一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法与流程

本发明涉及用户侧负荷调节控制技术领域，具体涉及一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法。

背景技术：

近年来，中国的电网调节只有发电侧调节，发电侧调节在发展成熟的同时形成了行业垄断。由于只有发电侧调节，所以电网调节的价格由发电侧一方决定，这严重影响了电网的经济性。

另一方面，电力高峰负荷以及新型能源的快速发展增加了电网调度运行的难度，对电力系统的调节能力提出新的重大挑战。具有与电网双向互动能力的电动汽车、蓄水电站等带有源和荷双重特征的新型负荷比重不断上升，同时，部分传统负荷也能够根据激励或者电价调节自身的用电需求，这就形成了用户侧负荷对于电网的快速调节响应能力。用户侧可控负荷主要包含工业可控负荷、商业可控负荷以及居民可控负荷。其中，大部分可控负荷为温控负荷，例如空调、冰箱、热水器等。温控负荷是指可以通过某种或多种储能介质将电能以一定比例转化为热能储存下来，并通过调节温度等手段实现电、热能量转化的负荷设备，温控负荷可在几分钟甚至高达几个小时内进行能量存储。相对于发电侧资源，居民负荷较为分散，它们能够在几分钟甚至更短的时间内快速响应，弥补系统功率缺额，从而提高系统的电压稳定性。

用户侧虚拟电厂的负荷特性的变化引起了国内外学者的共同关注。负荷侧电网调节成为新的研究热点，这不仅能够充分利用负荷特性，更是打破了发电侧对电网调节的垄断形式，有利于电网竞价机制的形成，有利于快速维持电网稳定，有利于电网的健康发展。

研究表明，空调、照明等电力终端设备的需求响应速率可以达到分钟级甚至秒级，且温控负荷中的大量电力终端设备同时拒动的概率极低，温控负荷响应提供辅助服务的可靠性通常要高于传统发电机组。因此，居民负荷作为需求响应，主动参与、响应电网调节具有很大的发展空间。

温控负荷的控制方法主要有直接负荷控制(dlc控制)，但它将温控负荷的温度设定值当成定值计算负荷的可调度容量，没有考虑到温度设定值的动态变化。最新的研究将温度的设定值的动态变化进行了考虑，但主要基于单一温控负荷设备或者同型号设备认为时间均匀分布的负荷群体控制。对于负荷群体控制，由于负荷总数与参数的不确定性给计算机的精确计算带来了困难。因此该领域亟需提出一种考虑到温控负荷温度设定动态变化，通过计算机计算其调度容量的方法。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，解决了由于温控负荷调节方法调节精度低、传统负荷响应方法无法应对负荷个体温度控制精度不同，导致响应精度不高的问题。

为了实现上述目标，本发明第一个方面采用如下技术方案：

一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，包括：

接收调度中心t时刻发出的调度命令，即t时刻期望可调度容量dref(t)；

计算得到t时刻温控负荷实际可调度容量d(t)；

得到期望可调度容量dref(t)对应的控制后设定温度θref，以及得到实际可调度容量d(t)对应的控制前温度

通过算出t时刻温控负荷的温度变化量u(t)；

将参与调控的温控负荷群分成多个温控负荷簇，并根据所述温度变化量u(t)计算得到每个温控负荷簇的温度变化量ui(t)。

上述将温控负荷群分成多个温控负荷簇具体为：

按照温控负荷的型号将温控负荷群分成多个温控负荷簇。

上述根据温度变化量u(t)计算得到每个温控负荷簇的温度变化量ui(t)包括：

其中，floor[]表示取整，mod()表示u(t)/δu′的余数，ll表示负荷簇编号，l表示负荷簇个数，δu′是温控负荷的调温精度。

所有温控负荷的开启功率都一样，所述计算得到t时刻温控负荷实际可调度容量d(t)包括：

其中，所有温控负荷的输出功率p和等效热阻r一样，等效热容c呈对数正态分布，即等效热容c为为高斯误差函数，μx(t)为t时刻温控负荷继电器开关变化状态映射量xi(t)的平均值；σref为方差和数学期望的比值，令μc为电容分布的数学期望；σc表示电容分布的方差；μx(0)是初始时刻温控负荷继电器开关变化状态映射量xi(0)的平均值；μv表示温度变化速度的数学期望；j为正整数。

