計及反彈負荷平抑的空調(diào)集群直接負荷控制研究

梁 捷，梁廣明

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司計量中心，廣西 南寧 530023；2.南寧百會藥業(yè)集團有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著居民家庭空調(diào)用電量占比的不斷增長，用戶空調(diào)負荷對需求側(cè)管理的重要性不斷提升[1]。在保證用戶用電舒適性的前提下，需求響應(yīng)通過運用價格或激勵措施誘導(dǎo)用戶改變其自身用電行為以優(yōu)化電能供需平衡，對于降低電力消費成本，優(yōu)化電能供需平衡具有重要意義[2]。直接負荷控制項目(direct load control，DLC)作為需求響應(yīng)的重要方式之一，是指供電公司在系統(tǒng)或地區(qū)配網(wǎng)發(fā)生緊急情況下，在不給用戶提前通知或短時間提前通知的前提下，以支付給用戶一定獎勵或電費折扣為交換，遙控調(diào)整或關(guān)閉用戶電器設(shè)備的需求響應(yīng)項目[3]。文獻[4]在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架下，構(gòu)建了在需求響應(yīng)下風(fēng)電和火電能源消納的調(diào)度優(yōu)化策略模型，但沒有考慮用戶在DLC試驗過程中退出直接負荷控制的影響。對此，本文在分析用戶退出DLC原因的基礎(chǔ)上，提出了基于需求側(cè)長控方案的供需雙側(cè)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。

1 直接負荷控制項目

1.1 項目實施流程

廣西某直接負荷控制項目實施流程，如圖1所示。

圖1 DLC項目實施流程

首先通過廣告和舉辦社區(qū)教育活動等方式宣傳DLC項目，招募用戶參與。對有意愿參與DLC項目的用戶進行資格審查，確定用戶是否適合參與項目。評估內(nèi)容包括：用電負荷在用電高峰期開啟頻率；用電負荷是否安裝受控設(shè)備；用戶健康程度適宜參與項目等。接著，對適宜用戶進行調(diào)查用電負荷的功率、房間熱參數(shù)等，并對其存檔。然后簽訂DLC合同，合同[5]內(nèi)容包括：受控時間和對用戶的補償?shù)?。電力公司免費為適宜參加項目的用戶安裝控制和計量設(shè)備，并定期維護?？刂圃O(shè)備通常以一組便于協(xié)同控制的集群為單位，控制內(nèi)容包括用電設(shè)備的開啟關(guān)閉、運行模式和溫度設(shè)定等。當(dāng)需要實施DLC控制時，調(diào)度方根據(jù)負荷削減要求、溫度預(yù)測數(shù)據(jù)和合同規(guī)定的DLC控制方案計算DLC控制方案，該方案通過通信網(wǎng)絡(luò)下達到各用戶的DLC設(shè)備執(zhí)行負荷控制。

1.2 DLC控制方案

空調(diào)集群負荷的常見直接DLC措施包括：①關(guān)?？照{(diào)；②對空調(diào)進行占空比[6]控制，即調(diào)整空調(diào)滿負荷運行時長與降頻低負荷運行時長的比例；③調(diào)整空調(diào)溫度。針對上述控制措施的特點，結(jié)合實際項目的運行經(jīng)驗，可設(shè)計A、B、C 3類控制方法，如表1所示。參與DLC的用戶可視自身情況申報其中一種DLC控制方案，DLC合同也規(guī)定用戶參與DLC事件的總次數(shù)，當(dāng)被調(diào)用次數(shù)超過該值后將不再受控。DLC實施方可通過3種方案的組合在DLC控制周期內(nèi)完成預(yù)定負荷削減計劃。

表1 DLC控制方案 單位：h

1.3 用戶退出DLC的影響

(1)

式中：rt,k為接受DLC控制措施k后，用戶在DLC執(zhí)行第t時段的自主退出率，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估計；Pj,k,t為用戶j接受控制措施k后，在時段t的可控空調(diào)負荷；PWj,t為用戶j未接受DLC時在時段t的負荷，可根據(jù)歷史負荷估計；β為設(shè)備故障率，見式(2)。式(1)右端3項分別代表DLC執(zhí)行過程中用戶未選擇自主退出、選擇自主退出和未參與DLC的負荷。

β=θ+α-α·θ

(2)

