计及配电网用户舒适约束的需求侧响应方法

纪 涛, 徐国华, 吴宇红, 刘 姣, 杨 强

(1.囯网浙江德清县供电公司, 浙江 湖州 313200; 2.国网湖州供电公司, 浙江 湖州 313200; 3.浙江大学, 浙江 杭州 310027)

近年来,可再生能源发电方式由于其可再生性和环境友好性逐渐成为了研究的重点,也成为了我国能源供给方式转型的必然路径。然而,将可再生能源引入配电网仍存在一系列的技术挑战,如可再生能源的功率输出间歇性,会导致配电网功率波动和电能质量裂化等问题。需求响应作为一种电能管理技术,能够有效地抑制配电网馈线的功率波动问题。通常,需求响应是指当电力批发市场价格升高或系统可靠性受到威胁时,电力用户接收到供电方发出的诱导性减少负荷的直接补偿通知或电力价格上升的信号后,改变其固有的习惯用电模式,减少或推移某时段的用电负荷,从而保障电网稳定,抑制电价上升的短期行为。它是对用户用电模式进行调整,或是对用户用电负荷进行管理的一种智能用电调控技术,分为基于电价和基于激励两种方式。其中,基于激励主要是指电网侧调度中心、营销系统以及节能服务公司相互合作,通过制定确定性的或者随时间变化的能源合同政策,来激励用户在系统正常运行调度过程中改变负荷消耗,或在紧急情况下削减负荷,从而实现系统运行优化的目的。直接负荷控制(Direct Load Control,DLC)方法是一种重要的激励型需求响应(Demand Response,DR)技术[1-2]。通过给予用户一定的激励补偿措施,然后基于高级通信、量测系统以及智能控制终端设备,对用户用电设备进行关闭或开启等操作。

近期发展的DLC算法,如状态队列(State-Queueing,SQ)控制算法[1-3]、基于Fokker-Planck 方程的辨识控制算法[4]、基于离散积分的数值算法等[5],已逐渐考虑到用户侧的舒适约束影响。文献[6]提出了一种基于用户舒适约束的能效(虚拟)电厂模型,讨论了系统保持静态电压稳定的切负荷措施。文献[7-8]进一步探讨了旋转备用容量优化、配电侧新能源集成等技术实现的可能性。

1 温控负荷基本工作原理

恒温控制设备(Thermostatically Controlled Appliances,TCA)负荷包含建筑采暖、通风和空调(Heating,Ventilation and Air Conditioning,HVAC)、电热水器、冰箱等。在这些恒温负荷中,HVAC已逐渐成为需求侧响应调节的热点[9]。这些恒温负荷的工作原理是一样的。本文以电热泵为例,简要介绍恒温负荷的工作原理。

图1给出了电热泵的基本动态过程和简化热力学模型。图1(a)中,上升曲线代表此时的电热泵处于开启状态,因此温度随时间的延伸而上升;下降曲线代表此时的电热泵已经关闭,处于冷却状态。当电热泵加热运行到温度上限值toff时,会由开启状态转为关闭状态;当电热泵冷却到温度下限值ton时,会由关闭状态转为开启状态。冷却系统的情况与电热泵刚好相反[1]。

其中,各参数定义如下:toff为温度上限值;ton为温度下限值;tao为起始温度值;ts为设定值;τon为开启的时间;τoff为关闭的时间;2δ为温度调节范围;Ca为空气热容量,J/℃;Cm为比热容,J/℃;Q为等值热比率,W;kUA为备用热损失系数,W/℃;R1为1/kUA;R2为1/kUAmass;to为室外环境温度,℃;ti为室内空气温度,℃;tm为质量空气温度,℃。

文献[9]对电热泵热力学方程进行了简化,得到了适用于工程分析的简化一阶微分方程。本文亦采用该简化模型。当电热泵关断时,有

(1)

式中:θroom——电热泵调节的室内温度,℃;

t——仿真时刻;

Δt——仿真步长,本文取1 min;

θout——室外温度,℃;

R——等值热电阻,℃/W;

C——等值热电容,J/℃。

当电热泵开启时,有

(2)

图1 电热泵的基本动态过程和简化势力学模型

2 考虑用户舒适约束的价格优化响应

文献[1]提出了状态队列模型可以实现对价格的响应。假设系统N个功率均为P的HVAC单元均匀分布在各个状态。周期为τ,开启时间为τon,关闭时间为τoff。将周期等分为20个时间间隔相等的状态,其中包含5个有明显区别的开启状态和15个有明显区别的关闭状态。

恒温负荷消耗的功率是所有处于开启状态的功率和。期望负荷功率E为

(3)

式中:PL——负荷功率;

Non——开启单元的数量;

P——单元功率需求;

non——开启状态的数量;

n——状态的数量;

N——单元的数量。

考虑设备的使用寿命等实际因素,有必要在状态队列和响应控制中加入分组策略。本文在文献[9]提出的用户舒适约束的基础上,优化了状态队列模型对市场电价的响应,如图2所示。