上述计算得到t时刻温控设备实际可调度容量d(t)包括：

取温控负荷的输出功率p、等效热阻r、等效热容c满足对数正态分布，温控负荷继电器状态切换周期时间t≈2/μv，d(t)最大振幅a(t)随时间衰减，1-erf(1/z(t))≤a(t)≤erf(1/z(t))，其中温控负荷可调节容量d(t)表示如下：

d(t)＝dss(θref)+l^-1{gp(s)0.5/s}

其中，l^-1{}表示拉普拉斯逆变换，gp(s)是二阶线性时不变系统的传递函数，dss(θ)表示设定温度为θ稳定时温控负荷群的可调度容量，θref表示温度设定值，σref为方差和数学期望的比值，μv表示温度变化速度的数学期望，μx(t)为t时刻温控负荷开关变化状态映射量xi(t)的平均值，μx(0)是初始时刻温控负荷继电器开关变化状态映射量xi(0)的平均值。

进一步的，根据如下公式，并经过拉鲁拉斯变换得到期望可调度容量dref(t)对应的控制后设定温度θref，以及得到实际可调度容量d(t)对应的控制前温度

b1＝0.5μv+2dss(θref)ξωn

b2＝dss(θref)；

s为复变量，b0，b1，b2为复变量的系数，ξ表示频域变换系数；ωn表示频域自变量；dss(θ)表示设定温度为θ稳定时温控负荷群的可调度容量；θref表示温度设定值；h表示温度控制区间，即h＝θ+-θ-，θ表示温度，θa表示环境温度。

进一步的，第i个温控负荷继电器开关变化状态映射量xi(t)表示为：

其中，

θi(t)表示第i台温控负荷的储能介质在t时刻的温度；vi表示第i台温控负荷在t时刻的温度变化速率，ci表示第i台温控负荷的等效热容，ri表示第i台温控负荷的等效热阻；表示初始时刻第i台温控负荷继电器开关状态映射量的值；分别表示温度控制之后温度的上、下限值；θi(0)表示第i台温控负荷初始时刻负荷储能介质内部温度；θi(0^-)是第i台温控负荷初始时刻前一瞬间负荷储能介质内部温度。

进一步的，每个温控负荷的储能介质温度满足如下公式：

其他

其中，θ(t)表示温控负荷t时刻的储能介质温度，p是温控负荷开启时的恒定输出功率；w(t)表示不可预知的热干扰影响，m(t)表示继电器状态，分别是开启m(t)＝1、关闭m(t)＝0，t为时间；θ+表示负荷响应之前温度设定的上限值，θ-表示负荷响应之前温度设定的下限值，t⁺表示t时刻的下一瞬间；u(t)表示t时刻温度设定值的变化量；m(t⁺)表示t时刻的下一瞬间继电器状态。

本发明第二个方面采用如下技术方案：

一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征在于：包括步骤：

1)对温控负荷进行基础的热动力学建模，建立直接负荷控制的温控模型；

2)构建映射量以描述温控负荷继电器开关的变化状态；

3)构建温控负荷可调节容量与映射量之间的直接关系；

4)引入温控负荷簇来进行调节各温控负荷簇的温度变化量。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：所述直接负荷控制的温控模型为：

其中，θ(t)表示温控负荷t时刻的储能介质温度，θa表示环境温度，c和r分别是温控负荷的等效热容和等效热阻，p是温控负荷开启时的恒定输出功率；w(t)表示不可预知的热干扰影响，m(t)表示继电器状态，分别是开启m(t)＝1、关闭m(t)＝0，t为时间；θ+表示负荷响应之前温度设定的上限值，θ-表示负荷响应之前温度设定的下限值，t⁺表示t时刻的下一瞬间；u(t)表示t时刻温度设定值的变化量；m(t⁺)表示t时刻的下一瞬间继电器状态。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：所述映射量用xi(t)表示，即第i个温控负荷继电器开关变化状态映射量，表示为：

其中，

θi(t)表示第i台温控设备的储能介质在t时刻的温度；vi表示温控设备i在t时刻的温度变化速率，θref表示温度的设置值，ci表示温控设备i的等效热容，ri表示温控设备i的等效热阻；表示初始时刻第i台温控设备映射量的值；分别表示温度控制之后温度的上、下限值；θi(0)表示温控设备i初始时刻负荷储能介质内部温度；θi(0^-)是温控设备i初始时刻前一瞬间负荷储能介质内部温度。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：假设所有温控负荷的开启功率都一样，所述温控负荷可调节容量d(t)的计算公式如下：

其中是概率运算符，表示满足的概率值，k为正整数，x(t)表示温控设备映射量xi(t)的集合。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：当所有温控负荷的输出功率p和等效热阻r一样，等效热容c呈对数正态分布，即等效热容c为则温控负荷可调节容量d(t)可以近似估计为：

