一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法与流程

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，特别涉及了一种虚拟电厂调频运行方法。

背景技术：

近年来，世界范围的能源紧缺与环境恶化问题日益严重，新能源发电技术得到大力发展与广泛应用。但是新能源发电受到自然环境的影响，具有显著的波动性与不确定性，给电网功率的动态平衡带来了极大挑战，电网调频问题日益突出。与此同时，新能源占比的不断提高导致传统机组的调频容量下降，从而使得系统对灵活性调节容量的需求大幅增加。

需求响应通过价格或激励信号引导用户调整用电行为，改变电能需求，可从一定程度上缓解电力供需平衡矛盾。随着需求响应技术的发展，柔性负荷可以通过灵活调节自身用电功率为电网提供可调容量，能够有效替代供应侧的调节资源。由于电网频率在50Hz附近的小范围内快速上下波动，因此需要调频资源的功率在基线附近小范围内进行高频率正负调节。空调作为典型柔性负荷，响应迅速，可以实现功率快速调节。此外，空调系统的建筑热惯性较大，并且一段时间内调频所引起的空调系统电量变化近似为零，因此调频过程不会影响到用户舒适度。由此可见，空调作为一种调节潜力巨大的需求响应资源，是一种有效的电网调频资源，但由于空调负荷与整个电力系统相比体量小，位置分散，不方便直接参与电网调度，可以将其通过先进的通信、控制方式聚合成虚拟电厂，由虚拟电厂代表众多空调资源，统一接受电网调度。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法，充分挖掘空调系统的需求响应潜力，并将不同调控方式下空调系统的功率响应特性在时序上与电网二次调频和一次调频的响应需求匹配起来。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法，包括以下步骤：

(1)根据用户舒适度要求以及空调系统的基本参数，形成用户需求曲线，对所有用户需求曲线进行聚合，并由虚拟电厂代表空调用户在虚拟二次调频市场进行投标；

(2)采用市场控制方式形成虚拟控制信号，通过调整空调用户的设定温度实现二次调频；

(3)在虚拟下垂控制的基础上加入虚拟惯性环节，形成虚拟电厂的改进虚拟下垂曲线；

(4)计算并下发离散控制方式下每台空调的档位调节触发频率，通过调节室内机运行档位实现一次调频。

进一步地，步骤(1)的具体过程如下：

(1a)建立空调房间的一阶热力学模型：

上式中，C为房间的等效热容；R为房间的等效热阻；Tⁱⁿ为室内温度；T^out为室外温度；P^AC为空调电功率；EER为空调制冷能效比；表示对时间的微分；

(1b)定义用户的舒适度指标ζ：

上式中，T^des为用户期望温度，Tⁱⁿ为实际室内温度，δ为与期望温度相比用户能承受的最大温度偏差；

(1c)在本地形成用户需求曲线：

上式中，Pmin和Pmax分别为空调的最小功率和最大功率，对于同一用户，δ、R、EER和T^des均为常数，并认为在短时间内T^out也为常数；

(1d)每个空调用户将自身的需求曲线上报至虚拟电厂，由虚拟电厂按下式形成聚合需求曲线：

上式中，m表示空调用户标号；M表示空调用户总数；

然后由虚拟电厂代表空调用户在虚拟二次调频市场进行投标。

进一步地，步骤(2)的具体过程如下：

(2a)进行虚拟市场出清：

首先以ΔT为时间间隔，根据系统功率实时平衡情况确定每个二次调频时段中虚拟电厂的总控制功率P^con；

然后求取P^con与聚合需求曲线P^sum(ζ)的交点，得到虚拟市场价格ζ，相当于该时段中虚拟电厂的虚拟控制信号；

(2b)进行控制信号分解：

将虚拟市场出清过程中得到的ζ信号下发至各空调单体，由本地控制器计算每台空调维持舒适度指标ζ所需的功率P^AC；

(2c)调整用户设定温度实现二次调频：

T^set＝T^out-P^AC·R·EER

根据上式计算用户消耗功率P^AC所对应的设定温度T^set，并由本地控制器将每个房间的设定温度调节至T^set来为系统提供二次调频容量。

进一步地，步骤(3)的具体过程如下：

(3a)形成可调空调序列：

首先将所有空调划分为4个序列：可上调序列、可下调序列、双向可调序列和锁定序列；空调运行档位切换后，归入锁定序列，锁定时间结束后，根据其当前档位状态对其进行序列划分：低档位纳入可下调序列，高档位纳入可上调序列，自然档位纳入双向可调序列；

