基于动态下垂控制的温控负荷一次调频控制策略

利用温控负荷(thermostatically controlled load,TCL)作为调频资源参与电网调频是应对高比例可再生能源发电并网导致电力系统维持频率稳定能力下降的有效手段。文中提出一种基于动态下垂控制的TCL一次调频控制策略,考虑聚合商TCL平均温度状态(state of temperature,SOT)、调频容量和系统频率变化率,构建动态下垂控制模型,实时调整下垂控制系数,改变TCL聚合商调频参与度。当向上调频时,锁定关状态TCL;当向下调频时,锁定开状态TCL,确保频率快速恢复至额定值附近。同时,为确保用户的舒适度,利用TCL的SOT优先级排序列表派遣法,确定TCL参与调频顺序。在Matlab/Simulink平台上进行仿真分析,仿真结果验证了文中所提策略在确保用户舒适度、改善频率质量等方面的有效性。

Three-stage day-ahead scheduling strategy for regional thermostatically controlled load aggregators

Thermostatically controlled loads(TCLs)are regarded as having potential to participate in power grid regulation.This paper proposes a scheduling strategy with three-stage optimization for regional aggregators jointly participating in day-ahead scheduling to support demand response.The first stage is on the profit of aggregators and peak load of the grid.The line loss and voltage deviation of regulation are considered to ensure stable operation of the power grid at the second stage,which guarantees the fairness of the regulation and the comfort of users.A single tempera-ture adjustment strategy is used to control TCLs to maximize the response potential in the third stage.Finally,digital simulation based on the IEEE 33-bus distribution network system proves that the proposed three-stage scheduling strategy can keep the voltage deviation within±5%in different situations.In addition,the Gini coefficient of distribu-tion increases by 20%and the predicted percentage of dissatisfied is 48%lower than those without distribution.

考虑温控负荷聚合调控的新能源-储能联合规划

新能源合理配置储能对促进新能源消纳、实现减排脱碳具有重要意义。本工作考虑温控负荷聚合调控,围绕电网的低碳减排和承载能力提升,提出新能源-储能联合规划方法。首先,计及等效热容、等效热阻等热力参数建立温控负荷聚合模型,并进一步分析温控负荷与储能协同运行对配电网承载能力的影响。然后,将表征配网承载力的潮流分布均衡指标和表征配网碳足迹的碳排放指标作为目标函数,嵌入经济利润机会约束,构建双层规划模型,外层为选址问题,内层为定容问题。随后,对模型进行二阶锥松弛后,采用麻雀搜索算法+凸优化求解器的混合算法进行高效求解。最后,算例表明储能和温控负荷的协同运行有利于配网潮流时空均匀分布,提高了新能源渗透率并降低了系统的碳排放。

Day-ahead scheduling of large numbers of thermostatically controlled loads based on equivalent energy storage model

Due to their heat/cool storage characteristics, thermostatically controlled loads(TCLs) play an important role in demand response programmers. However, the modeling of the heat/cool storage characteristic of large numbers of TCLs is not simple. In this paper, the heat exchange power is adopted to calculate the power instead of the average power, and the relationship between the heat exchange power and energy storage is considered to develop an equivalent storage model, based on which the time-varying power constraints and the energy storage constraints are developed to establish the overall day-ahead schedulingmodel. Finally, the proposed scheduling method is verified using the simulation results of a six-bus system.

Unified Control Strategy of Heterogeneous Thermostatically Controlled Loads with Market-based Mechanism

This paper studies the coordination of heterogeneous thermostatically controlled loads(TCLs)to provide the real-time ancillary services.A market-based control framework is adopted for its advantages.The first advantage is that the demand curve-oriented approach makes it possible to form a unified control scheme for heterogeneous loads without identifying their different characteristics.The second one is that the broadcast price signal helps simplify the downlink control and reduce the implementation cost.Then,the separate demand curve construction strategies based on a virtual price for different types of TCLs are presented.The flexibility of each TCL is reflected through the curve,and its practical constraints,i.e.,comfort requirements of users and operation constraints of devices,are satisfied explicitly.To ensure the control fairness and full utilization for the regulation ability of TCL cluster,a comfort-levelequality principle is applied in demand curve construction.Simulations are carried out to verify the effectiveness of the proposed method in providing frequency regulation services,for which a regulation capacity estimation method is developed.Finally,a series of case studies are conducted considering the practical situations,e.g.,model errors,imperfect communication and sudden load change after the end of services.

