空調(diào)負(fù)荷聚合商的優(yōu)化調(diào)度策略研究

孫 亮，焦 傲，石運(yùn)東，張 程

(1. 東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012； 2.國(guó)網(wǎng)承德供電公司，河北 承德 067000;3. 國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130022)

日前，國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司在《2018中國(guó)電力供需分析報(bào)告》中指出：受宏觀經(jīng)濟(jì)以及夏季持續(xù)高溫等因素影響，全社會(huì)用電量較上年增長(zhǎng)6.6%，增速較上年提高1.6個(gè)百分點(diǎn)。雖然總體上看，電力供需供大于求，但以時(shí)、域劃分，部分地區(qū)在用電高峰時(shí)段仍存在電力缺口[1]。針對(duì)上述用電高峰的電力缺額的問(wèn)題，當(dāng)下智能電網(wǎng)雙向通信技術(shù)與高級(jí)量測(cè)體系的發(fā)展，使負(fù)荷可控性增強(qiáng)，負(fù)荷主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)成為可能[2-5]，其中空調(diào)負(fù)荷作為典型柔性負(fù)荷，用量逐年攀升，數(shù)量多、容量大，正在成為重要需求響應(yīng)資源[6-7]。但是在需求響應(yīng)項(xiàng)目中單個(gè)負(fù)荷通常無(wú)法滿足需求響應(yīng)最低容量門檻[8-9]，且目前對(duì)空調(diào)負(fù)荷的調(diào)度策略研究多局限于在用電高峰制定調(diào)度方案，即削峰調(diào)度策略研究，忽略了正常運(yùn)行過(guò)程中的合理調(diào)度，其常用的啟停控制和溫度控制兩種削峰調(diào)度方式也存在不足：?jiǎn)⑼？刂埔愿淖冊(cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作為決策方式，在控制期間，室溫隨控制時(shí)間延長(zhǎng)不斷攀升，不能長(zhǎng)期持續(xù)削峰[10]；溫度控制通過(guò)重置運(yùn)行區(qū)間作為決策方式對(duì)使用功率作出決策，為達(dá)到啟停控制同等削峰效果，需更多數(shù)量的響應(yīng)設(shè)備參與其中[11]。

基于以上考慮，本文針對(duì)這一矛盾，依托負(fù)荷聚合商的基礎(chǔ)設(shè)施，利用負(fù)荷聚合商來(lái)整合眾多分布分散的中小負(fù)荷資源使之參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，制定聚合商運(yùn)作模式下空調(diào)負(fù)荷的合理調(diào)度策略：負(fù)荷的平、谷時(shí)段，尋求空調(diào)負(fù)荷的平滑接入；負(fù)荷高峰時(shí)段，通過(guò)合理調(diào)度策略達(dá)到電網(wǎng)側(cè)指定的負(fù)荷削峰效果，緩解系統(tǒng)供需壓力；并在此基礎(chǔ)上提出具體實(shí)施方案，建立相關(guān)優(yōu)化調(diào)度模型。

1 空調(diào)負(fù)荷聚合商控制架構(gòu)

空調(diào)負(fù)荷是典型的溫控設(shè)備，為使其參與需求響應(yīng)，聚合商對(duì)其安裝溫度控制器等輔助設(shè)備，依靠區(qū)域測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)采集空調(diào)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)遠(yuǎn)程或本地的開斷終端掌握空調(diào)的控制權(quán)。通過(guò)與系統(tǒng)、負(fù)荷簽訂雙向協(xié)議，構(gòu)建信息傳遞橋梁，從而響應(yīng)電網(wǎng)公司調(diào)度需求，完成負(fù)荷削減或平滑接入的目標(biāo)。在聚合商對(duì)受控負(fù)荷的微觀控制中，又包含集中控制與分散控制兩種控制模式。集中控制可靠性高，能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)，但費(fèi)用高昂，且傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，存在信號(hào)延遲；分散控制節(jié)省通信成本，缺乏可靠性，可能存在響應(yīng)不足或過(guò)量響應(yīng)的問(wèn)題?；谝陨峡紤]，聚合商將其應(yīng)用于不同場(chǎng)景，整體的控制架構(gòu)見圖1。

圖1 聚合商整體控制架構(gòu)