然后对每个序列中的空调进行排序：对可上调序列中的空调根据ζ从高到低排序，对可下调序列中的空调根据ζ从低到高排序；对双向可调序列中的空调分别根据ζ从高到低和从低到高排序，形成补充上调序列和补充下调序列；

(3b)形成计及虚拟惯性环节的虚拟电厂功频特性：

首先在虚拟下垂控制的基础上加入虚拟惯性环节，得到一次调频综合控制策略中虚拟电厂的功率变化量：

上式中，ΔP为虚拟电厂的功率变化量，Δf为频率偏差，KL为频率偏差的比例系数，KD为频率偏差的微分系数；

然后以差分代替微分，得到线性化控制策略：

ΔPt＝(KL+KD)Δft-KDΔft-1

上式中，ΔPt为虚拟电厂t时刻的功率变化量，Δft为t时刻的频率偏差，Δft-1为t-1时刻的频率偏差；

(3c)形成虚拟电厂的改进下垂曲线：

首先形成合并单向可调空调序列：将排序后的可上调序列和补充上调序列组合成合并上调序列，将排序后的可下调序列和补充下调序列组合成合并下调序列；

其次计算合并上调序列的可上调容量以及合并下调序列的可下调容量：

上式中，和分别表示虚拟电厂的可上调容量和可下调容量；和分别表示高档位、低档位以及自然档位下空调的功率；下标i,j,k分别表示可上调序列、可下调序列和双向可调序列中的空调标号，I,J,K分别表示以上3个序列中空调的总数；

然后分别计算低频段和高频段的虚拟电厂功频静特性系数KL1和KL2：

上式中，和分别表示为了避免部分空调单元频繁动作而设置的频率死区的上、下边界；fmax和fmin分别表示电网可接受的频率上限值与下限值；

最后形成离散控制方式下的阶梯状功频特性曲线。

进一步地，在形成合并单向可调空调序列的过程中，每个合并序列中单向可调序列作为一个整体位于合并序列的前部，双向可调序列则整体位于合并序列的后部。

进一步地，步骤(4)的具体过程如下：

(4a)计算并下发触发频率，计算方法如下：

上式中，表示上调序列中第i台空调第t时刻的触发频率；表示下调序列中第i台空调第t时刻的触发频率；和分别表示第k台空调第t时刻的可上调容量和可下调容量；υt-1＝KDΔft-1，为虚拟惯性环节中的控制参数，用来表征t-1时刻系统频率偏差量对t时刻功率调节量的影响；Nup表示可上调序列中空调的数量；Ndown表示可下调序列中空调的数量；

(4b)本地控制器进行室内机运行档位调节：

本地控制器以Δτ为间隔对电网频率进行实时检测，若检测到的频率f^mea超出了频率检测死区，即或则将f^mea与触发频率相比较，根据以下逻辑进行运行状态的切换：

1)当时，合并上调序列中的空调进行状态切换，其中可上调序列中的空调由高档位切换至自然档位，补充上调序列中的空调由自然档位切换至低档位；

2)当时，合并下调序列中的空调进行状态切换，其中可下调序列中的空调由低档位切换至自然档位，补充下调序列中的空调由自然档位切换至高档位；

3)将完成档位切换后的空调纳入锁定序列，并开始计时，直到锁定时间结束重新纳入可调序列；

(4c)更新舒适度指标ζ：

以Δt为时间间隔，根据下式计算空调电功率P^AC：

上式中，为t时刻注入房间的冷量；

根据空调房间的一阶热力学模型计算室内温度Tⁱⁿ，再通过室内温度Tⁱⁿ更新舒适度指标ζ。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明采用设定温度调节法来参与电网二次调频，并通过市场控制方式实现调频容量的分配，保证了用户舒适度的一致性；在此基础上，采用运行档位调节法来参与电网一次调频，并在传统虚拟下垂控制的基础上引入了虚拟惯性控制，对一次调频性能加以改进。本发明将不同调控方式下空调系统的功率响应特性在时序上与电网二次调频和一次调频的响应需求匹配起来，充分挖掘了空调系统的需求响应潜力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为用户需求曲线图；