Review of modeling and control strategy of thermostatically controlled loads for virtual energy storage system

The increasing penetration of renewable energy sources (RESs) brings more power generation fluctuations into power systems, which puts forward higher requirement on the regulation capacities for maintaining the power balance between supply and demand. In addition to traditional generators for providing regulation capacities, the progressed information and communication technologies enable an alternative method by controlling flexible loads, especially thermostatically controlled loads (TCLs) for regulation services. This paper investigates the modeling and control strategies of aggregated TCLs as the virtual energy storage system (VESS) for demand response. First, TCLs are modeled as VESSs and compared with the traditional energy storage system (ESS) to analyze their characteristic differences. Then, the control strategies of VESS are investigated in microgrid and main grid aspects, respectively. It shows that VESS control strategies can play important roles in frequency regulation and voltage regulation for power systems’ stability. Finally, future research directions of VESS are prospected, including the schedulable potential evaluation, modeling of TCLs, hierarchical control strategies of VESS considering ESSs and RESs and reliability and fast response in frequency control for VESS.

基于数据驱动的聚合空调特性建模及控制策略

随着越来越多的可控负荷接入电网,空调负荷(air conditioning loads,ACLs)由于其响应速度快、调节潜力大、具有蓄冷储热等特征可作为柔性负荷参与平抑可再生能源引起的波动。在实际对ACLs进行聚合的过程中,室外温度、ACLs的温度和ACLs的数量等外部条件的变化会对聚合模型造成一定的影响。但现有大多数对ACLs的控制方法未考虑聚合ACLs外部特性模型(aggregate ACLs′external model,AAEM)的时变特征。文中提出一种基于数据驱动的AAEM及相应的负荷跟踪控制策略,考虑到基于ACLs热力学特性的ACLs的成本函数,采用神经网络对时变聚合ACLs的AAEM进行快速计算,降低AAEM的计算复杂程度。基于数据驱动的AAEM负荷跟踪控制策略有效减少了ACLs的开关状态切换次数及其调用总成本。基于实际用户的仿真结果验证了该方法的有效性。

计及离散控制偏差的典型温控负荷态势感知及调控策略

针对温控负荷离散化控制模式导致的临界温度效应累计偏差,提出一种计及离散控制偏差的温控负荷集群调控策略。通过引入修正因子改进负荷可消纳能力评估模型,并以热水器群为主要研究对象,将用户用水行为引入统一负荷模型,提升模型与实际环境的拟合性;提出负荷态势计算指标,基于其实时状态,以温度裕度、时间裕度和容量裕度为子指标进行综合,实现对于负荷调控能力的评价。仿真结果证明：综合考虑用户用能需求情况下,引入修正因子和用户行为分析的感知调控策略,可实现精准负荷调控,降低负荷资源储备需求。

平抑新能源功率波动的聚合温控负荷改进模型预测控制

利用需求侧聚合温控负荷(ATCLs)提供负荷跟踪辅助服务以平抑新能源功率波动是一种经济、有效的方法,但对ATCLs的控制可能会影响用户的舒适度。为此,提出一种考虑用户舒适度的ATCLs平衡新能源功率波动控制方法。首先,采用人体热舒适性评价指标预测平均投票和预测不满意度得到夏季室内舒适温度范围,结合实验方法进一步确定2次调节间最大温度波动范围;然后,利用ATCLs双线性模型,将舒适温度范围和最大温度波动范围作为约束条件,提出一种基于Lyapunov函数的改进模型预测控制(MPC)方法,该方法减少了传统MPC的计算量并缩短了其执行延时,Lyapunov直接法保证了控制的收敛性,且分布式控制的引入降低了对通信系统的要求。仿真结果表明,所提方法在兼顾用户舒适度的前提下,快速平衡供用电之间的功率偏差,提高了电力系统对间歇式新能源的消纳能力。