令

其中为高斯误差函数，μx(t)为t时刻温控设备映射量x的平均值；σref为方差和数学期望的比值，μc为电容分布的数学期望；σc表示电容分布的方差；μx(0)是初始时刻温控设备映射量x的平均值；μv表示温度变化速度的数学期望；j为正整数。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：取r、p、c同样满足对数正态分布，温控负荷继电器状态切换周期时间t≈2/μv，d(t)最大振幅a(t)随时间衰减，1-erf(1/z(t))≤a(t)≤erf(1/z(t))，其中温控负荷可调节容量d(t)表示如下：

d(t)＝dss(θref)+l^-1{gp(s)0.5/s}(7)

其中，l^-1{}表示拉普拉斯逆变换，gp(s)是二阶线性时不变系统的传递函数，

b1＝0.5μv+2dss(θref)ξωn(12)

b2＝dss(θref)(13)

s为复变量，b0，b1，b2为复变量的系数，ξ表示频域变换系数；ωn表示频域自变量；dss(θ)表示设定温度为θ稳定时温控负荷群的可调节容量；θref表示温度设定值；h表示温度控制区间，即h＝θ+-θ-，θ表示温度。

前述的一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，其特征是：所述引入温控负荷簇来进行调节各温控负荷簇的温度变化量，具体步骤包括：

1)t时刻由调度中心发出调度命令，即t时刻期望可调度容量dref(t)；

2)由公式(6)或公式(7)计算t时刻温控设备实际可调度容量d(t)，根据期望可调度容量dref(t)和实际可调度容量d(t)，利用式(8～15)，经过拉普拉斯变换得到期望可调度容量dref(t)对应的控制后设定温度θref和实际可调度容量d(t)对应的控制前温度通过即可算出t时刻温控设备的温度变化量u(t)；

3)将温控负荷群按照温控负荷的型号分成l个温控负荷簇，且每个温控负荷簇的温度控制命令为ui(t)，使得每个温控负荷的粗略调温量δu'在可实现范围内，每个负荷簇的调温信号ui(t)的计算表达式为：

floor[]表示取整，mod()表示u(t)/δu′的余数，l表示负荷簇编号，l表示负荷簇个数。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明通过提出温控负荷簇调节方法，考虑温控设备参数差异性，使温控设备的可调节容量计算更加客观，符合实际；

2、本发明通过提出温控负荷簇调节方法，采取负荷簇控制策略，使温控负荷响应精度提升。

附图说明

图1为本发明用户侧负荷响应方法流程图；

图2为情况1中等效热容标准方差为0.5时的负荷调节特性曲线；

图3为情况1中等效热容标准方差为0.2时的负荷调节特性曲线；

图4为情况1中等效热容标准方差为0.1时的负荷调节特性曲线；

图5为情况1中等效热容标准方差为0.05时的负荷调节特性曲线；

图6为情况2中各种不同标准方差的负荷调节特性曲线；

图7为负荷内部控制模型；

图8为通过负荷传感器精度为0.05度时得到的聚合控制可调度容量曲线；

图9为通过负荷传感器精度为0.5度时得到的聚合控制可调度容量曲线；

图10为负荷簇控制的聚合控制可调度容量曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，步骤包括：

1)对温控负荷进行基础的热动力学建模，建立直接负荷控制的温控模型；

将温控负荷抽象为热动力学模型，根据温控负荷实际的工作情况将其抽象为恒功率输出器件和继电器两部分构成，继电器有两个状态，用m(t)表示；当继电器为开启状态时，恒功率输出器件输出恒定功率，调节温控负荷的储能介质温度，当继电器为关闭状态时，恒功率输出器件不输出功率，储能介质的温度遵循热力学定律变化，储能介质温度θ(t)公式为：

其中，θ(t)表示储能介质t时刻的储能介质温度，θa表示环境温度，c和r分别是温控负荷的等效热容和等效热阻，分别表示温控负荷设备单位摄氏度储存的电量和每千瓦电能传输的热量；p是温控负荷开启时的恒定输出功率；w(t)表示不可预知的热干扰影响，比如介质交换、电器热量损失的影响，由于该部分热能损耗相对于温控负荷的总储能非常小，因此在下面的分析中可以忽略。m(t)表示继电器状态，分别是开启m(t)＝1、关闭m(t)＝0，t为时间；θ+表示温度控制之前温度设定的上限值，θ-表示控制之前温度设定的下限值，t⁺表示t时刻的下一瞬间；m(t⁺)表示t时刻的下一瞬间继电器状态；u(t)表示t时刻温度设定值的变化量；

2)构建映射量以描述温控负荷继电器开关的变化状态，设第i个温控负荷继电器开关变化状态的映射量为xi(t)，以及定义温控负荷可调节容量d(t)与映射量xi(t)之间的直接关系；

