考慮資源運行特性的可調(diào)節(jié)負荷調(diào)峰調(diào)頻優(yōu)化控制策略

寧 劍，吳繼平，江長明，張 哲，張 勇，徐 瑞

（1. 國家電網(wǎng)有限公司華北分部,北京市 100053；2. 南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106；3. 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機控制及電力物聯(lián)網(wǎng)等先進技術的發(fā)展以及輔助服務市場的逐步完善,可調(diào)節(jié)負荷資源具備參與電網(wǎng)互動的技術基礎和市場條件［1-2］。一方面,可調(diào)節(jié)負荷參與電網(wǎng)互動能夠響應電網(wǎng)季節(jié)性高峰負荷削減需求,緩解供需失衡矛盾,提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性；另一方面,能夠有效擴充電網(wǎng)調(diào)峰資源,提高風光等新能源消納空間、促進新能源消納［3］,助力新型電力系統(tǒng)構建。

由于負荷側資源具有個體分散且量大、單個可調(diào)容量小和運行無序分散等特征,業(yè)界多采用對多類負荷側資源聚合后再參與到電網(wǎng)調(diào)控集中優(yōu)化協(xié)同或分散式自發(fā)控制［4-6］。目前國內(nèi)外專家學者已就負荷側資源參與電網(wǎng)調(diào)度、需求響應資源促進新能源消納展開了大量技術研究。文獻［7］計及風電預測的不確定性,分別在日前、日內(nèi)和實時多時間尺度內(nèi)制定電價響應型柔性負荷資源的調(diào)度策略,進而消納更多的風電資源。文獻［8-10］分別研究了分布式儲能、電動汽車和溫控負荷的聚合模型,基于不同柔性負荷的運行約束,提出了各類資源參與電網(wǎng)調(diào)度滿足旋轉(zhuǎn)備用需求的方案,從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。文獻［11］研究了基于系統(tǒng)動力學的柔性負荷資源與電網(wǎng)互動模型,有效分析了柔性負荷資源在負荷需求和分時電價下的響應量及系統(tǒng)動態(tài)響應特性。文獻［12-13］研究了計及柔性負荷資源的多目標機組優(yōu)化方法求解和聚合資源的協(xié)同調(diào)控策略。國外相關研究關注基于激勵的需求響應,通過經(jīng)濟激勵措施（如電價折扣、經(jīng)濟補貼等）［14-15］,吸引需求側資源通過時移參與電網(wǎng)調(diào)度,并在美國、荷蘭和日本等國家有局部試點,但主要是在日前和日內(nèi)調(diào)度層面。業(yè)界針對電動汽車等負荷參與頻率控制也開展了理論研究。部分研究通過由集成商統(tǒng)一進行充電方式和時間的管理來參與電網(wǎng)平衡和頻率調(diào)節(jié)［16-17］,還有研究提出電動汽車、分布式儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻及輔助頻率控制,來提升備用和頻率控制效果［18-21］。

上述文獻都從策略層面設計了負荷側資源參與電網(wǎng)調(diào)控優(yōu)化方法,為負荷側資源參與電網(wǎng)調(diào)度奠定了堅實的技術基礎,但和火電等常規(guī)資源相比,還存在以下不足:

