需求响应参与系统频率调节研究综述

董振斌，王 文，周 珏，赵 亮，屈高强，董晓晶

（1.国网江苏省电力公司，南京 210024；2.东南大学 电气工程学院，南京 210096；3.江苏省智能电网技术与装备重点实验室，南京 210096；4.国网宁夏电力公司，银川 750002）

需求响应参与系统频率调节研究综述

董振斌1，王 文2，3，周 珏1，赵 亮4，屈高强4，董晓晶4

（1.国网江苏省电力公司，南京 210024；2.东南大学 电气工程学院，南京 210096；3.江苏省智能电网技术与装备重点实验室，南京 210096；4.国网宁夏电力公司，银川 750002）

随着我国经济的不断增长，电力供应时段性紧缺现象日益严重，尤其是电网发生故障，短时间内出现较大功率缺额，若措施不力，极易引起电网频率崩溃，对系统有功平衡造成严重影响［1］。传统电力系统中主要从电源侧入手，执行“电源调度”，即调度中心只能通过控制火电、水电及抽水蓄能等调频机组出力完成调频任务。然而伴随分布式能源装机容量大规模并网和特高压直流输电的发展，极大地增加了电网安全稳定控制的难度，常规“电源调度”的方式应该有所改变［2］。在电力市场环境下，负荷作为电力市场的不可忽略的参与者，将其引入系统频率调节中，能够从根本上解决应急状态下电力供需实时平衡问题、稳定电网频率波动。因此，研究需求响应参与系统调频问题具有重要的实际意义和价值。

电力用户参与电力系统频率调节主要方式是需求响应（demand response,DR）。需求响应是将用电负荷看作可以动态调度管理资源，通过有效的经济激励措施和价格补偿的方法引导用户用电行为［3］，综合优化配置供应侧和需求侧的资源［4］。

自20世纪90年代，美国将需求响应技术引入到电力市场中。初期美国各州开展的需求响应项目和试点大部分是针对日前调度参与系统负荷削减，提高负荷高峰期的系统稳定。直到2006年，对传统需求响应项目进行改进，促进负荷应对紧急情况下电力供需失衡有效性，提高了系统频率稳定可靠性。2013年以来，我国也陆续在北京、上海、江苏等地区开展需求响应试点，充分挖掘我国电力需求侧资源参与电网调度的潜力。其中江苏针对部分工业空调用户，首次尝试了实时通知下的需求响应项目，为国内建立需求响应参与系统调频项目起到了示范引导作用。

不同于移峰填谷，调频信号出现一般是在系统需要在极短的时间内维持系统供需平衡，负荷的选取至关重要。另外需求侧资源种类繁多，设计一种适用于所有负荷的控制策略并不可行，需要根据不同负荷类型工作特点，提出不同的控制模型及策略，并就其调频能力进行评估，才能为以后试点项目的发展建立坚实的理论基础。为全面讨论需求响应参与系统频率调节这一问题，本文从需求侧调频可行性、调频方式及能力评估3个方面着手，完成了以下工作:①分析可参与系统调频的负荷特性及需求响应类型；②概述不同类型需求响应调频的控制策略及建模方法；③介绍计及新能源接入的需求响应调频能力评估方法。

1 需求响应调频可行性

1.1 调频负荷特性

应用需求侧资源进行调频是指特定负荷在保证不影响设备运行特性的条件下,能够在一定程度下参与到系统调频中，改善系统的调频性能［6］。

需求侧资源种类众多，由于用电设备产业类型、生产行为、用电特点等因素的影响，导致不同的负荷类型的调频潜力和经济性差异较大。文献［11］—文献［13］根据不同负荷特性分析了公共机构、商业楼宇和高耗电行业3种典型电力用户的需求响应特点，结果表明不同的负荷的需求响应策略具有较大的差异。文献［7］—文献［10］已通过现场实验或示范项目证明了部分居民负荷也具有参与系统频率调节的能力。文献［16］指出电解铝负荷可实现对电网调度信号快速响应。文献［12］分析了多种工业负荷特性，建立了包含电网和2类工业负荷的多智能体系统，为不同负荷协调控制提供了思路。以上研究为需求响应参与系统频率调节的可行性提供了理论和实验支撑。

