专利名称：温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器的制作方法
温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器技术领域
本发明属于频率控制技术以及智能电网中的需求侧响应技术相关领域，具体讲，涉及温控负荷的变参与度频率控制方法及控制器。
背景技术：
电力系统需要时刻保持电能在时间和空间上的供需平衡来维持系统的频率稳定。当功率出现大的不平衡时，系统频率将会发生较大偏差，破坏电力系统安全稳定运行。根据系统频率波动的大小及实时运行情况，通常采取调节发电机有功出力，甚至切机、切负荷等措施来维持系统的频率稳定。然而，随着电网中间歇性可再生能源(风电场、大型光伏电站)的并网比例不断提高，系统频率稳定性问题日渐凸显。
另一方面，近年来不断兴起的微电网中间歇性可再生能源(风能、太阳能、海洋能)所占比例较大，孤岛运行时抵御外界环境扰动的能力较弱，难以维持微电网频率的稳定性[1_2]。为此，微电网中通常配备一定容量的储能单元(蓄电池、飞轮、超级电容器等)和传统微型发电单元(柴油发电机、微型燃气轮机)来提供系统频率调节[3]。文献[4]利用蓄电池为独立光伏发电系统提供频率支撑；文献[5]则利用柴油发电机和蓄电池混合系统为孤立微电网提供频率支撑；文献[6]提出首先采用响应速度较快的储能装置进行一次频率调节，随后利用动态特性较慢的微电源(微型燃气轮机、柴油发电机和燃料电池)进行二次调控以恢复储能容量的频率协调控制策略。然而柴油发电机无法摆脱对化石能源的依赖，存在利用效率低、成本高以及污染重等问题；蓄电池则受容量、成本以及自身性能(如频繁充放电导致其寿命缩短)等多方面限制。因此，频率控制仍是当前孤立微电网发展的主要瓶颈之一。
随着智能电网的快速发展，高级量测、现代控制以及通信技术为需求侧响应技术的兴起及应用奠定了基础。需求侧响应是指电力用户通过与电力企业建立协调机制，改变其传统电力消费模式而主动参与(Active Participation)辅助电网运行的行为[卜8]。国内外学者对需求侧响应技术的应用进行了多方面的研究。文献[9]引入动态需求侧控制技术来提高电力系统的频率稳定性，减小对系统备用容量的需求。文献[10]通过需求侧响应进行风电场的有功功率调度。文献[11]引入多阶段需求侧响应技术通过直接控制可控负荷的动作来参与系统的一次频率调节。目前相关研究方法主要强调需求侧对电网的辅助作用而忽略了用户电能使用的舒适度；同时控制过程所产生的大量不确定性易导致系统的二次扰动。发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，开发出一种温控负荷的变参与度频率控制器，该控制器能够参与系统的频率调节，有效减小系统频率控制需求对备用发电机组以及储能装置的容量需求，节省相应投资。同时，在支持系统频率的同时，充分考虑终端用户的用能舒适度，避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种温控负荷的变参与度频率控制方法，包括如下步骤:
第一步:用户根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冷藏设备磨损程度自主选择用户参与系数kf取值，同时采集当前电网频率f_s(η)以及冷藏设备冷藏室温度Tc(η)；
第二步:根据第一步数据计算当前时刻用户参与度Pf (η)，用户参与度pf是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为°C/Hz，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将Pf设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示:
pf (n) = kf I fmeas (n) -fr | (8)
n代表当前时刻，f；为电网额定频率，kf为用户参与度系数；
第三步:根据第一步、第二步数据计算冷藏设备触发温度变化值Λ T (η)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T' +、τ':
Δ T (n) = Pf (n) (fmeas (n) -fr) (9)
T' +(n) = Τ+(η)-ΔΤ(η) (10)
T' _ (η) = T_ (η) - Δ T (η) (11)
其中，T' +为修正后的冷藏设备上触发温度，°C;T'-为修正后的冷藏设备下触发温度，T+为原冷藏设备上触发温度，V ;τ_为原冷藏设备下触发温度；
第四步:根据第三步计算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作:
若当前时刻冷藏设备温度Τ。(η)大于修正后的冷藏设备上触发温度T' +，则压缩机启动，即CS (n+1) = I ；
若当前时刻冷藏设备温度TJn)小于修正后的冷藏设备下触发温度T' _，则压缩机停止运行，即DS (n+1) = O ；