基于反推控制的聚合温控负荷与发电机励磁协调控制

利用具有储能特性的温控负荷与发电机励磁进行协调控制,可实现电力系统的功角、频率和电压的多指标调控。首先,采用双线性聚合温控负荷模型和发电机励磁模型,推导建立了二者联合的系统数学模型。然后,基于反推控制原理,提出了聚合温控负荷与发电机励磁的协调控制策略,并从理论上证明了控制器的稳定性。针对控制器设计中的微分'计算爆炸'问题,利用双曲正切的非线性微分跟踪器设计了励磁电压参考量的微分估计算法,降低了参考量微分计算的工作量。最后,通过算例对控制算法进行了仿真验证。结果表明,在协调控制器的作用下,系统功角、频率和电压等多个被控量均可快速地追踪上各自的参考值。对比传统电力系统稳定器励磁控制,温控负荷参与调控能有效改善系统各状态量的动态响应,提高系统稳定性。

计及用户舒适性与公平性的热泵负荷集群控制策略

温控负荷作为一种需求侧典型柔性负荷,具有应用规模大、可调节性强等特点,可通过集中控制辅助实现新能源消纳。以典型温控负荷电热泵作为调控对象,提出了一种计及用户舒适性与公平性的负荷调控策略。该策略考虑温控负荷温度变化对用户舒适度的影响,以平均舒适度与最佳舒适度偏差量最小为目标,建立数学模型并利用自适应粒子群优化算法求取最佳任务分配量;同时计及热泵参与响应的公平性,在负荷集群控制环节引入控制频次约束对调控策略进行修正,以解决单个热泵控制频率过高的问题。通过仿真验证所提调控策略可减少负荷平均舒适度与最佳舒适度偏差量,并有效避免了负荷调控频次过多的现象,提升了温控负荷参与调控过程中的用户体验。

平抑新能源功率波动的集群温控负荷建模及控制

针对新能源输出功率的不确定,提出一种采用集群温控负荷平抑新能源功率波动的新思路。基于温控负荷聚合的双线性时间连续模型,推导构建了面向控制的集群温控负荷聚合功率离散模型,利用模型分解的带遗忘因子递推最小二乘法设计了该离散模型的参数辨识方法;鉴于离散模型的非线性特征,根据辨识所得的模型参数,利用反推控制原理设计了一种利用集群温控负荷跟踪间歇式电源功率波动的控制方法。仿真结果证明了所提方法的有效性。

基于需求响应的集群温控负荷建模及参与低频减载策略研究

随着电力系统的广泛互联,低频减载技术作为保障电力系统稳定性的重要手段,具有十分重要的意义。温控负荷以其快速的响应速率和相对较宽的调控区间,逐渐成为基于需求响应的重要减载资源,相较于其他典型家居温控负荷如电空调等,家用电热水器具有更宽的温度调节空间且为纯阻性电负荷,因此成为低频减载研究的重点。文中构建了一种由电热水器负荷组成的集群温控负荷模型,同时考虑锁定约束,提出了新型序列化控制策略,以电热水器为调频减载资源,为电力系统频率恢复控制提供辅助服务。首先讨论了电热水器的热力学动态特性,基于电–热耦合关系,建立集群温控负荷模型。然后,设计并建立了需求响应策略架构,包括:1)削减功率计算;2)顶层目标分配;3)设备级指令下达。最后,通过算例评估了预测精度、锁定约束等对调频效果的影响。结果表明:基于文中模型和策略,电热水器负荷构成的集群温控负荷具有较好的频率调节能力特性。

温控负荷提供电力系统辅助服务的关键技术综述

温控负荷能够向电力系统提供多种辅助服务,在提高系统稳定运行能力的同时减少碳排放量,因而已成为国内外研究的关注热点。文中结合国内外研究成果,从参与机制、聚合模型、响应特性、终端层控制方法及架构、电网层控制策略5个方面对温控负荷提供电力系统辅助服务的关键技术进行综述。温控负荷的响应特性和终端层控制方法是构建和落实温控负荷多种控制策略的基础。文中以响应潜力、响应速度以及调控时间尺度为视角对温控负荷的响应特性进行分析,着重从控制与优化的角度对电网调度中的温控负荷控制策略进行分类与介绍。最后,结合“双碳”发展目标对温控负荷进一步的研究方向进行了展望。

投切型温控负荷一次调频策略及电网侧聚合建模

温控负荷是一种总体容量巨大的可调资源,参与需求侧响应可有效解决高比例新能源电力系统中一次调频资源短缺的问题。温控负荷具有数量多分布广的特点,同时投切型负荷还具有不可反复改变工作状态的特征。该文针对以上特征提出一种投切型温控负荷参与一次调频的分散式控制策略。该策略在保证用户舒适度的前提下有效提高了电网一次调频能力,不仅频率可以平滑恢复,负荷的调用时间与机会也尽量相同。针对电网一次调频分析的需求,提出对应的调频聚合模型,准确描述海量投切型温控负荷整体响应特性的同时减少了电网计算负担。仿真结果验证了控制策略以及聚合建模方法的有效性。