综合来看，结合理论研究和工程实践项目，目前比较理想的调频负荷如表1所示。

表1 可提供调频服务的负荷实例

1.2 适用调频的需求响应形式

电力系统机组有功出力与负荷功率之间不能做到实时平衡是导致电力系统频率波动的主要原因。通过需求响应，可以使部分负荷在短时间尺度，以秒级甚至毫秒级对电力系统的频率变化做出快速响应。

直接控制（directload control，DLC）和可中断负荷（interruptible loads，IL）响应形式可以做到及时、快速、精确的功率调节，满足系统调频要求，甚至可以实现和传统机组相似的二次调频功能［17］。文献［18］建立了可中断负荷参与的机组频率调节仿真模型，结果表明随着系统负荷需求的突然变化，可中断负荷能够快速调整出力维持有功功率平衡，能维持系统的频率稳定。文献［20］以北京地区为例提出了计及DLC的动态优化调度模型，结果表明DLC可作为快速响应的热备用，确保了系统动态优化调度的顺利进行。文献［19］、文献［21］和文献［22］得出，直接负荷控制能够较好地跟踪消纳随机性的风电出力，缓解供需平衡。

由于实时电价（real⁃time pricing,RTP）的实时波动性，与电力系统实时发、用电量直接相关，因此实时电价也可以用于系统动态调频的一种手段。目前关于实时电价下的系统调频研究主要方向是电动汽车群体参与电网调频服务。文献［24］—文献［26］分别研究了电动汽车通过V2G技术提供调频服务的调度策略。文献［23］提出了实时电价（RTP）下电动汽车变参与度动态频率控制策略，并评估了电动汽车参与系统调频服务的响应能力，结果表明该策略能够有效支撑系统的动态频率稳定，为实时电价参与电力系统频率调节提供了一种有效的新思路。

2 需求响应调频控制策略

2.1 可中断负荷参与系统调频研究

负荷可中断是指电力公司通过事先与用户签订协议，规定系统出现用电高峰，签订可中断合同的用户所属负荷在这一时段被终止供电［27］。文献［28］概括了几种典型的可中断协议，协议内容一般包括用户类型、可中断电量、中断持续时间和补偿优惠等必要内容。目前国内的可中断负荷项目主要面向于炼铁等大型工业用户［29—30］，而国外开展了大量不同形式、各具特色的可中断项目。挪威电网依据提前通知时间和中断可持续时间将需求侧资源进行分类，通过与发电机组竞价方式，实现了可中断负荷参与调频容量市场。芬兰电网通过与用户签订年度双边协议来获取参与调频备用和快速备用的需求侧资源。

目前，关于可中断负荷参与调频问题，大量的研究主要集中在将其作为备用容量［18,31—32］以及优化系统备用容量的角度［33—35］。这只是理论上讨论系统可调度容量的变化，并没有直接体现可中断负荷参与下，出现故障后系统的频率状况。而可中断负荷直接参与系统频率动态调节的方法，能够更加直观地评估调频性能。文献［18］参照发电机组的调频方式，根据调差系数求得可中断负荷中断量，并仿照自动发电量控制（automatic generation control, AGC）调节和定频率控制方式将负荷参与到系统频率调节中。文献［37］考虑电动汽车电池的充/放电特性的基础上，提出了一种电动汽车入网技术（vehicle to grid，V2G）的频率反馈动态控制模型，仿真结果表明电动汽车能够很好的抑制可再生能源功率突变带来的频率波动，缩短系统稳定时间。文献［19］采用了与低压低频减载类似的控制策略，根据频率变化量来确定切除负荷量的控制方法。

2.2 直接负荷控制参与系统调频研究

直接负荷控制是指在用户许可的条件下，调度侧借助智能终端直接控制管理用户的一部分负荷，这些负荷在短时间停电的情况下不会影响参与用户对供电服务质量的满意度，同时参与用户可获得相应的补偿［38—39］。

目前，DLC技术一般适用于控制居民用户、小型商区，最常用的DLC项目大都针对空调和热水器等用电设备的远方控制和调节［40—42］，项目对象分布广、分散性强。具体实施方式主要有直接开/断控制、占空比控制和调节温度设定值控制3种方式对用户负荷进行远程调节。