否则，压缩机状态不变，即CS (n+1) = CS (η)；
第五步:η = η+1，返回第一步，开始下一循环。
一种温控负荷的变参与度频率控制器，其特征是，包括:
频率传感器:用于实时采集电网频率信号，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片；
温度传感器:用于采样冷藏设备冷藏室温度Τ。并传送至压缩机控制芯片；
冷藏设备压缩机控制器芯片根据采集的电网频率信号，结合设定的用户参与系数kf计算当前时刻用户参与度Pf (η)，用户参与度Pf是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为。C/Ηζ，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将pf设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示:
pf (n) = kf I fmeas (n) -fr | (8)
η代表当前时刻，f；为电网额定频率，f_s (η)为当前时刻电网频率，kf为用户参与度系数；
计算冷藏设备触发温度变化值ΛΤ(η)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度Ti +、r
Δ T (n) = pf (n) (fmeas (η) -fr) (9)
T' + (η) = Τ+ (η) - Δ T (η) (10)
T' _ (η) = Τ_ (η) - Δ T (η) (11)
其中，T' +为修正后的冷藏设备上触发温度，°C;T'-为修正后的冷藏设备下触发温度，T+为冷藏设备上触发温度，V ;τ_为冷藏设备下触发温度；
若当前时刻冷藏设备温度Tc(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T' +(即Tc (n) > Ti +)，则冷藏设备压缩机控制器芯片输出PWM信号，PWM信号输入压缩机驱动芯片的输入端口，其输出即为压缩机驱动脉冲，压缩机启动，此时压缩机状态CS(n+l) = I ；
若当前时刻冷藏设备温度Tc(n)小于修正后的冷藏设备下触发温度T' _(即Tc (η) <Τ/ _)，则冷藏设备压缩机控制器芯片不输出PWM驱动信号，压缩机停止运行，此时压缩机状态CS (n+1) = O ；
否则，压缩机状态维持不变，即CS (n+1) = CS (η)。
压缩机驱动芯片:压缩机驱动
若压缩机控制芯片输出PWM驱动信号，则PWM驱动信号通过压缩机驱动芯片输出适合于压缩机驱动电压的驱动脉冲，驱动压缩机运行；
若压缩机控制芯片不输出PWM驱动信号，则压缩机驱动芯片无输出，压缩机停止运行。
本发明的技术特点及效果:
与传统大电网通过增加备用机组提高系统频率调节能力的方法相比，基于本发明所提供的变参与度频率控制器的冰箱可在保证用户舒适度的前提下，参与电网的频率调节，可节省一定的备用机组容量，降低对传统化石能源的依赖，有益于节能减排目标的实现，且所需投资费用低，是一种经济可行的电网辅助服务。与现有的需求侧控制方法相比，本发明通过引入与频率幅值变化成正比的用户参与度，在提高用户舒适度(冰箱冷藏室温度合理，保证食物新鲜)的同时，充分考虑了用户的主动参与性，提高了电网的频率调节能力。此外，与基于集中控制的负荷侧响应方法[12-13] (Aggregator,Virtual power plant,VPP)相比，此频率控制器根据当地频率测量信号迅速做出响应，无需通信网络与控制中心的支持，经济成本大大降低，同时避免了控制信号在传输过程中的延迟效应，可充分发挥温控负荷的速动性，提高系统的频率调节能力。
图1冰箱特性曲线。
图2冰箱频率控制器的硬件结构图。
图3冰箱聚合体的频率响应特性。
图4冰箱变参与度频率控制器控制流程。
图5Benchmark低压微电网。
图6微电网的频率控制效果。
图7微电网故障后频率放大图。
具体实施方式
以功率消耗稳定、参与性强的电冰箱为例，本发明旨在开发出一种适用于家居型温控负荷的变参与度频率控制器，通过控制器中的变参与度的需求侧分散控制策略来对冰箱压缩机的启停进行定向控制，从而参与系统的频率调节，该控制器无需通信系统的支持，有效减小了系统频率控制需求对备用发电机组以及储能装置的容量需求，节省相应投资。同时，在支持系统频率的同时，充分考虑了终端用户的用能舒适度，避免了传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题。
1变参与度频率控制器的硬件结构
以温控型负荷电冰箱为例，压缩式电冰箱模型由表示其热力学特性的一阶常系数微分方程组(1)以及表示压缩机控制逻辑的迟滞环节(2)组成[1°_11]:
权利要求
