)为系统频率变化率示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明将在基于采样的事件触发控制方式中引入面向终端层的时间触发控制机制，实现事件触发与时间触发结合下的温控负荷集群功率综合惯性控制。
图1所示为温控负荷集群控制示意图；温控负荷集群附加频率响应控制为分层控制，顶层为集中调控中心，中间层为负荷聚合商，底层为温控负荷终端。底层温控负荷终端根据工作状态评估自身调节能力，并定期上传至中间层负荷聚合商；中间层负荷聚合商对所辖终端响应能力进行聚合获得集群调节能力，并定期上报至顶层集中调控中心；集中调控中心 掌握负荷总调节能力，并依据远端实时电网频率信息做出负荷侧频率响应判断。
本发明提出的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法实现流程如图2所示：
顶层集中调控中心通过同步相量测量装置获取电力系统频率信息，并判断频率信息是否达到响应阈值；在频率信息达到阈值时计算温控负荷集群需求响应功率总量；其中，/>为时间，/>为采样控制周期序号，第1采样周期取值为1，类似的，第/>采样周期取值为/>；/>为采样控制周期时长；集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行功率总量的分配；中间层负荷聚合商计算响应温控负荷终端数量/>，在控制周期大于等于2时，计算本控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量/>与前一控制周期的温控负荷终端数量/>的差值/> ；并根据计算得到的/>、/>、/>等概率随机抽取温控负荷终端，计算响应时间标签设置时序控制变量，并以广播的方式向温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令；底层温控负荷终端接收控制指令并触发功率调节响应。
现结合图1-3对本发明的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法做详细描述。
电网频率异常时，在第1个采样控制周期，时间：
顶层集中调控中心执行如下操作：
步骤S11：电力系统遭受功率扰动后，同步相量测量装置处理得到扰动点频率信息，随即上传至顶层集中调控中心。
步骤S12：顶层集中调控中心经PD控制器计算获得本采样控制周期内的温控负荷集群需求响应功率总量，
(1)；
式中，、/>分别为PD控制器的比例增益、微分增益；/>、表示第/>个采样控制周期的频率偏差、频率变化率采样值。
步骤S13：集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行总功率调节指令的二次分配，采用如下公式实现
(2)；
式中，、/>分别为负荷聚合商/>所辖负荷的可调节功率在第/>个采样控制周期评估值和功率分配调节指令，/>的取值为1,2,3…，/>、/>分别为负荷集群总调节功率在第/>个采样控制周期的评估值和总功率调节指令，/>为负荷聚合商/>所辖负荷调节能力所占总负荷的比例。
中间层负荷聚合商执行如下操作：
步骤S21：负荷聚合商根据接收到的功率分配调节指令计算对应温控负荷终端数量/>
(3)；
式中，为负荷聚合商k所辖温控负荷终端的数量，/>为向上取整符号。
在第2个采样控制周期，时间：
顶层集中调控中心执行步骤S11-步骤S13。
中间层负荷聚合商执行如下操作：
步骤S22：计算与本采样控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，式(3)中/>取值2，并计算与前一采样控制周期的温控负荷终端数量的差值。
步骤S23：若为正，则从所辖的/>台温控负荷终端中等概率抽取/>台温控负荷终端，并从/>台温控负荷终端中等概率随机抽取/>台温控负荷终端；对抽取出的台温控负荷终端赋统一的指令触发时间/>，指令赋值为1，代表执行功率调节响应；将第3个采样控制周期分为/>等份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予剩余的台温控负荷终端，指令赋值为1，代表执行功率调节响应。若/>为负，则从所辖的/>台温控负荷终端中等概率抽取/>台温控负荷终端，并从/>台温控负荷终端中等概率随机抽取/>台温控负荷终端；对抽取出的/>台温控负荷终端赋统一的指令触发时间/>，指令赋值为1，代表执行功率调节响应；将第3个采样控制周期分为/>等份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予剩余的/>台温控负荷终端，指令赋值为0，代表退出功率调节响应。
步骤S24：中间层负荷聚合商以广播的方式向抽取的与/>台温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令。
在第3个采样控制周期，时间：
底层温控负荷终端执行如下操作：
步骤S31：底层温控负荷终端在第3个采样控制周期接收到第2采样控制周期中间层负荷聚合商下发的功率响应指令，随即执行功率调节或退出功率调节。其中，台温控负荷终端在第3采样控制周期开始时刻/>同步触发响应，余下的/>台温控负荷终端则在第3采样控制周期内/>陆续触发响应。