直接开/断控制一般依据控制中心指令或者检测频率控制可控负荷开关的通断。这种控制方法能够瞬间响应电网的有功功率信号，响应速度最快。而温度设定值控制是通过系统频率变化情况调节负荷的温度设定值，控制负荷从电网中吸收的功率值响应系统频率变化。由于温度与功率变化之间存在延迟，适用于对时间要求不高的调度运行场景。占空比控制是通过改变一个周期内主机运行时间所占比重来控制系统的有功功率出力，一般是根据频差大小设定可控负荷的开通时间。

国内外研究人员对DLC参与系统频率调节方式主要划分为集中式、分布式和分散式3种控制方式。集中式控制方式是在每个可控负荷和负荷控制中心建立通信通道传递控制指令，分布式控制的运行是基于负荷聚合商进行统一调度和控制，而分散式控制方法是用电设备地响应系统频差信号。采用以上3种控制方式在控制初始阶段都能快速平抑系统频率的变化，但是响应后期，由于参数相似的负荷集群的状态分布不再均匀，破坏了负荷多样性，将引起负荷反弹。针对这一问题，目前国内外主要从直接控制策略和间接控制策略2个方面解决。直接控制策略是指根据负荷反弹机理，采用恢复控制策略［40］或者改进控制策略的方式削减反弹负荷高峰。除此之外，闭环控制平抑负荷反弹也是一种改善负荷反弹状况的重要手段。间接控制策略是指不改变传统的调频策略的基础上，对反弹负荷进行状态估计或自回归预测，并将其考虑到下一阶段的负荷优化调度中。

2.3 实时电价参与系统调频研究

与其他可变电价不同，实时电价是与电力系统实时发、用电量直接相关，与电网频率一样，最能反映系统的实时特性。目前关于实时电价下的系统调频研究主要着重于电动汽车群体参与电网调频服务。这是由于一方面电价是影响电动汽车负荷用电行为最关键的因素，对电动汽车参与系统调频的积极性产生重要影响；另一方面，电动汽车负荷充放电可以看作一种移动分布式储能系统，有利于跟踪实时电价变化。所以，电动汽车特别适合基于实时电价下的电力系统动态调频。

针对电动汽车群体为电网提供调频服务，国内外学者已开展了相关研究。文献［41］—文献［43］设计了电动汽车充放电频率下垂控制策略，基于电网实时频率偏差信号修正电动汽车充/放电功率，完成调频任务。文献［44］建立了能效电厂模型，以确定电动汽车实时可调用的调频容量。但是这些研究没有充分计及实时电价因素对电动汽车参与调频的影响。文献［23］以时变的电动汽车参与度为纽带，依据实时电价和系统频差信号动态调整电动汽车对系统调频需求响应程度，为实时电价参与需求侧调频提供一种可行的思路。与可中断负荷和直接负荷控制参与调频的模型建立不同，其不仅要实时采集系统频率偏差信号，还需要实时获取电价信号，然后再计及电动汽车SOC状态，建立实时电价下电动汽车频率信号响应的模型。

3 需求响应调频能力评估方法

关于需求响应参与系统频率调节性能评估问题，近年来国内外学者主要从2方面进行了一些研究。一种是经济性角度，达到调频偏差最小化和调频收益最大化2个目标。文献［41］提出了DLC策略需要兼顾用户和负荷聚合商的利益，以最小化空调负荷实际削减量与调度计划间的偏差、最大化负荷聚合商的利润为目标

式中:e(x ,k)为x时刻负荷聚合商的需求响应资源供应量与调度计划的偏差；D(x ,k)为电力缺口；Si(x)表示第i台空调在x时刻的状态变量；F1(k)为负荷聚合商所获得的收益；F2(k)为负荷聚合商支付参与给直接负荷控制项目用户的补偿费用。