1.一种温控负荷的变参与度频率控制方法，其特征是，包括如下步骤: 第一步:用户根据电网需求、用户舒适度需求的不同以及冷藏设备磨损程度自主选择用户参与系数kf取值，同时采集当前电网频率f_s(η)以及冷藏设备冷藏室温度Τ。(η)；第二步:根据第一步数据计算当前时刻用户参与度Pf (η)，用户参与度pf是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为。C/Ηζ，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将Pf设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示: Pf (n) = kf I fmeas (n) -fr I (8) n代表当前时刻，f；为电网额定频率，kf为用户参与度系数； 第三步:根据第一步、第二步数据计算冷藏设备触发温度变化值AT(Ii)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T' +、T':Δ T (n) = pf (n) (fmeas (n) -fr) (9) T' +(n) = Τ+(η)-ΔΤ(η) (10) T' _(n) = Τ_(η)-ΔΤ(η) (11) 其中，T' +为修正后的冷藏设备上触发温度，°C;T'-为修正后的冷藏设备下触发温度，T+为原冷藏设备上触发温度，V ;T_为原冷藏设备下触发温度； 第四步:根据第三步计 算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作: 若当前时刻冷藏设备温度Τ。(η)大于修正后的冷藏设备上触发温度T' +，则压缩机启动，即 CS (η+1) = I ； 若当前时刻冷藏设备温度TJn)小于修正后的冷藏设备下触发温度T' _，则压缩机停止运行，即CS(n+l) = O ； 否则，压缩机状态不变，即CS(n+l) =CS(η)； 第五步:n = n+1,返回第一步，开始下一循环。
2.一种温控负荷的变参与度频率控制器，其特征是，包括: 频率传感器:用于实时采集电网频率信号，并将其转换为直流电压信号输入压缩机控制芯片； 温度传感器:用于采样冷藏设备冷藏室温度TJn)并传送至压缩机控制芯片； 冷藏设备压缩机控制器芯片根据采集的电网频率信号，结合设定的用户参与系数1^计算当前时刻用户参与度Pf (η)，用户参与度pf是指电网频率变化单位赫兹时冷藏设备触发温度的变化量，单位为。C /Ηζ，考虑用户参与度与其舒适度的平衡关系，将pf设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数，如式(8)所示: Pf (n) = kf I fmeas (n) -fr I (8) η代表当前时刻，f；为电网额定频率，f_s (η)为当前时刻电网频率，1^为用户参与度系数； 计算冷藏设备触发温度变化值AT(Ii)以及修正后的冷藏设备上、下触发温度T' +、TiΔΤ(η) = pf (n) (fmeas (n) -fr) (9) T' +(η) = Τ+(η)-ΔΤ(η) (10) T' _(η) = Τ_(η)-ΔΤ(η) (11) 其中，T' +为修正后的冷藏设备上触发温度，°C;T'-为修正后的冷藏设备下触发温度，τ+为原冷藏设备上触发温度，V ;τ_为原冷藏设备下触发温度； 若当前时刻冷藏设备温度Te(n)大于修正后的冷藏设备上触发温度T' +，即Te(n) >T' +，则冷藏设备压缩机控制器芯片输出PWM信号，PWM信号输入压缩机驱动芯片的输入端口，其输出即为压缩机驱动脉冲，压缩机启动，此时压缩机状态CS (n+1) = I ； 若当前时刻冷藏设备温度TJn)小于修正后的冷藏设备下触发温度T' _，即TJn)<T' _，则冷藏设备压缩机控制器芯片不输出PWM驱动信号，压缩机停止运行，此时压缩机状态 CS (n+1) = O ； 否则，压缩机状态维持不变，即CS (n+1) = CS (η)。
压缩机驱动芯片:压缩机驱动 若压缩机控制芯片输出PWM驱动信号，则PWM驱动信号通过压缩机驱动芯片输出适合于压缩机驱动电压的驱动脉冲，驱动压缩机运行； 若压缩机控制芯片不输出 PWM驱动信号，则压缩机驱动芯片无输出，压缩机停止运行。
全文摘要
本发明属于频率控制技术以及智能电网中的需求侧响应技术相关领域，为有效减小系统频率控制需求对备用发电机组以及储能装置的容量需求，节省相应投资，同时避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题，本发明采取的技术方案是，一种温控负荷的变参与度频率控制方法，包括如下步骤第一步采集当前电网频率fmeas(劝以及冷藏设备冷藏室温度Tc(n)；第二步将pf设计成与电网频率偏差成正比的分段线性函数；第三步根据第一步、第二步数据进行计算第四步根据第三步计算结果确定冷藏设备压缩机下一步动作；第五步n＝n+1，返回第一步，开始下一循环。本发明主要应用于冷藏设备制造。
文档编号F25D29/00GK103178533SQ20131004089
公开日2013年6月26日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者贾宏杰, 穆云飞, 戚艳 申请人:天津大学