2 空調(diào)負(fù)荷特性建模

2.1 空調(diào)負(fù)荷熱動(dòng)力學(xué)模型

采用等效熱參數(shù)模型，將室內(nèi)外熱效應(yīng)、室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)以及設(shè)備自身制冷容量等效為電感、電容、電阻等電路參數(shù)[12-13]，以室內(nèi)溫度為狀態(tài)變量，室外溫度及空調(diào)制冷量為輸入量，推導(dǎo)出用于空調(diào)所屬建筑物的時(shí)變室溫預(yù)測(cè)模型：

當(dāng)空調(diào)關(guān)閉：

(1)

當(dāng)空調(diào)開啟：

(2)

2.2 空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行模型

過(guò)設(shè)置運(yùn)行溫度的上下限(θmax、θmin)，使室溫在一個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)周期變化，過(guò)程中需輸入理想溫度值θset與允許偏差Ψ：

(3)

當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)置上限，空調(diào)啟動(dòng)，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間記為ton，本文將該過(guò)程稱為“on狀態(tài)”；當(dāng)室溫降至設(shè)置下限，空調(diào)關(guān)閉，持續(xù)時(shí)間記為toff，并將該過(guò)程稱為“off狀態(tài)”；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)置上限時(shí)再次啟動(dòng)，則運(yùn)行過(guò)程過(guò)渡到下一周期。

3 空調(diào)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略

3.1 空調(diào)負(fù)荷正常運(yùn)行調(diào)度策略

在電力充足時(shí)段，正常運(yùn)行調(diào)度策略以尋求大量空調(diào)負(fù)荷的平滑接入，避免在某時(shí)刻出現(xiàn)明顯的負(fù)荷曲線尖點(diǎn)為目標(biāo)，為此本文提出的調(diào)度過(guò)程采用 “分組分狀態(tài)”的分級(jí)控制策略(見圖2)，圖中深灰色塊表示“off狀態(tài)”，淺灰色塊表示“on狀態(tài)”。

該控制策略下首先對(duì)負(fù)荷聚合商所轄區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行分組，秉承“系數(shù)相近原則”，包括：氣體等效熱容相近、等效熱阻相近以及設(shè)備運(yùn)行功率相近，目的在于保證組內(nèi)設(shè)備溫升曲線大致重合，方便制定統(tǒng)一的控制決策值；其次，將組內(nèi)設(shè)備劃分為ta個(gè)狀態(tài)進(jìn)行輪控，輪控間隔1 min，若輪控間隔延長(zhǎng)，則相應(yīng)成比例減少劃分狀態(tài)數(shù)量。

圖2 正常運(yùn)行調(diào)度策略

3.2 空調(diào)負(fù)荷削峰運(yùn)行調(diào)度策略

本文在此引入豐富度和均勻度的概念此外，豐富度用以衡量負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)多樣性，正常運(yùn)行過(guò)程中的空調(diào)負(fù)荷存在“off”與“on”兩種狀態(tài)，均勻度用以衡量各運(yùn)行狀態(tài)負(fù)荷數(shù)量接近程度，在正常運(yùn)行調(diào)度策略中各狀態(tài)的設(shè)備數(shù)量平均分布，然而在削峰運(yùn)行調(diào)度中無(wú)論采用啟?？刂苹驕囟瓤刂疲湄S富度、均勻度都會(huì)遭到破壞，負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程中易產(chǎn)生功率振蕩，引起二次功率沖擊?；诖吮疚姆至鶄€(gè)階段提出了優(yōu)化削峰調(diào)度策略。

第一階段：聚合商接收削峰指令前，空調(diào)負(fù)荷按正常運(yùn)行調(diào)度策略平均分布于各個(gè)狀態(tài)；第二階段：聚合商接收削峰指令時(shí)，采用啟?？刂?，將受控負(fù)荷全部關(guān)閉，快速削減負(fù)荷；第三階段：對(duì)受控負(fù)荷不設(shè)溫度上下限，進(jìn)行一段時(shí)間的“自由放逐”；第四階段：采用溫度控制重置溫度上下限，使新置溫度與原始溫度偏差Δθ等于第三階段過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移量；第五階段：狀態(tài)持續(xù)，使受控負(fù)荷群在新的溫度域內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間；第六階段：狀態(tài)恢復(fù)，為避免對(duì)用戶舒適度造成負(fù)面影響，恢復(fù)受控負(fù)荷初始設(shè)定溫度。