计及反弹效应的温控负荷有序削峰策略

近年来,高峰用电负荷逐年增长,峰谷差进一步拉大,给电网运行带来了很大的压力。因此,以电热水器和空调两种温控负荷作为受控对象,考虑负荷调控过程中出现的反弹效应,基于全时段和分时段两类控制策略,提出了一种负荷调度的线性规划数学模型,从而最大程度上实现负荷峰值的有序削减。通过对南京市夏季典型日负荷的调控,分析了不同条件下的峰值削减情况,验证了此模型的有效性。

温控负荷群Fokker-Planck方程聚合模型的数值拉普拉斯反变换求解方法

作为典型的具有热存储特性负荷,温控负荷具有参与电力系统有功调度与控制的潜能。为了便于分析和控制,提出了一种温控负荷群Fokker-Planck方程聚合模型的数值拉普拉斯反变换求解方法。分别介绍了温控负荷的单个个体的物理模型和Fokker-Planck方程聚合模型,在此基础上,采用数值拉普拉斯反变换法对Fokker-Planck方程聚合模型进行求解。通过算例仿真验证了温控负荷群Fokker-Planck方程聚合模型的数值拉普拉斯反变换解的有效性。对温控负荷进行分散式控制,根据频率调整设定温度,改变其功率需求。把用数值拉普拉斯反变换求解后的温控负荷聚合模型结合到电力系统频率控制模型中,进行频率响应分析。通过对3机9节点系统仿真,验证了该模型结合到电力系统频率仿真模型中控制效果的有效性。

一种温控负荷模型参数优化方法及聚合能力评估

目前,我国北方地区正在大规模推广风电清洁供暖技术,利用电采暖技术提高电网调节能力至关重要。但因受多种因素影响,电采暖系统建模后相关参数确定较为困难,针对这一问题在长春市某小区采暖季进行实验,基于实测数据,采用简化一阶热力学参数(equivalent thermal parameter,ETP)模型近似描述单个可控负荷(thermostatically controlled loads,TCL)的工作特性,通过改进粒子群优化算法对模型中参数优化,并结合线性回归方程对其误差进行修正,在此基础上,建立电采暖设备负荷聚合模型。最后评估电采暖设备群的负荷聚合功率并对其影响因素做了仿真实验。实验结果表明,经优化后的热力学参数能够近似模拟居民室内温度动态变化,证明所提优化算法确定热力学模型参数的有效性。

电动汽车与温控负荷虚拟电厂协同优化控制策略

电动汽车和温控负荷以其快速的功率调节能力,成为参与需求侧响应的灵活资源,能够为电网提供调峰调频等辅助服务。首先,分析了电动汽车和温控负荷虚拟电厂建模所需数据,建立了单体入网可控负荷的精细化模型。在此基础上分析上述两种可控负荷在入网和用能过程中的响应特性,并结合两种可控负荷的接入状态,提出了电动汽车和温控负荷虚拟电厂模型来分析虚拟电厂响应能力的时间分布特性。然后,设计了两类虚拟电厂协同优化控制的实现框架,以经济调控成本最低为目标构建了协同优化控制模型,提出考虑温控负荷用能舒适度和电动汽车接入状态变化的序列排序控制策略。最后,通过典型算例验证了协同优化控制策略的有效性。

适应清洁能源消纳的配电网直接负荷控制模型与仿真

研究配电网中直接负荷控制技术及其改变集中式热力学可控负荷的温度设定点来控制负荷功率的方法。建立以双耦合偏微分方程组为基础的热力学可控负荷传输动态模型,通过有限差分近似为面向控制的有限维状态空间模型。提出适应出力不确定性的清洁能源滑模变结构功率跟踪控制策略,利用李亚普诺夫稳定理论验证其收敛性。在小型配电网中,对1 000个制冷空调负荷进行仿真,功率跟踪误差分析结果表明所提方法能有效跟踪风电功率消纳目标,温度设定点控制分析结果表明所提方法的用户可接受百分比达到90%以上。该方法可为需求侧响应负荷在清洁能源消纳的应用提供新的技术途径。