顶层集中调控中心执行步骤S11-步骤S13。
中间层负荷聚合商执行如下操作：
步骤S25：计算与本采样控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，并计算与前一采样控制周期的温控负荷终端数量的差值/>。
步骤S26：若为正，则从未参加响应的终端中等概率抽取/>台终端；将第采样控制周期等分为/>份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予/>台温控负荷终端，指令赋值为1，代表执行功率调节响应。若/>为负，则从已参加响应的终端中等概率抽取/>台终端；将第/>采样控制周期等分为/>份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予/>台温控负荷终端，指令赋值为0，代表退出功率调节响应。
步骤S27：中间层负荷聚合商以广播方式向台温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令。
在第个采样控制周期，时间/>：
底层温控负荷终端执行如下操作：
步骤S31：底层温控负荷终端在第采样控制周期接收到第/>采样控制周期中间层负荷聚合商下发的功率响应指令，随即执行功率调节或退出功率调节；/>台终端在第/>采样控制周期内/>陆续触发参与频率响应。
顶层集中调控中心执行步骤S11-步骤S13。
中间层负荷聚合商执行步骤S25-S27。
顶层集中调控中心、中间层负荷聚合商及底层温控负荷终端循环执行第个采样控制周期内的步骤，直至电网频率恢复。
图3为温控负荷集群总功率的频率响应示意图，如图3所示，采用本发明的温控负荷集群功率呈现综合惯性控制规律；温控负荷集群总功率在采样控制周期内陆续响应集群功率指令，其功率由阶跃变化变为连续变化。
本发明采用变频空调作为典型变频类温控负荷进行仿真验证分析，火电机组作为传统发电机组，系统额定容量为800MW。系统频率响应参数设置如表1所示。
其中，温控负荷房间等效热阻热容R、C服从正态分布R~N[4,(1/3)2]，C~N(125,252)。N台空调的初始设定温度T set随机均匀分布在22~26℃，模拟不同用户对室内温度的多样化需求。假设温控负荷集群频率响应阶段室外温度T out为33℃，由于调频时间尺度为分钟级，故可认为温控负荷附加频率响应阶段室外温度保持不变。
表1 电力系统频率响应模型参数
系统在t=0s时受到0.4p.u.功率扰动，频率增加。当系统频率偏差达到响应阈值后，传统发电机组和负荷集群开始响应，为系统频率恢复提供调节能力。
温控负荷集群功率结果如图4所示。在本发明所提时间触发机制下，基于集中-分布式调控的温控负荷集群总功率在第2个采样控制周期开始响应电网频率变化，且在此后的采样控制周期内呈现近似连续变化，为电力系统提供虚拟惯量和一次调频支撑。
系统频率偏差和频率变化率结果如图5所示。图5（a）中实线为采用传统集中调控的系统频率偏差曲线，图5（a）中三角线为采用本发明所提出的温控负荷集群功率综合惯性控制策略的系统频率偏差曲线。由图5（a）可以看出，本发明有效改善系统频率偏差动态，减小了系统频率偏差最大值的同时缩短了到达频率偏差最大值的时间。图5（b）中实线为采用传统集中调控的系统频率变化率，图5（b）中三角线为采用本发明所提出的温控负荷集群功率综合惯性控制策略的系统频率变化率曲线。由图5（b）可以看出，在传统控制方式下，系统频率变化率曲线在每一采样控制时刻都将受到温控负荷集群阶跃功率影响，导致系统频率动态实际为扰动功率与负荷集群阶跃功率共同激励的结果，从而造成系统频率变化率曲线在每一采样控制时刻均发生突变，增加了控制保护装置误动的潜在风险。而在施加本发明后，系统频率变化率曲线被有效平滑，避免了温控负荷终端同步响应下集群功率阶跃对系统频率变化率的冲击，有效改善了系统频率动态，从而利于电网的频率稳定。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，顶层集中调控中心通过同步相量测量装置获取电力系统频率信息，并判断频率信息是否达到响应阈值；在频率信息达到阈值时计算温控负荷集群需求响应功率总量；其中，/>为时间，/>为采样控制周期序号，第1采样周期取值为1，类似的，第/>采样周期取值为/>；为采样控制周期时长；集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行功率总量的分配；中间层负荷聚合商计算响应温控负荷终端数量/>，在控制周期大于等于2时，计算本控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量/>与前一控制周期的温控负荷终端数量/>的差值 />；并根据计算得到的/>、/>、/>等概率随机抽取温控负荷终端，计算响应时间标签设置时序控制变量，并以广播的方式向温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令；底层温控负荷终端接收控制指令并触发功率调节响应。