用xi(t)表示第i个温控负荷继电器开关变化状态映射量，i为正整数，xi(t)的表示如下：

其中，

θi(t)表示第i台温控设备的储能介质在t时刻的温度；vi表示温控设备i在t时刻的温度变化速率，θref表示温度的设置值，ci表示温控设备i的等效热容，ri表示温控设备i的等效热阻；表示初始时刻第i台温控设备映射量的值；分别表示温度控制之后温度的上、下限值；θi(0)表示温控设备i初始时刻负荷储能介质内部温度；θi(0^-)是温控设备i初始时刻前一瞬间负荷储能介质内部温度；本实施例中设定温控设备的调温偏差为0.5度，所以θ+-θ-＝1，

当xi(t)到达一个整数值的时候温控负荷控制状态变化一次，即继电器由开到关或者由关到开。xi(t)从奇数变到偶数的过程温控负荷继电器为关闭状态，即这段时间m(t)＝0，xi(t)从偶数变到奇数的过程温控负荷继电器为开启状态，即这段时间m(t)＝1。

用d(t)表示温控负荷的可调节容量大小，其与映射量xi(t)之间的关系推算如下(下文不具体指某台温控设备的映射量，用x(t)表示温控设备映射量xi(t)的集合：假设所有温控负荷的开启功率都一样，那么最大负荷变化情况可以用最大负荷容量进行标幺化处理后的值来表示，就等于概率值d(t)。当d(t)等于1时，输出最大功率，所有温控负荷全部开启，可调节容量最大，d(t)的计算公式如下：

其中是概率运算符，表示满足的概率值，k为正整数。

3)第一种情况：当所有温控负荷的输出功率p和等效热阻r一样，等效热容c呈对数正态分布，即等效热容c为则d(t)可以近似估计为：

令

其中为高斯误差函数，μx(t)为t时刻温控设备映射量x的平均值；σref为方差和数学期望的比值，μc为电容分布的数学期望；σc表示电容分布的方差；μx(0)是初始时刻温控设备映射量x的平均值；μv表示温度变化速度的数学期望；j为正整数。

第二种情况，考虑到温控负荷的等效热阻r和输出功率p在实际情况中并不会相等，取r、p、c同样满足对数正态分布，系统将更快的失去同时性，温控负荷继电器状态切换周期时间t≈2/μv，d(t)最大振幅a(t)随时间衰减，1-erf(1/z(t))≤a(t)≤erf(1/z(t))，其中温控负荷可调节容量d(t)表示如下：

d(t)＝dss(θref)+l^-1{gp(s)0.5/s}(7)

其中，l^-1{}表示拉普拉斯逆变换，gp(s)是二阶线性时不变系统的传递函数，

b1＝0.5μv+2dss(θref)ξωn(12)

b2＝dss(θref)(13)

h表示温度控制区间，h＝θ+-θ-，s为复变量，b0，b1，b2为复变量的系数，ξ表示频域变换系数；ωn表示频域自变量；r是为了公式简洁设立的符号无特殊实意；dss(θ)表示设定温度为θ稳定时温控负荷群的基准可调度容量；θref表示温度设定值；θ表示温度。负荷内部控制结构如图7所示，其中gd(s)＝0.5/s，为t时刻期望可调度容量dref(t)的传递函数。结合图7说明整个响应过程或控制过程如下：

t时刻由调度中心发出调度命令，即t时刻期望可调度容量dref(t)，由式(6)或(7)可计算t时刻温控设备实际可调度容量d(t)；根据期望可调度容量dref(t)和实际可调度容量d(t)，利用式(8～15)，经过拉普拉斯变换得到期望可调度容量dref(t)对应的控制后设定温度θref和实际可调度容量d(t)对应的控制前温度通过即可算出t时刻温控设备的温度变化量u(t)，再通过步骤4)即可计算出负荷簇的温度变化量(调温信号)ui(t)，从而完成响应(控制)过程。