式中：α，θ分別為遠動設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)單元的故障率。

2 計及負荷反彈的直接負荷控制雙層優(yōu)化模型

為了給DLC實施方控制措施的制定提供依據(jù)，本文構(gòu)建供需雙方協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，電力需求側(cè)DLC調(diào)度模型以可控負荷的負荷控制組數(shù)為變量，以系統(tǒng)負荷曲線削峰為目標進行優(yōu)化；電力供應(yīng)側(cè)機組調(diào)度模型以機組出力為變量，對系統(tǒng)調(diào)度總成本進行優(yōu)化。供需雙層模型在迭代尋優(yōu)過程中通過負荷曲線值進行數(shù)據(jù)交互。

2.1 DLC調(diào)度模型

2.1.1 目標函數(shù)

優(yōu)化目標為執(zhí)行DLC時各時段的實際負荷削減值與負荷削減需求盡可能接近，則應(yīng)建立子目標1。

F11=min max|∑ΔPi,t-ΔPAt|

(3)

式中：ΔPAt為t時段的削減需求；ΔPj,t為DLC控制下用戶j在時段t的負荷削減量。

(4)

結(jié)果顯示，區(qū)別于激勵型需求響應(yīng)模式，空調(diào)、熱水器等參與DLC的小型居民用電設(shè)備在DLC受控結(jié)束后，常會出現(xiàn)負荷反彈現(xiàn)象，這通常是由于當(dāng)受控負荷結(jié)束后，為滿足用戶舒適度或使用需求，會試圖恢復(fù)到甚至高于被控制前的負荷水平，使受控期間被削減的負荷將部分或者全部調(diào)增，從而導(dǎo)致后續(xù)負荷突然增大。這部分在DLC受控結(jié)束后產(chǎn)生的超過未參與DLC時的負荷被稱為反彈負荷。反彈負荷通常受DLC控制措施的影響較大。如果較大的反彈負荷和較大系統(tǒng)負荷共存，則會產(chǎn)生二次高峰負荷，并影響系統(tǒng)穩(wěn)定和持續(xù)供電，因此在居民DLC優(yōu)化調(diào)度模型中需考慮抑制反彈負荷的影響。而大工業(yè)用戶由于其生產(chǎn)過程按計劃穩(wěn)定執(zhí)行，中斷恢復(fù)后一般無負荷反彈。

定義DLC短控模式為負荷削減需求結(jié)束后，所有用戶立即退出受控，DLC長控模式為負荷削減需求結(jié)束后，令用戶在后續(xù)一定時間內(nèi)繼續(xù)受控。由于長控方案中用戶在負荷削減需求結(jié)束后可以逐步退出受控，預(yù)計可減少反彈負荷的影響。

本文基于長控方案，在DLC調(diào)度模型中加入子目標2：在負荷削減需求結(jié)束后，DLC產(chǎn)生的反彈負荷應(yīng)盡可能小。

F1=η1F11+η2min maxPPt

(5)

式中：PPt為DLC結(jié)束后在第t時段產(chǎn)生的反彈負荷，如式(6);η1、η2分別為權(quán)重系數(shù)。

(6)

式中：γk為用戶在控制措施k影響下的反彈負荷波動因子，用于估計負荷在受控恢復(fù)后的波動程度。

2.1.2 約束條件

a.受控負荷數(shù)約束

由于DLC合同約定了用戶受DLC控制的次數(shù)上限，故執(zhí)行DLC時，實際受控用戶組數(shù)應(yīng)小于或等于符合約定實際能夠參與受控的用戶總數(shù)。

0≤∑Xk≤Mk

(7)

式中：Mk為能進行第k類措施控制的用戶總數(shù)。

b.反彈發(fā)生時期約束

反彈負荷通常發(fā)生在DLC負荷削減時期結(jié)束后，用戶重新獲得空調(diào)控制權(quán)時。

PPt≥0,t∈T/TD

(8)

式中：T和TD分別為全試驗周期和受控時間周期。

2.2 機組調(diào)度模型

基于DLC削減負荷階段得到的負荷曲線優(yōu)化結(jié)果，在經(jīng)濟調(diào)度階段，根據(jù)火電機組運行參數(shù)，同時考慮需求響應(yīng)約束，建立機組調(diào)度模型，目標函數(shù)為調(diào)度方的成本最小。

minF2=∑∑[Ug,tdCg,td(Pg,td)+Ug,td(1-Ug,td)Sg,td]+CI

(9)