通過(guò)該調(diào)度策略，能夠維持削峰過(guò)程中的豐富度、均勻度不被破壞。同時(shí)為避免單個(gè)用戶負(fù)荷在控制過(guò)程中頻繁啟動(dòng)對(duì)設(shè)備造成不利影響，對(duì)每臺(tái)簽約設(shè)備單次響應(yīng)時(shí)間ti均應(yīng)設(shè)置響應(yīng)限值，包括單次最短響應(yīng)時(shí)間tmin、單次最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間tmax以及響應(yīng)休止時(shí)間twait，空調(diào)設(shè)備在響應(yīng)過(guò)程中需滿足式(4)條件：

tmin≤ti≤tmax,i=1,2，…,n

(4)

單次響應(yīng)結(jié)束之后，設(shè)備在休止時(shí)間內(nèi)無(wú)法接收控制中心發(fā)送來(lái)的有效控制指令。

4 優(yōu)化調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

在削峰過(guò)程中電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行調(diào)度中心會(huì)根據(jù)近期日負(fù)荷曲線及電力供應(yīng)情況確定與負(fù)荷聚合商之間的協(xié)議削減量。將i時(shí)刻電網(wǎng)側(cè)提出的協(xié)議削減功率記為Pi；i時(shí)刻由負(fù)荷狀態(tài)恢復(fù)引起的沖擊功率記為Pr,i；兩者之和構(gòu)成i時(shí)刻的目標(biāo)削減功率。

i時(shí)刻受控分組內(nèi)負(fù)荷功率矩陣記為Pij，Pij=[Pi1Pi2…Pin];ωij為決策變量矩陣，包含0和1兩種元素，元素1表示負(fù)荷參與削峰運(yùn)行,元素0表示設(shè)備正常運(yùn)行，不改變?cè)袪顟B(tài)。負(fù)荷功率矩陣與決策變量矩陣兩者乘積表示空調(diào)聚合商的實(shí)際削減功率。

i時(shí)刻受控分組內(nèi)設(shè)備總數(shù)記為n。

本文以尋求實(shí)際削減功率與目標(biāo)削減量之間的最小數(shù)據(jù)偏差為目的(實(shí)際削減量及恢復(fù)功率的二次沖擊效應(yīng))，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)G如下：

(5)

其中，恢復(fù)功率可通過(guò)削峰調(diào)度策略過(guò)程合理預(yù)估：

(6)

式中α為溫升比例系數(shù)，等于控制前后設(shè)定溫度改變量Δθ與設(shè)定溫度上下限差值之間的比值：

(7)

β為運(yùn)行占空比，表示負(fù)荷在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)， 處于“on狀態(tài)”的時(shí)長(zhǎng)占比：

(8)

4.2 約束條件

4.2.1 受控時(shí)長(zhǎng)約束

削峰過(guò)程溫升取決于第二階段控制時(shí)長(zhǎng)δ2，需對(duì)其加以約束。結(jié)合空調(diào)負(fù)荷熱傳遞過(guò)程中的ETP模型，當(dāng)空調(diào)設(shè)備處于“off狀態(tài)”時(shí)表達(dá)式如下：

(9)

δ2′≤3RC

(10)

除此之外,部分用戶在與聚合商協(xié)議中附加最大允許溫升Δθad條件(聚合商也可根據(jù)體感要求自行設(shè)置)，結(jié)合式(1)及式(9)，得約束式：

(11)

綜上,慮及設(shè)備的制冷效力約束以及用戶的舒適度要求兩種因素，確定δ2最終值：

(12)

4.2.2 用戶參與意愿

為調(diào)動(dòng)用戶積極性,充分挖掘空調(diào)負(fù)荷的削峰潛力,允許用戶僅在特定時(shí)間段內(nèi)參與需求響應(yīng), 以Sij表示i時(shí)刻分組內(nèi)j號(hào)負(fù)荷的參與意愿，體現(xiàn)在負(fù)荷決策變量矩陣ωij上，則為：

ωij=[0 0…ωt1j…ωij…ωt2j…0]T

(13)