与此相似，文献［15］也提出了基于电动汽车参与调频服务收益最大化和汽车参与调频容量尽可能满足调频信号2个方面建立电动汽车参与电网调频调度的优化目标。

但从经济性角度无法直观反映出计及需求侧调频后系统频率变化情况。鉴于这一问题，文献［18］、文献［19］分别采用了类低压低频减载和类发电机组的调频策略建立可中断负荷频率响应仿真模型，并研究了需求响应对大规模风电接入下的频率动态调节作用，以评估该频率控制策略的有效性。文献［23］、文献［37］和文献［40］提出了包含电动汽车及热水器参与的区域频率动态模型，通过仿真分析了新能源出力骤减后系统频率情况。采用计及需求响应频率响应模型更能直观分析频率波动情况，其主要包含2个步骤:一是分别对火电机组、分布式能源分别建立频率响应模型；二是依据采用的需求侧控制策略，建立需求侧对频率的响应模型，并将其加入系统频率响应模型中。最后分别研究负荷发生突然变化时或者新能源出力大幅度波动时需求响应的频率调节能力，其主要的响应模型如图1所示。

图1 计及需求响应的系统频率响应模型

4 结论与展望

随着电力市场体制越来越完善，用户侧将对维持电力系统稳定运行起到越来越重要的作用。通过加强需求侧管理，挖掘需求响应的调频潜力，对保障我国电力系统的安全、稳定、经济运行有着重要的作用。

本文从需求侧调频可行性、调频策略及调频能力评估3个方向为出发点，对需求响应参与系统频率调节的研究进行综述。

（1）可中断负荷、直接负荷控制可以做到及时、快速、精确的功率调节，相比其他需求响应形式，更适用于系统调频。另外，由于实时电价的实时特性，其也可以用于系统动态调频的一种手段。

（2）由于用电设备产业类型、生产行为、用电特点等因素的影响，不同的负荷类型的调频潜力和经济性差异较大。根据理论和实验依据，目前比较理想的调频负荷是具有储能特性、可控性强且响应速度快的可控负荷。

（3）通过在系统频率响应模型中加入需求侧对频率的响应模块，建立计及需求响应的系统频率响应仿真模型是最能反映需求响应调频能力的一种评估方法。

随着电力市场改革的深入，需求侧响应将成为电力市场研究领域最重要的内容之一。目前国内开展关于需求侧资源为电网提供调频服务的项目数量较少且形式单一。因此，在健全电力市场化基础上，积极推广国内试点项目，丰富调频形式是调动我国需求响应调频潜力的重要工作。D

［1］ 樊艳芳，钟显，常喜强，等.频率的时空分布对低频减载的影响研究［J］.电力系统保护与控制，2015（1）：55-60.

［2］ Banakar H,Luo Changling,OoiB T.Impacts ofwind power minute⁃to⁃minute variations on power system operation［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2008,23（1）：150-160.

［3］ Kirschen D S.Demand⁃side view of electricity markets［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2003,18（2）：520-527.

［4］ Hobbs B F,Rouse H B,Hoog D T.Measuring the economic value of demand⁃side and supply resources in integrated resource planning models［J］.Power Systems IEEE Transactions on,1993,8（3）：979-987.

［5］ 陈大宇，张粒子.美国电力需求侧调频实践及其对我国的启示［J］.现代电力，2015，32（5）：21-26.

［6］ Kiliccote S,Sporborg P,Sheikh I,etal.Integratingrenewable resources in California and the role of automated demand response［EB/OL］.（2012-04-22）［2016-06-02］.https：//www. researchgate.net/publication/267386167_LBNL_4189E_ Integrating_Renewable_Resources_in_California_and_the_ Role_of_Automated_Demand_Response

［7］ Kiliccote S.Field testing of automated demand response for integration of renewable resources in california's ancillary services market for regulation products［D］. USA：Lawrence Berkeley National Laboratory,2013.

［8］ Rubinstein F,Xiaolei L,Watson D S.Using dimmable lighting for regulation capacity and non-spinning reserves in the ancillary services market.A Feasibility Study［J］.Lawrence Berkeley National Laboratory,2010, 167（3）：580-588.

［9］ Ganti V,Ghatikar G.Smart Grid as a Driver for Energy-Intensive Industries：A Data Center Case Study［C］//USA：Grid-Interop Conference.2012.

［10］ Han JQ,Piette M A.Solutions for Summer Electric Power Shortages：Demand Response and Its Applications in Air Conditioning and Refrigerating Systems［J］.Refrigeration Air Conditioning&Electric Power Machinery,2008,29（1）:1—4.