1）從理論上研究了不同類型負荷聚合后的控制模型,但缺乏基于實際業(yè)務數(shù)據(jù)的負荷聚合主體參與主站調(diào)控的響應特性和控制性能分析；

2）對負荷側資源參與輔助服務市場機制進行了一定研究,但對負荷側資源的市場出清結果如何安全、準確地通過實時指令自動執(zhí)行研究不夠；

3）負荷側資源參與主站控制的重點都在調(diào)峰控制上,但在參與調(diào)峰基礎上如何實際參與電網(wǎng)二次調(diào)頻還有待進一步深化研究。

自2019 年起,中國華北電網(wǎng)在國內(nèi)率先開始并已常態(tài)化通過負荷聚合商將電動汽車等可調(diào)節(jié)負荷大規(guī)模納入京津唐電網(wǎng)優(yōu)化控制和調(diào)峰輔助服務的技術實踐中［1］,但前期運行結果表明可調(diào)節(jié)負荷響應準確度差異較大,若不充分研究考慮負荷與發(fā)電的特性差異將導致調(diào)節(jié)過程和目標執(zhí)行無法達到最優(yōu)。本文在該工作的基礎上,首先根據(jù)負荷側資源實際參與華北調(diào)度主站閉環(huán)控制運行數(shù)據(jù),分析了負荷側資源參與主站控制的響應特性和調(diào)節(jié)性能,構建了適應源網(wǎng)荷儲協(xié)同的自動功率控制（automatic power control,APC）架構,提出了適應負荷側資源運行特性的調(diào)峰及調(diào)頻控制策略,實現(xiàn)在主站APC 模塊對負荷側資源長周期、穩(wěn)定的功率閉環(huán)控制,為后續(xù)負荷側資源參與調(diào)峰、調(diào)頻和事故處置等調(diào)度業(yè)務場景提供了技術支撐。

1 負荷側資源聚合參與控制響應特性分析

電動汽車、分布式儲能、智能樓宇空調(diào)和電采暖等目前常見的可調(diào)節(jié)負荷資源對外等效特征的聚合模型一般可表示為:

式中:S(t)為聚合負荷功率；P(n)為單體負荷功率；i(n,t)為第n個負荷在t時刻的開關狀態(tài)；N為負荷總個數(shù)。

通過聚合單體開關控制和單體功率連續(xù)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)整體聚合功率調(diào)節(jié),但受天氣溫度、用戶滿意度、突發(fā)事件以及用戶行為習慣等不可控因素影響,聚合后可調(diào)節(jié)負荷響應行為難以像常規(guī)機組一樣穩(wěn)定準確。

中國華北電網(wǎng)于2019 年6 月在國內(nèi)率先對電動汽車充電樁、分布式儲能集群開展了168 h 持續(xù)閉環(huán)實時控制。電動汽車、分布式儲能某典型時段的跟蹤響應曲線如附錄A 圖A1 和圖A2 所示。

考慮到負荷資源階梯響應和不確定行較強等特征,傳統(tǒng)“兩個細則”基于單個指令的計算方法不能完全適用于負荷調(diào)節(jié)性能評價,故分別采用華北區(qū)域“兩個細則”常規(guī)性能指標［22］和文獻［23］提出的相關性和延遲性指標（采用基于長周期跟蹤曲線的統(tǒng)計方式）對已接入華北源網(wǎng)荷儲平臺的2 類聚合負荷和某臺常規(guī)調(diào)頻火電機組分別進行測算。結果如表1 所示,其中常規(guī)火電和可調(diào)節(jié)負荷分別采用裝機容量和最大用電能力計算。

表1 可調(diào)節(jié)負荷調(diào)節(jié)性能對比Table 1 Comparison of adjustable load regulation performance

從實際數(shù)據(jù)來看,相比常規(guī)火電機組,電動汽車聚合參與主站控制的調(diào)節(jié)性能稍差,分布式儲能則明顯優(yōu)于常規(guī)火電,接近水電機組的調(diào)節(jié)能力。采用文獻［23］中的相關性和延遲性指標計算結果也顯示類似的結論。

普通公共充電樁、溫控類負荷可采用開關單元方式或功率連續(xù)調(diào)節(jié)（例如電動汽車入網(wǎng)（V2G）、分布式儲能）實現(xiàn)輸出功率控制,但調(diào)節(jié)對象容量小、控制對象多導致其功率輸出穩(wěn)定性無法與常規(guī)機組相比。根據(jù)可調(diào)節(jié)負荷聚合控制對象在華北電網(wǎng)實際工程現(xiàn)場的運行情況,定義一個穩(wěn)定性指標R來描述調(diào)節(jié)穩(wěn)定性,即當可調(diào)節(jié)負荷的控制指令不變化時間超過從一個控制周期開始到下一個不同指令下發(fā)時刻結束,在這段時間的計算公式如下:

式中:Pj為計算時段第j個采樣點的有功功率；Pc為計算時段的控制目標值；M為采樣點數(shù)。

利用式（2）分別計算了電動汽車充電樁、分布式儲能和常規(guī)600 MW 火電機組的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性指標,計算結果如表2 所示。