图3为虚拟电厂一次调频综合控制模型图；

图4为离散控制方式下虚拟电厂的改进虚拟下垂曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明设计的一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法，步骤如下：

1、根据用户舒适度要求以及空调系统的基本参数，形成用户需求曲线，对所有用户需求曲线进行聚合，并由虚拟电厂代表空调用户在虚拟二次调频市场进行投标；

2、采用市场控制方式形成虚拟控制信号，通过调整空调用户的设定温度实现二次调频；

3、在传统虚拟下垂控制的基础上加入虚拟惯性环节，形成虚拟电厂的改进虚拟下垂曲线；

4、计算并下发离散控制方式下每台空调的档位调节触发频率，通过调节室内机运行档位实现一次调频。

在本实施例中，上述步骤1采用如下优选方案实现：

1-1、立空调房间的一阶热力学模型：

其中：C为房间的等效热容；R为房间的等效热阻；Tⁱⁿ为室内温度；T^out为室外温度；P^AC为空调电功率；EER为空调制冷能效比；表示对时间的微分。

1-2、义用户的舒适度指标：

其中：T^des为用户期望温度，Tⁱⁿ为实际室内温度，δ为与期望温度相比用户能承受的最大温度偏差。

1-3、本地形成用户需求曲线：

用户需求曲线为空调运行功率和用户舒适度之间的对应关系，即为了维持舒适度ζ所需的电功率P。

首先形成初始用户需求曲线，如图2中细实线所示。令dTⁱⁿ/dt＝0，联立式(1)、(2)求得任何室温状态下空调运行功率与用户舒适度之间的对应关系如下式：

P＝a·ζ+b (3)

其中：对于同一用户，δ、R、EER以及T^des均为常数，并且认为在短时间内室外温度T^out也为常数，因此P是关于ζ的一次函数，表征了为维持一定用户舒适度而产生的电功率需求。

之后形成改进用户需求曲线，如图2中粗实线所示。考虑到空调的实际运行功率约束，应当保证维持ζ的功率介于空调的最大功率和最小功率之间，即Pmin≤P^AC≤Pmax，此时应将式(3)修正为式(5)：

1-4、行用户需求曲线聚合投标：

首先形成聚合需求曲线。每个空调用户将自身的需求曲线上报至虚拟电厂，由虚拟电厂按下式形成聚合需求曲线：

其中：m表示空调用户标号；M表示空调用户总数。

之后由虚拟电厂代表空调用户在虚拟二次调频市场进行投标。

在本实施例中，上述步骤2采用如下优选方案实现：

2-1、进行虚拟市场出清：

首先以5min为时间间隔，根据系统功率实时平衡情况确定每个二次调频时段中虚拟电厂的总控制功率P^con。

之后求取P^con与聚合需求曲线的交点，得到虚拟市场价格ζ，相当于该时段中虚拟电厂的虚拟控制信号。

2-2、进行控制信号分解：

将市场出清过程中得到的ζ信号下发至各空调单体，由本地控制器根据式(3)计算每台空调维持舒适度ζ所需功率P^AC。

2-3、调整用户设定温度实现二次调频：

根据式(7)计算用户消耗功率P^AC所对应的设定温度T^set，并由本地控制器将每个房间的设定温度调节至T^set来为系统提供二次调频容量。

T^set＝T^out-P^AC·R·EER (7)

在本实施例中，上述步骤3采用如下优选方案实现：

3-1、形成可调空调序列：

首先将所有空调划分为四个序列：可上调序列、可下调序列、双向可调序列和锁定序列。空调运行档位切换后，归入锁定序列(锁定时间为1min)；锁定时间结束后，根据其当前档位状态对其进行序列划分：低档位纳入可下调序列，高档位纳入可上调序列，自然档位纳入双向可调序列。

