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空调负荷主动参与电力系统有功调度与控制研究

刘萌  
【摘要】:电力系统安全稳定运行的基本要求是保持发电功率和负荷之间的实时平衡。传统上,电力系统采用控制发电跟踪负荷的方式来实现系统有功功率平衡。只有当调整发电机组出力水平(或启停状态)难以满足有功功率平衡控制要求或者控制代价较高时,才考虑切负荷措施。随着社会的发展,能源短缺与环境污染促使电源结构发生显著变化。大容量火电机组和核电机组所占比例提高,使发电侧提供备用的成本显著增加;风能、太阳能等间歇式可再生能源发电大规模并网,其出力的随机性、波动性使电源的受控性能变差,同时使系统对备用的需求量增加。总之,传统发电跟踪负荷的控制方式将面临巨大挑战。与此同时,随着信息通信技术的发展及其在电力系统中的应用,对大量分散负荷实施控制的成本降低。主动调整负荷的功率需求,使其与发电侧协同,进行多时间尺度的有功功率调度控制成为可能。电力系统中存在大量具有能量存储特性的负荷,如空调、冰箱、热水器、热泵和电动汽车等,短时间投切或改变控制参数,不会对用户用电产生明显的负面作用,具有主动参与系统有功功率平衡控制的潜力。本文以具有热存储特性的空调负荷为研究对象,将其纳入到电力系统有功功率调度与控制体系中,完成的工作和所取得的成果如下:1)在空调负荷个体和群体数学模型的基础上,对空调负荷群的聚合功率特性进行调制。首先,从文献中引入了空调负荷的数学模型:单个空调个体的物理模型分别采用一阶和三阶微分方程表示,后者更为精确。空调负荷的群体数学模型包括基于蒙特卡洛的聚合模型和状态空间模型两种类型,前者可以模拟空调负荷群的运行,后者是对空调负荷群进行状态估计的基础。之后,在状态空间模型的基础上,采用基于卡尔曼滤波的状态估计方法,感知空调负荷群的运行状态,为负荷群的运行状态分析与控制提供数据基础。最后,在对负荷群多样性破坏机制进行分析的基础上,提出了两种并从文献引入一种计及多样性保持的空调负荷群聚合功率特性调制策略,定量分析了通信延迟对调制策略性能的影响。仿真算例验证了空调负荷群聚合功率特性调制策略的有效性。2)采用空调负荷参与一次调频的控制机制,根据频率偏差调整单台空调的设定温度,从而改变整个负荷群的功率需求,为系统提供一次调频备用。在此基础上,分别提出了两种空调负荷群响应系统频率事件的控制策略。前者是一种空调负荷群分散式控制,在频率的持续下降(或上升)阶段,根据频率偏差调整单台空调的设定温度,改变整个空调负荷群的聚合功率需求。在负荷控制的结束时刻,实施基于负荷群多样性恢复的空调负荷群聚合功率特性调制策略,以保持空调负荷群多样性,防止出现负荷群聚合功率振荡。采用分时段空调设定温度恢复的控制策略,以避免负荷恢复高峰;后者是一种空调负荷群之间的协调控制,将所提基于多样性保持的空调负荷群聚合功率特性调制策略分别设计为感知频率变化的分散式控制策略和响应调度信号的分布式控制策略。分散式控制存在寄生的“负荷高峰”,根据卡尔曼滤波法对其进行估计,作为目标功率值,采用二分法计算实施分布式控制空调负荷群的设定温度调整值和控制时间,使得实施两类不同负荷控制空调负荷群的整体功率避免出现功率振荡和恢复高峰。算例仿真表明两种空调负荷群响应系统频率事件的控制策略均能够在负荷响应的整个时间尺度上保持良好的响应特性。3)为了充分利用负荷侧的备用资源,将空调负荷的受控响应纳入到有功功率/频率控制体系中,在分析源-荷协同频率控制机制的基础上,提出了一种计及网络安全性约束的源-荷协同频率控制。在一次调频时间尺度上,空调负荷响应频率偏差信号进行分散式控制,根据频率测量信号调整单台空调的设定温度,改变负荷群的功率需求,为系统提供一次调频备用。在二次调频时间尺度上,在模型预测控制MPC的框架下实现源-荷协同频率控制。在每一采样时刻空调负荷响应频率信号的控制作用由ARMAX模型辨识得到,将其输入到基于MPC的二次调频控制器中进行在线优化,得到相关调频机组的最优二次频率控制信号。在MPC滚动优化的过程中,空调负荷实施分散式控制的控制作用与电源二次调频之间实现配合。另外,频率控制在满足发电和负荷功率总量平衡的基础上,需要计及网络约束。提出了判断系统各支路薄弱程度的WBI指标,确定系统的薄弱支路。根据灵敏度分析法计算在控制中对薄弱支路安全运行不利的负荷控制节点,下达控制指令将该类负荷节点闭锁,避免其参与频率控制。对新英格兰10机39节点系统进行了仿真,结果验证了计及网络约束的源-荷协同频率控制的有效性。4)考虑到空调负荷群具有作为可调度资源纳入到传统发电调度控制体系中的潜能,在设计含空调负荷群电力系统优化调度结构的基础上,提出了两种含空调负荷群的优化调度模型。首先在计及多样性保持的空调负荷群聚合功率特性调制策略的基础上,提出了负荷群跟踪有功控制指令的控制策略,依据随机抽样原则随机抽取负荷群中接受控制的空调负荷,向其广播控制信号,由空调自主响应,实现对目标功率的跟踪。在负荷群控制策略的基础上,分别提出了负荷聚合层的优化调度模型和计及空调负荷群的动态经济调度模型。前者为负荷聚合层优化调度所辖的空调负荷群跟踪调度中心下达控制指令的优化模型,为混合整数规划问题,采用CPLEX软件进行求解;后者为追求电网运行过程中经济性最优并使负荷群控制代价最小的双目标优化问题,利用参考目标法,把最小化负荷群控制成本的目标函数以约束的形式结合到模型中,把双目标优化问题转化为单目标优化问题进行优化求解。通过空调负荷群和IEEE30节点系统的仿真,验证了所提空调负荷群跟踪有功控制指令控制策略和两种含空调负荷群优化调度模型的有效性。5)在采用的分布式控制策略中,负荷、负荷聚合层与调度中心之间进行测量数据与控制指令的上传下达,负荷聚合层承担沟通负荷与调度中心的作用,将聚合得到的负荷群运行状态传输至调度中心,并解析由调度中心下达的负荷控制指令。设计了一种云计算平台构架,将负荷分布式递阶控制结构以扁平化计算模式实现,云计算平台直接响应由负荷、负荷聚合层和调度中心提出的服务请求。在Cloudsim软件下模拟了负荷分布式控制的云计算平台构架,量化多种可控负荷的云计算和存储任务量。仿真结果表明,云计算平台计算速度快、存储能力强、易于扩展,能够适应负荷分布式控制的要求。基于Hadoop Map/Reduce对云计算过程进行了仿真。


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