表2 不同類型控制對象調(diào)節(jié)穩(wěn)定性對比Table 2 Comparison of regulation stability of different control objects

綜合表1 和表2 可得,相比常規(guī)機組,不同類型的可調(diào)節(jié)負荷調(diào)節(jié)性能、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差異較大,同時,負荷頻繁調(diào)節(jié)對負荷用戶體驗、調(diào)節(jié)設備安全性都有不良影響。常規(guī)機組調(diào)頻中采用的比例分配、來回調(diào)節(jié)的控制機制不適應可調(diào)節(jié)負荷的控制要求,需要制定特定的差異化控制策略,才能充分發(fā)揮可調(diào)節(jié)負荷調(diào)節(jié)能力,滿足電網(wǎng)運行控制需求。

2 可調(diào)節(jié)負荷參與主站電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻策略

2.1 調(diào)度主站-聚合商兩級APC 架構

為促進新能源消納水平提升,推動可調(diào)節(jié)負荷大規(guī)模接入調(diào)度主站參與電網(wǎng)優(yōu)化閉環(huán)控制,通過建設源網(wǎng)荷儲兩級協(xié)調(diào)有功控制系統(tǒng),實現(xiàn)可調(diào)節(jié)負荷納入主站閉環(huán)控制。通過建立多級協(xié)調(diào)的調(diào)度主站-下級主站（聚合商）兩級APC 架構,如圖1 所示,充分利用聚合商運營平臺和下級調(diào)度的通道資源和聚合控制能力,構建發(fā)電側和負荷側資源聯(lián)合協(xié)調(diào)控制體系,將傳統(tǒng)的自動發(fā)電控制（AGC）功能向負荷側進一步深化拓展,實現(xiàn)包含兩級調(diào)度火電、新能源、可調(diào)節(jié)負荷和儲能在內(nèi)的多類型資源協(xié)調(diào)APC。

圖1 APC 控制架構Fig.1 Control architecture of APC

在原有AGC 控制常規(guī)機組的基礎上,擴充建立可調(diào)節(jié)負荷控制區(qū),建立對應各類聚合可調(diào)節(jié)負荷的虛擬機組,基于統(tǒng)一分段建立適應負荷和發(fā)電特性的控制模型,如附錄A 圖A3 所示。每個負荷聚合商對應一個或多個負荷虛擬機組,由負荷聚合商平臺累加聚合多個單體可調(diào)節(jié)負荷的實際出力、容量和可調(diào)節(jié)上下限等實時數(shù)據(jù),形成可調(diào)節(jié)負荷聚合商總出力、容量和調(diào)節(jié)范圍等數(shù)據(jù)并上送調(diào)度APC 模塊,作為可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組的控制參數(shù)。

2.2 考慮時間延遲的負荷調(diào)峰自適應預控策略

目前階段,負荷側資源主要參與電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化。系統(tǒng)根據(jù)調(diào)峰市場申報進行源荷聯(lián)合出清,確定負荷聚合商的用電功率計劃。APC 模塊根據(jù)可調(diào)節(jié)負荷調(diào)峰計劃和聚合商平臺滾動上送的控制范圍等約束確定實時目標指令,這是保證可調(diào)節(jié)負荷準確執(zhí)行市場計劃的基礎。由于可調(diào)節(jié)負荷在參與主站自動控制時存在出力不確定性、調(diào)度主站與聚合商平臺中間環(huán)節(jié)多、網(wǎng)絡延時長等問題,為了確保可調(diào)節(jié)負荷控制對象能夠準確執(zhí)行調(diào)峰計劃,本文提出考慮負荷時間延遲的調(diào)峰自適應預控策略。

首先,在控制目標制定環(huán)節(jié),主站APC 獲取到可調(diào)節(jié)負荷的調(diào)峰計劃曲線后,根據(jù)不同類型、不同控制路徑和不同調(diào)節(jié)能力的可調(diào)節(jié)負荷控制對象,設置不同的預控時間超前量ti,pre:

式中:tT+1為T+1 時段的初始時刻；tpre為預控提前時間；Pi,c(t)為t時刻第i個可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組的控制目標值；Pi,sk(tT+1+tpre)為考慮預控時間提前量的T+1 時段的調(diào)峰計劃值；Pi,sk(tT+tpre)為預控時間提前量T時段的調(diào)峰計劃值；Δt為計算時刻與上一個計劃值點的時間偏差；ΔT為2 個計劃值點間的時間差；Pi(t)為t時刻第i個可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組的當前出力；Pi,c(t)為t時刻第i個可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組的控制目標值；Ci,max為第i個可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組的單次可調(diào)節(jié)最大量。

在確定可調(diào)節(jié)負荷控制對象的控制目標后,考慮到負荷側資源調(diào)節(jié)特性差異,例如分布式儲能、電動汽車與溫控類負荷在控制方式、調(diào)節(jié)能力等方面的不同,采用變步長、逐步修正的控制策略,通過變步長調(diào)節(jié)指令使得負荷側資源調(diào)節(jié)過程既滿足調(diào)峰目標要求,又滿足用戶用電需求,如式（5）所示。同時實時評估負荷跟蹤目標情況,欠調(diào)時重新生成控制指令,過調(diào)時維持指令不變,考慮負荷跟蹤不穩(wěn)定性動態(tài)調(diào)整下發(fā)目標。

式中:ΔPi為階梯調(diào)節(jié)量；ΔP為負荷總調(diào)節(jié)需求；Pr為調(diào)節(jié)修正量；Ki為階梯系數(shù)；m為變調(diào)節(jié)步長的階梯數(shù)?？紤]實際設置五階系數(shù)為（0.1,0.15,0.2,0.25,0.3）。

1）若下一個目標是減負荷,那么對于調(diào)節(jié)性能較好的負荷側資源,調(diào)節(jié)步長可采用“先慢后快”的策略,即根據(jù)控制指令偏差大小,分解為多個不同步長階梯指令,但階梯量逐漸增大。對于調(diào)節(jié)性能較差的負荷側資源,調(diào)節(jié)步長可采用“先快后慢”的控制策略,即根據(jù)控制指令偏差大小,分解為多個不同步長階梯指令,但階梯量逐漸減小,如圖2 所示。

圖2 可變步長控制策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of variable-step control strategy

2）若下一個目標點是增負荷,那么對于調(diào)節(jié)性能較好的負荷側資源,調(diào)節(jié)步長可采用“前大后小”的策略,即根據(jù)控制指令偏差大小,分解為多個不同步長階梯指令,但階梯量逐漸減小。對于調(diào)節(jié)性能較差的負荷側資源,調(diào)節(jié)步長可采用“前小后大”的控制策略,即根據(jù)控制指令偏差大小,分解為多個不同步長階梯指令,但階梯量逐漸增大。

考慮時間延遲的負荷調(diào)峰自適應預控策略的具體步驟如下。

步驟1:確定參與調(diào)峰自適應預控的可調(diào)節(jié)負荷控制對象,根據(jù)聚合商平臺特性設定預控延時參數(shù)。

步驟2:提前獲取可調(diào)節(jié)負荷控制對象的調(diào)峰計劃值。

步驟3:結合調(diào)峰計劃值及預控延時,以及考慮調(diào)節(jié)特性的變步長控制策略,下發(fā)第1 輪控制指令。

步驟4:下一輪指令時刻到來后,綜合考慮調(diào)峰計劃、上一輪指令響應情況,修正本輪控制指令并下發(fā),直至達到調(diào)峰目標點。

步驟5:調(diào)峰計劃目標點控制結束后,實時統(tǒng)計調(diào)節(jié)性能指標和響應延時情況,為后續(xù)預控延時參數(shù)設置和控制性能評價提供基礎數(shù)據(jù)。