之后对每个序列中的空调进行排序：对可上调序列中的空调根据ζ从高到低排序，对可下调序列中的空调根据ζ从低到高排序；对双向可调序列中的空调分别根据ζ从高到低和从低到高排序，形成补充上调序列和补充下调序列。

3-2、形成计及虚拟惯性环节的虚拟电厂功频特性：

首先在虚拟下垂控制的基础上加入虚拟惯性环节，如图3所示，一次调频综合控制策略中，虚拟电厂的功率变化量如下式：

上式中，ΔP为虚拟电厂的功率变化量，Δf为频率偏差，KL为频率偏差的比例系数，KD为频率偏差的微分系数。

之后以差分代替微分，得到线性化控制策略：

ΔPt＝KLΔft+KD(Δft-Δft-1)＝(KL+KD)Δft-KDΔft-1 (9)

上式中，ΔPt为虚拟电厂t时刻的功率变化量，Δft为t时刻的频率偏差，Δft-1为t-1时刻的频率偏差。

3-3、形成虚拟电厂的改进下垂曲线：

首先形成合并单向可调空调序列。将排序后的可上调序列和补充上调序列组合成合并上调序列，同理形成合并下调序列。为保证调节过程中优先调整处于高档位或低档位的空调，使其尽快恢复到自然运行状态，规定每个合并序列中单向可调序列作为一个整体位于序列前部，双向可调序列则整体位于序列后部。

之后计算合并上调序列的可上调容量以及合并下调序列的可下调容量：

其中：和分别表示虚拟电厂的可上调容量和可下调容量；和分别表示高档位、低档位以及自然档位下空调的功率；下标i,j,k分别表示可上调序列、可下调序列和双向可调序列中的空调标号，I,J,K分别表示以上3个序列中空调的总数；

然后分别计算低频段和高频段的虚拟电厂功频静特性系数KL1和KL2：

其中：和分别表示为了避免部分空调单元频繁动作而设置的频率死区的上下边界；fmax和fmin分别表示电网可接受的频率上限值与下限值。

最后形成离散控制方式下的阶梯状功频特性曲线，如图4所示。

4-1、计算并下发触发频率：

由于离散控制方式下空调负荷在响应系统频率时功率的变化量是离散的，只有当频率偏差达到一定数值时，空调负荷的运行档位才会发生改变。为得到近似连续的频率响应特性，需要计算出对于每台空调，当频率变成多少时其开关状态发生改变，即每台空调开关状态改变对应的触发频率，计算方法如下：

其中：表示上调序列中第i台空调第t时刻的触发频率；表示下调序列中第i台空调第t时刻的触发频率；和分别表示第k台空调第t时刻的可上调容量和可下调容量；υt-1＝KDΔft-1，为虚拟惯性环节中的控制参数，用来表征t-1时刻系统频率偏差量对t时刻功率调节量的影响；Nup表示可上调序列中空调的数量；Ndown表示可下调序列中空调的数量。

4-2、本地控制器进行室内机运行档位调节：

本地控制器以1s为间隔对电网频率进行实时检测，若检测到的频率f^mea超出了频率检测死区，即或则将f^mea与触发频率相比较，根据以下逻辑进行运行状态的切换：

当时，合并上调序列中的空调进行状态切换，其中可上调序列中的空调由高档位切换至自然档位，补充上调序列中的空调由自然档位切换至低档位；

当时，合并下调序列中的空调进行状态切换，其中可下调序列中的空调由低档位切换至自然档位，补充下调序列中的空调由自然档位切换至高档位；

将完成档位切换后的空调纳入锁定序列，并开始计时，直到锁定时间结束重新纳入可调序列。

4-3、更新舒适度指标ζ：

以Δt＝1min为时间间隔，根据下式计算空调电功率P^AC：

上式中，为t时刻注入房间的冷量。

根据空调房间的一阶热力学模型计算室内温度Tⁱⁿ，再通过室内温度Tⁱⁿ更新舒适度指标ζ。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。