［11］ 都亮，刘俊勇，田立峰，等.电力市场环境下秒级可中断负荷研究［J］.中国电机工程学报，2008，28（16）：90-95.

［12］ 姚明涛，胡兆光，张宁，等.工业负荷提供辅助服务的多智能体响应模拟［J］.中国电机工程学报，2014，34（25）：4 219-4 226.

［13］ Lin Y,Barooah P,Meyn S,etal.ExperimentalEvaluation of Frequency Regulation From Commercial Building HVAC Systems［J］.IEEE Transactions on Smart Grid, 2015,6（2）：776-783.

［14］ Shahgoshtasbi D,Jamshidi M.Energy efficiency in a smarthouse with an intelligentneuro-fuzzy lookup table［C］//International Conference on System of Systems Engineering.USA：IEEE,2011：288-292.

［15］ 连莲.基于行驶需求的电动汽车参与电网调频调度方法研究［D］.成都:电子科技大学，2015.

［16］ Starke MR.Providing reliability services through demand response：Aprelimnary evaluation ofthe demand response capabilities of Alcoa Inc［M］.USA：Office of Scientific& Technical Information Technical Reports,2009.

［17］ 高赐威，梁甜甜，李扬.自动需求响应的理论与实践综述［J］.电网技术，2014，38（2）：352-359.

［18］ 刘文许，林礼清，温步瀛.可中断负荷参与系统频率调节的研究［J］.电力与电工，2008，28（3）:21-24,27.

［19］ 包宇庆，李扬，王春宁，等.需求响应参与大规模风电接入下的电力系统频率调节研究［J］.电力系统保护与控制，2015（4）：32-37.

［20］ 曹世光，李卫东，柳焯，等.计及直接负荷控制的动态优化调度模型［J］.中国电机工程学报，1998（3）：160-162.

［21］ 艾欣，赵阅群，周树鹏.适应清洁能源消纳的配电网直接负荷控制模型与仿真［J］.中国电机工程学报，2014，34（25）：4 234-4 243.

［22］ Ruiz N,Cobelo I,Oyarzabal J.A direct load control model for virtual power plant management［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2009,24（2）：959-966.

［23］ 孟健，葛贤军，陈乃仕，等.实时电价下电动汽车变参与度动态频率控制策略［J］.电力建设，2015，36（7）: 153-159.

［24］ Shimizu K,Masuta T,Ota Y,etal.Load frequency control in powersystemusing Vehicle-to-Grid systemconsidering the customer convenience of Electric Vehicles［C］// International Conference on Power System Technology, 2010：1-8.

［25］ Lin J,Leung KC,LiVOK.Online scheduling forvehicleto-grid regulation service［C］//IEEE International Conference on SmartGrid Communications.2013：43-48.

［26］ Yang H,Chung C Y,Zhao J.Application of plug-In electric vehicles to frequency regulation based on distributed signal acquisition via limited communication［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2013,28（2）：1 017-1 026.

［27］ 王建学，王锡凡，张显，等.电力市场和过渡期电力系统可中断负荷管理（二）——可中断负荷运营［J］.电力自动化设备，2004，24（6）：1-5.

［28］ Le A T,Bhattacharya K.Competitive framework for procurement of interruptible load services［J］.Power Systems IEEE Transactions on,2003,18（2）：889-897.

［29］ Wang J,Bloyd C N,Hu Z,etal.Demand response in China［J］.Energy,2010,35（4）：1 592-1 597.

［30］ 裴志刚.建立可中断负荷激励机制缓解用电高峰期电力紧张［J］.浙江电力，2011，30（12）：12-15.

［31］ Swan S.Interruptible load：new partnerships for better energy management［C］//Power Engineering Conference, 2005：888-892.

［32］ Huang S H,Gonzalez-Perez C,Dumas J,et al.Grid Security through Load Reduction in the ERCOT Market［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,2007, 45（2）：1 082-1 086.

［33］ Zakariazadeh A,Alinezhad L,Jadid S.Optimum simultaneous clearing of energy and spinning reserve markets with high penetration ofwind power［C］//Power and Energy Engineering Conference.2010：1-4.