图2 状态队列模型示意

整个周期有20个状态,左侧状态1～5表示处于开启状态,右侧状态6～20表示处于关闭状态。运行的规律是:下一时刻,状态1运行到状态2的位置,状态2运行到状态3的位置,以此类

2.1 一般情况

恒温控制设备的状态如图3所示,每个周期有5个开启状态和15个冷却状态。当运行到温度上限toff时,开启状态就会进入冷却状态;当冷却到温度下限ton时,就会进入开启状态,如此循环运行。表1给出了前10个时间段的HVAC单元的状态分布,每个时刻内恒定开启5个状态。

图3 恒温控制设备的状态表1 HVAC单元状态分布

时段状态1234567891011121314151617181920123456789101112131415161718192012345678910111213141516171819201234567891011121314151617181920123456789101112131415161718192012345678910111213141516171819201234567891011121314151617181920123456789101112131415161718192012345678910111213141516171819201234567891011121314151617181920123456789101112131415161718192012345678910注:阴影部分为开启状态。

2.2 电价上升/下降的情况

图4 TCA的状态变化

3 两种响应方法的对比

3.1 负荷多样性

根据文献[1],负荷多样性kd可以定义为

(4)

式中:Di——负荷i的最大需求;

Dg——n个负荷的协同最大需求。

kd的取值范围满足kd∈[1,+∞)。假设负荷由N个单元组成,且周期τ包含开启时间τon和关闭时间τoff,由此可以得到

(5)

文献[1]提出的状态队列模型在最开始的状态下负荷多样性为4,当响应价格发生变化后,每个时段里的TCA个数也随之变化,由此得到负荷多样性曲线如图5所示。由图5可以看出,当响应价格上升时,每个时段内的状态个数由之前均等的5个出现了比较大的改变,每个时段里面的开启状态由0到9不等;当响应价格下降以后,每个时段内的开启状态个数由0到17不等,而且个数差异很大,曲线较陡。

从图5可以看出,当状态队列模型响应市场价格发生变化以后,负荷多样性也有不同的改变。当每个时段内的开启状态个数不同时,整个TCA在各个时段内消耗的功率也不相等。也就是说,整个系统的运行并不稳定,在后续响应电价变化时就会出现较大的波动。如果在下次响应之前,通过改变负荷多样性来实现对状态队列模型的恢复,就需要用更复杂的控制算法来控制各个单元的变化;如果在下次响应之前不改变负荷多样性的话,经历过多次响应后,状态队列模型就会发生畸变,尤其是当响应价格降低后的负荷多样性变化特别大。这是文献[1]提出的状态队列法最显著的缺点。

图5 价格发生变化后开启的状态数目

与以上响应方法相比,本文提出的方法能够使负荷多样性保持为恒定值,以此来增加系统下一次调节的有效性。因此,调节完毕后状态数目不会出现较大的波动,在第2次调节之前不需要对每个时段内的状态数目进行修正。

3.2 用户舒适约束

本文通过定义温度上下限变化率k来体现用户舒适度。其公式如下

(6)

式中:t+——变化前的关闭温度;

t+′——变化前的开启温度;

t-——变化后的关闭温度。

图6 k=19/16时的响应过程示意

在图6(a)中,右指向箭头代表由开启状态转为关闭状态的响应过程,其中状态1处于不可控区域,是刚开启的状态,但在响应过程中转为了关闭状态。这样频繁地转换状态违背了用户舒适约束,会缩短设备的寿命。在图6(b)中左指向箭头代表开启状态转为合并后状态的响应过程,阴影方块代表合并后的状态。其中状态6处于不可控区域,是刚关闭的状态,但是在响应过程中转为了开启状态。

3.3 响应过程

当价格上升或下降时,状态队列模型会对价格进行响应。在两种方法的响应过程中,开启的状态数可以在一定程度上反映此时的功率变化,如图7所示。

图7 响应过程中开启的状态数目

由图7可以看出,改进方法的响应速度不如原始方法快,但改进方法的响应效果更好。

4 仿真结果

对上述两种方法进行仿真,在室外温度tout=15 ℃时,温度上下限由ton=26 ℃和toff=28 ℃变为ton=27 ℃和toff=29 ℃,再变为ton=28 ℃和toff=30 ℃时,电热泵的响应曲线如图8所示。

通过实验对比可以发现,采用原始方法响应电机时负荷的多样性改变了很多,而采用本文所提出的改进方法保持了负荷的多样性。

图8 两种方法对温升的响应曲线

5 结 语

本文提出了一种基于状态队列模型的计及用户舒适的温控设备需求侧响应方法。在状态队列模型的价格响应中加入了用户舒适约束,充分保证了价格响应过程中的负荷多样性,改善了恒温控制设备系统的电价响应能力。通过与原始方法进行对比分析和算例验证,表明所提出的方法具有明显的优越性。未来研究工作将进一步考虑不同恒温负荷的重要性,通过加权方法来实现不同温控设备在运行调控中的优先级,从而在保持负荷侧对价格响应的同时,实现对不同优先级负荷的分类需求侧响应。