式中：td為機組調(diào)度時段；Ug,td為td時段機組的運行狀態(tài)，為0～1決策變量；Sg,td和Cg,td分別為機組在td時段的運行成本和啟停機成本；Pg,td為td時段機組的有功出力值；CI為需求響應(yīng)的調(diào)用成本。

約束條件除了考慮系統(tǒng)運行功率平衡約束、火電機組出力約束等機組常規(guī)約束外，還需考慮DLC需求響應(yīng)控制量約束。

(10)

在上述過程中，第一階段調(diào)度方以火電機組運行成本和初始方案的需求響應(yīng)調(diào)用成本為目標函數(shù)，通過機組組合求得一套經(jīng)濟性優(yōu)化后的機組調(diào)度方案和對應(yīng)的負荷曲線，然后根據(jù)負載供需平衡，將其應(yīng)用到第二階段的DLC調(diào)度中。以實際負荷削減量與負荷削減需求最小為目標函數(shù)，獲得對各可控負荷的DLC具體執(zhí)行方案，由于DLC調(diào)度模型含0～1決策變量，若第二階段優(yōu)化得不到完整的整數(shù)解集，則將DLC調(diào)度模型中的0～1變量在[0,1]內(nèi)松弛，根據(jù)變鄰域搜索算法[7]在松弛解集的鄰域內(nèi)選擇一個整數(shù)解，并將其代入第一階段的機組調(diào)度模型重新進行優(yōu)化計算，重復(fù)上述過程，直到第二階段找到完整的整數(shù)解集，且該解集滿足調(diào)度方的實際應(yīng)用需求。

3 案例分析

以火電機組標準算例[8]的電力系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)負荷、火電機組和日負荷數(shù)據(jù)曲線參數(shù)參照文獻[9]。假設(shè)其中空調(diào)總負荷為3000 kW，均分為100戶，可控空調(diào)負荷為2000 kW，控制時間片為30 min。為比較不同控制模式的區(qū)別，將用戶平分為2組，分別實施短控和長控方案，同時獲取DLC前一個月的同期負荷歷史數(shù)據(jù)作為對比。DLC實施方計劃某天在08:00—12:30持續(xù)削減負荷7500 kW。根據(jù)第2節(jié)建立的DLC優(yōu)化模型進行仿真調(diào)度，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 DLC前后的空調(diào)負荷

圖2顯示不同控制模式下試驗時期的空調(diào)負荷曲線。由圖2可知，實施短控和長控方案的用戶在指定的削峰時段(時段16～25)內(nèi)均符合調(diào)度方的負荷削減計劃要求。另外，短控模式中用戶在受控削峰時期結(jié)束后，由于環(huán)境溫度較高，使用戶立即產(chǎn)生退出受控，即開啟空調(diào)提高舒適度的意識，從而導(dǎo)致空調(diào)負荷立即恢復(fù)到原有的用電水平，從而導(dǎo)致在時段26時，開始空調(diào)負荷突增，增幅約30%，相比圖中DLC實施前的同期歷史數(shù)據(jù)，反彈負荷的影響約持續(xù)至?xí)r段28，即持續(xù)了約1.5 h。而長控方案下，根據(jù)DLC調(diào)度模型中，子目標2對反彈負荷的優(yōu)化結(jié)果，實施方安排部分用戶的空調(diào)負荷在負荷削減需求結(jié)束后，繼續(xù)受控并按調(diào)度方案在后續(xù)時段逐步退出，故從圖2可知，時段26和27的反彈負荷峰值低于短控模式，與27時段2種模式的峰值相比，長控模式的峰值約降低8%。

4 結(jié)語

本文提出一種考慮用戶退出DLC和反彈負荷的供需雙側(cè)互動優(yōu)化調(diào)度模型。在對用戶可控負荷進行DLC調(diào)度過程中，一方面，考慮了需求側(cè)空調(diào)負荷的調(diào)控周期與負荷反彈之間的關(guān)聯(lián)，另一方面，考慮了電力供應(yīng)側(cè)的經(jīng)濟性和供需穩(wěn)定性的要求。算例仿真表明，本文調(diào)度方案的優(yōu)化結(jié)果，最終能夠有效平抑負荷反彈，滿足供需雙方的需求。將需求響應(yīng)與高級量測體系A(chǔ)MI建設(shè)聯(lián)系起來，需進一步研究。