僅受控期間元素為決策待定量，受控期間以外的各元素均為0。

5 算例及結(jié)果分析

5.1 算例及控制結(jié)果

為了驗(yàn)證本文負(fù)荷聚合商運(yùn)作模式下的空調(diào)負(fù)荷控制策略，對(duì)暑季多個(gè)智能小區(qū)空調(diào)負(fù)荷在12:00至13:00用電高峰時(shí)段進(jìn)行削峰模擬，簽約設(shè)備共計(jì)1 600臺(tái)，根據(jù)系數(shù)相近原則對(duì)簽約設(shè)備進(jìn)行分組，所轄空調(diào)設(shè)備共計(jì)7組，各組設(shè)備數(shù)量分布及其相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 負(fù)荷熱力學(xué)參數(shù)

組內(nèi)設(shè)備用電功率按編號(hào)在±0.3 kW內(nèi)均勻分布，溫度設(shè)置在24～26 ℃之間高斯分布，設(shè)置溫度允許偏差為2 ℃，特別地，第1組空調(diào)負(fù)荷在協(xié)議中規(guī)定了最大允許溫升2 ℃，其他組別負(fù)荷服從調(diào)度安排。

仿真過(guò)程中，聚合商接收削峰指令前采用正常運(yùn)行調(diào)度策略，削峰過(guò)程則分別采用以下3種不同方式:

方式1，采用啟?？刂?，控制時(shí)長(zhǎng)20 min，之后進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)；

方式2，采用本文3.2節(jié)的削峰調(diào)度策略，負(fù)荷單次受控總時(shí)長(zhǎng)亦取20 min；

方式3，采用溫度控制，保持與方式二同等溫升前提下達(dá)到相同削峰效果，控制時(shí)長(zhǎng)20 min。

聯(lián)立式(1)至(3)，結(jié)合表1負(fù)荷熱力學(xué)參數(shù)得其運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

其中，最小運(yùn)行周期27.8 min，故本文以每4 min作為輪控間隔，借助Matlab工具在12:00～12:40時(shí)段內(nèi)進(jìn)行仿真驗(yàn)證 。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 負(fù)荷跟隨能力

引入跟隨偏差μ衡量控制過(guò)程的響應(yīng)精度，本文在±2%范圍內(nèi)認(rèn)定其具備跟隨能力：

μ=(Pis-Pi)/Pi

(16)

式中:Pi為i時(shí)刻電網(wǎng)側(cè)目標(biāo)削減功率；Pis為實(shí)際負(fù)荷削減量。方式1、方式2控制結(jié)果對(duì)比見圖3。

方式1僅能夠在起始控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟隨，自12:20起，出現(xiàn)明顯誤差，無(wú)法應(yīng)對(duì)負(fù)荷狀態(tài)恢復(fù)時(shí)的二次功率沖擊；采用本文提出的削峰調(diào)度策略，控制模型慮及狀態(tài)恢復(fù)引起的功率沖擊，最大負(fù)荷跟隨偏差1.29%，可見具有良好負(fù)荷跟隨能力。

表2 負(fù)荷運(yùn)行參數(shù) min

圖3 兩種方式下負(fù)荷削減容量曲線

5.2.2 狀態(tài)改變范圍

引入用戶參與度ρ衡量控制過(guò)程的影響范圍，參數(shù)表達(dá)式為：

ρ=k/n

(17)

式中：n為各分組內(nèi)簽約負(fù)荷總數(shù)；k為分組內(nèi)削峰運(yùn)行時(shí)的受控負(fù)荷總數(shù)。

參與度ρ的控制值越小，一方面說(shuō)明同等削峰效果下，受控范圍越集中，另一方面說(shuō)明該方式具備更加充足的削峰備用。仿真過(guò)程中分別通過(guò)方式2、方式3兩種控制方式，達(dá)到同等削峰效果，用戶參與情況見圖4。采用本文調(diào)度策略，最大用戶參與度28%，遠(yuǎn)小于方式3的溫度控制，極大提升了備用削峰潛力。

圖4 兩種方式下用戶參與度

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)空調(diào)聚合商的用戶側(cè)調(diào)度策略展開了研究，正常運(yùn)行過(guò)程中提出一種“分組分狀態(tài)”的分級(jí)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)負(fù)荷群的平滑接入；削峰運(yùn)行過(guò)程在慮及負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)豐富度及均勻度的前提下，提出一種優(yōu)化削峰調(diào)度策略，并以最優(yōu)削峰效果為目標(biāo)函數(shù)、用戶允許溫升為約束條件，建立了削峰過(guò)程中的優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)具體算例表明該方案具有良好的負(fù)荷跟隨能力，相較于溫度控制，影響范圍更小，可控削峰潛力更大。