［34］ 吴集光，刘俊勇，牛怀平，等.电力市场环境下最优备用容量的确定［J］.电力系统自动化，2005，29（15）：14-17，26

［35］ Le A T,Bhattacharya K.Competitive framework for procurement of interruptible load services［J］.Power Systems IEEE Transactions on,2003,18（2）：889-897.

［36］ 刘萌，褚晓东，张文，等.基于多样性保持的空调负荷群调度控制策略［J］.中国电机工程学报，2014，34（22）：3 674-3 682.

［37］ 何晨颖，耿天翔，许晓慧，等.利用电动汽车可调度容量辅助电网调频研究［J］.电力系统保护与控制，2015，43（22）：134-140.

［38］ Le K D,Boyle R F,Hunter,M.D,etal.A procedure for coordinating direct⁃load⁃control strategies to minimize system production costs［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus&Systems,1983,PAS-102（6）：1 843-1 849.

［39］ Bhatnagar R,Rahman S.Dispatch of direct load control for fuel cost minimization［J］.IEEE Transactions on Power Systems,1986,1（4）：96-102.

［40］ Molina⁃García A,Bouffard F,Kirschen DS.Decentralized demand⁃side contribution to primary frequency control［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2011,26（1）：411-419.

［41］ Black J W,Ilic M.Demand⁃based frequency control for distributed generation［C］//Power Engineering Society Summer Meeting.2002：427-432.

［42］ Mercier P,Cherkaoui R,Oudalov A.Optimizing a battery energy storage system forfrequency controlapplication in an isolated power system［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2009,24（3）：1 469-1 477.

［43］ 刘辉，魏岩岩，汪旎，等.电动汽车入网一次调频控制策略研究［J］.电力系统保护与控制，2015（23）：90-95.

［44］ Wang M,Yunfei M U,Jia H,etal.A preventive control strategy for static voltage stability based on an efficient power plant model of electric vehicles［J］.Journal of Modern Power Systems&Clean Energy,2015,3（1）：103-113.

Review on demand response participating in powersystem frequency regulation

DONG Zhen⁃bin1,WANG Wen2，3,ZHOU Jue1,ZHAO Liang4,QU Gao⁃qiang4,DONG Xiao⁃jing4
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China；2.SchoolofElectricalEngineering, SoutheastUniversity,Nanjing 210096,China；3.Jiangsu ProvincialKey Laboratory ofSmart Grid Technology&Equipment,SoutheastUniversity,Nanjing 210096,China；4.State Grid Ningxia Electric Power Company,Yinchuan 750002,China）

随着大规模分布式能源接入电网，电力系统的频率问题日益突出，需求响应可提供解决这一问题的方法。以需求侧调频可行性、调频方式及能力评估为出发点，对需求响应参与系统调频研究进行综述。首先对可参与系统调频的负荷特性及需求响应类型进行分析，进而概述不同类型需求响应调频的控制策略及建模方法，再介绍计及新能源接入的需求响应调频能力评估方法，最后结合我国电力系统的发展要求，提出了需求侧调频的推广建议。

需求响应；调频调节；负荷特性；评估方法

With large⁃scale distributed energy integration,the frequency of the power system is more outstanding,and demand re⁃sponse can provide solutions to this problem.Based on the demand side for evaluating the feasibility offrequency modulation,frequency modulation method as a starting point,on the demand side response in system FM research were summarized.First of all,it may take partin the load characteristic ofthe system frequency，and types of demand response are analyzed,which provide an overview ofdiffer⁃ent types of demand response frequency modulation control strategy and modeling method.The paper introduces the demand of the new energy access response FM capability assessment method,finally combining the development of electric power system in China,it puts forward the demand side ofFM promotion proposal.

demand response;frequency regulation;load characteristic;evaluation method

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.004

TM712

B

2017-05-31；

2017-06-02

国家电网公司科技项目资助（SGNXJY00GH JS1600003）

董振斌（1967），男，江苏淮安人，硕士，高级工程师，研究方向为电力工程和电力需求侧管理；王文（1991），女，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与稳定、电力需求侧管理；周珏（1972），男，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，研究方向为电力市场、电力营销、电力需求侧管理和能效服务。