4)针对温控负荷的温度传感器精度不能达到设定值或者单体温控负荷本身的控温限制，引入温控负荷簇调节策略，解决由于传感器精度不够等参数误差带来的响应精度不够问题。

对于温控负荷的温度传感器精度不能达到设定值或者温控负荷本身的控温限制，考虑使用温控负荷簇来调节不同温控设备的温度变化量。具体如下：当收到调度中心或负荷聚合商发出的统一的温度控制命令u(t)时，即t时刻温控设备的温度变化量，将温控负荷群按照温控负荷的型号分成l个温控负荷簇，且每个温控负荷簇的温度控制命令为ui(t)，使得每个温控负荷的粗略调温量δu'在其传感器精度可实现范围内(例如0.5度)，每个负荷簇的调温信号ui(t)的计算表达式为：

floor[]表示取整，mod()表示u(t)/δu′的余数，l表示负荷簇编号，l表示负荷簇个数。

本发明的一种实施例：选择总体数为10000的温控负荷簇，且假设其对于调度中心发出的响应命令全部响应，t时刻由调度中心发出调度命令，即t时刻期望可调度容量dref(t)，负荷聚合商计算本区域内温控设备的实际可调度容量d(t)，并利用本发明的算法计算每个负荷簇的调节温度ui(t)，发送给各温控设备，从而完成响应过程。其温控负荷簇响应的参数见表1所示：

表1温控负荷簇响应参数表

备注：

情况1：当所有温控负荷的输出功率p和等效热阻r一样，等效热容c呈对数正态分布；

情况2：考虑到温控负荷的等效热阻r和输出功率p在实际情况中并不会相等，取r、p、c同样满足对数正态分布。

对于情况1，取等效热阻r＝2℃/kw，等效电容分布的数学期望μc＝10kwh/℃，温控负荷的输出功率p＝14kw。取不同的等效热容对数正态分布的方差带入计算机计算出负荷可调裕度与实际负荷可调裕度曲线进行比较；

当取等效热容标准方差σc＝5kwh/℃，方差与数学期望比率带入公式(6)得到情况1中等效热容标准方差为0.5时的负荷调节特性曲线，如图2所示，其中实际数据表示实际的负荷调节容量d(t)曲线。

当减小温控负荷的等效热容方差σc，则负荷概率值d(t)将提高，当＝0.2时，情况1中等效热容标准方差为0.2时的负荷调节特性曲线如图3所示。

当时，情况1中等效热容标准方差为0.1时的负荷调节特性曲线如图4所示。

当时，情况1中等效热容标准方差为0.05时的负荷调节特性曲线如图5所示。

对于情况2，即等效热阻的数学期望μr＝2℃/kw，等效热容的数学期望μc＝10kwh/℃，负荷功率的数学期望μp＝14kw。

h＝θ+-θ1＝1

取ξ＝0.259，ωn＝0.033，则ts＝4.6/ξωn＝525(min)，

b1＝0.5μv+2dss(θref)ξωn＝0.4525

带入再带入d(t)＝dss(θref)+l^-1{gp(s)0.5/s}，将t代入根据1-erf(1/z(t))≤a(t)≤erf(1/z(t))可得概率值d(t)振幅，从而得到情况2中各种不同标准方差的负荷调节特性曲线，如图6所示，图6包含3条曲线：实际数据曲线，人工录入系数ξ、ωn、b0、b1、b2仿真曲线以及本发明算法计算得到系数ξ、ωn、b0、b1、b2仿真曲线。

选用不同的粗略调温量会对温控负荷的调节容量产生影响，当取粗略调温量δu′＝0.05时，通过图7的负荷内部控制结构，结合公式(1)(7～15)即可得到负荷传感器精度为0.05度时的聚合控制可调度容量曲线，如图8所示。

但如果传感器精度不够则可能不能满足调度曲线，当δu'＝0.5时，聚合控制可调度容量曲线如图9所示。

调度容量不断波动，不能随着所需的曲线变动，然而由于传感器的精度和温控负荷本身的调温范围限制，很可能不能满足调度精度要求，那么就不能得到良好的负荷响应，这时候引入负荷簇来解决这一问题。

例如每个温控负荷可调范围为δu'＝0.5，但控制精度需要满足δu＝0.05，如果分成l＝10个聚合类，而且在t＝tm时u(t)＝1.15则根据

第1、2、3聚合类的ul(tm)＝1.15，剩下7个聚合类的ul(tm)＝1.1。

引入控制负荷簇之后控制之后的可调节容量曲线如图10所示。

本发明公开了一种基于负荷簇温度调控的用户侧负荷响应方法，通过调节温控负荷簇的设定温度来实现负荷控制，满足电网侧负荷响应的需求，首先对温控负荷进行热动力学建模，得出了直接负荷控制的温控模型；构建映射量以描述温控负荷继电器开关的变化状态；通过映射量得到温控负荷的可调节容量；引入温控负荷簇来解决控制精度不能满足条件的情况。本发明充分考虑了温控负荷及温控负荷簇的调节特性，满足电网侧负荷响应的需求。考虑温控设备参数差异性，使温控设备的可调节容量计算更加客观，符合实际；采取负荷簇控制策略，使温控负荷响应精度提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。