2.根据权利要求1所述的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，计算温控负荷集群需求响应功率总量，通过如下方法实现：
(1)；式中，/>、/>分别为PD控制器的比例增益、微分增益；/>、/>表示第/>个采样控制周期的频率偏差、频率变化率采样值。
3.根据权利要求2所述的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行功率总量的分配,通过如下方法实现：
集中调控中心基于各负荷聚合商调节能力按比例进行总功率调节指令的二次分配，采用如下公式实现：
(2)；式中，、/>分别为负荷聚合商/>所辖负荷的可调节功率在第/>个采样控制周期评估值和功率分配调节指令，/>的取值为1,2,3…，、/>分别为负荷集群总调节功率在第/>个采样控制周期的评估值和总功率调节指令，/>为负荷聚合商/>所辖负荷调节能力所占总负荷的比例。
4.根据权利要求3所述的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，计算本控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，通过如下方法实现：
步骤S21：负荷聚合商根据接收到的功率分配调节指令计算对应温控负荷终端数量/>：
(3)；
式中，为负荷聚合商/>所辖温控负荷终端的数量，/>为向上取整符号。
5.根据权利要求4所述的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，中间层负荷聚合商根据计算得到的、/>、/>等概率随机抽取温控负荷终端，计算响应时间标签设置时序控制变量，通过如下方法实现：
在第2采样控制周期，时间，中间层负荷聚合商执行如下操作：
步骤S22：计算与本采样控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，式(3)中/>取值2，并计算与前一采样控制周期的温控负荷终端数量的差值；
步骤S23：若为正，则从所辖的/>台温控负荷终端中等概率抽取/>台温控负荷终端，并从/>台温控负荷终端中等概率随机抽取/>台温控负荷终端；对抽取出的/>台温控负荷终端赋统一的指令触发时间/>，指令赋值为1，代表执行功率调节响应；将第3个采样控制周期分为/>等份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予剩余的/>台温控负荷终端；指令赋值为1，代表执行功率调节响应；若/>为负，则从所辖的/>台温控负荷终端中等概率抽取/>台温控负荷终端，并从/>台温控负荷终端中等概率随机抽取/>台温控负荷终端；对抽取出的/>台温控负荷终端赋统一的指令触发时间/>，指令赋值为1，代表执行功率调节响应；将第3个采样控制周期分为/>等份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予剩余的/>台温控负荷终端，指令赋值为0，代表退出功率调节响应；
步骤S24：中间层负荷聚合商以广播的方式向抽取的台与/>台温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令；
在第采样控制周期，时间/>，中间层负荷聚合商执行如下操作：
步骤S25：计算与本采样控制周期开始时刻频率信息所对应的温控负荷终端数量，并计算与前一采样控制周期的温控负荷终端数量的差值/>；
步骤S26：若为正，则从未参加响应的终端中等概率抽取/>台终端；将第/>采样控制周期等分为/>份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予/>台温控负荷终端，指令赋值为1，代表执行功率调节响应；若/>为负，则从已参加响应的终端中等概率抽取/>台终端；将第/>采样控制周期等分为/>份，并将/>个时间标签作为指令触发时间赋予/>台温控负荷终端，指令赋值为0，代表退出功率调节响应；
步骤S27：中间层负荷聚合商以广播方式向台温控负荷终端下达附有时间触发标签的控制指令。
6.根据权利要求5所述的基于时间触发的温控负荷集群功率综合惯性控制方法，其特征在于，底层温控负荷终端接收控制指令并触发功率调节响应，通过如下方法实现：
在第3个采样控制周期，时间，底层温控负荷终端执行如下操作：
步骤S31：底层温控负荷终端在第3个采样控制周期接收到第2采样控制周期中间层负荷聚合商下发的功率响应指令，随即执行功率调节或退出功率调节；其中，台温控负荷终端在第3采样控制周期开始时刻/>同步触发响应，余下的|/>|台温控负荷终端则在第3采样控制周期内/>陆续触发响应；
在第个采样控制周期，/>：
底层温控负荷终端执行如下操作：
步骤S31：底层温控负荷终端在第采样控制周期接收到第/>采样控制周期中间层负荷聚合商下发的功率响应指令，随即执行功率调节；|/>|台终端在第/>采样控制周期内陆续触发参与频率响应。
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