2.3 可調(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻控制策略

部分聚合后的可調(diào)節(jié)負荷資源調(diào)節(jié)性能將超過常規(guī)火電機組（如V2G 充電樁和用戶側分布式儲能）,不僅是優(yōu)異的調(diào)峰資源,更是未來可靠的潛在調(diào)頻資源。若在控制過程中影響用戶的時間越短、幅度越小,可在一定程度降低負荷用戶的用電不滿意度。因此,在可調(diào)節(jié)負荷以基線計劃參與調(diào)峰的基礎上,考慮到部分優(yōu)質(zhì)負荷具備調(diào)頻能力,設計合理的二次調(diào)頻策略以充分利用資源調(diào)頻能力?？烧{(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻控制策略在負荷參與電網(wǎng)調(diào)峰過程中,以調(diào)峰計劃為基線,下發(fā)“減出力”指令,即“用電增加”的調(diào)節(jié)量,整體作為一個調(diào)節(jié)指令下發(fā)給負荷聚合商。

2.3.1 可調(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻控制模式

在可調(diào)節(jié)負荷調(diào)峰模式的基礎上,設計基線調(diào)頻模式,該模式下負荷控制對象的控制目標為:

式中:Pcmd、Pbase、ΔPace分別為控制對象的控制目標、控制基點和調(diào)頻分量?？刂苹c為控制對象當前實時調(diào)峰計劃值,調(diào)頻分量是APC 模塊根據(jù)區(qū)域控制偏差（ACE）得到的調(diào)頻需求分配量。

2.3.2 可調(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻啟動和復歸策略

考慮可調(diào)節(jié)負荷的控制特性和需求,將APC 調(diào)節(jié)需求進行分段處理,如附錄A 圖A4 所示。

控制區(qū)ACE 正向次緊急區(qū)或緊急區(qū)是可調(diào)節(jié)負荷優(yōu)先啟動段,ACE 處于負向正常區(qū)以上是負荷優(yōu)先復歸段,已經(jīng)參與基線調(diào)頻的可調(diào)節(jié)負荷優(yōu)先復歸。當電網(wǎng)處于優(yōu)先啟動段時,優(yōu)先利用可調(diào)節(jié)負荷資源進行調(diào)節(jié),每次按照最大調(diào)節(jié)命令和調(diào)節(jié)范圍約束進行分配。

2.3.3 可調(diào)節(jié)負荷參與基線調(diào)頻狀態(tài)評估

在將可調(diào)節(jié)負荷參與基線調(diào)頻控制之前,首先需要評估可調(diào)節(jié)負荷是否具備參與基線調(diào)頻能力。主要包括以下幾方面。

1）調(diào)節(jié)時段評估

當可調(diào)節(jié)負荷處于快速爬坡時段和下坡時段時不宜參與調(diào)頻,避免負荷指令出現(xiàn)大范圍的反向,影響用戶用電體驗滿意度。

2）調(diào)節(jié)范圍評估

當可調(diào)節(jié)負荷有功值接近調(diào)節(jié)范圍邊界,避免接近限值調(diào)節(jié)影響控制穩(wěn)定性。

3）調(diào)節(jié)穩(wěn)定性評估

實時計算本時段內(nèi)可調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性指標（見式（2））,如果指標不滿足穩(wěn)定性指標門檻值要求,則認為當前資源不具備參與電網(wǎng)基線調(diào)頻的能力。

4）考慮負荷用戶滿意度的調(diào)節(jié)偏差分配策略

與常規(guī)機組不同,負荷側資源的調(diào)控一方面要滿足電網(wǎng)調(diào)度的需求,另一方面還需對參與主站調(diào)控用戶的正常用電影響較小,重視對負荷用戶的引導和用戶的體驗滿意度。目前業(yè)務階段,聚合商對海量負荷單體控制以開關控制或階梯控制居多,類似于儲能的荷電狀態(tài)（SOC）,對負荷虛擬控制對象的過度使用和長期頻繁控制都將提高負荷用戶的運行成本,影響負荷用戶參與主站APC 控制的意愿和主動性。因此,在進行調(diào)節(jié)偏差內(nèi)部分配時采用考慮用戶滿意度的動態(tài)優(yōu)先級分配策略,且各優(yōu)先級是依次逐漸下降。

1）調(diào)節(jié)方向優(yōu)先級:調(diào)節(jié)偏差方向與可調(diào)節(jié)負荷的調(diào)峰計劃方向一致的優(yōu)先級高。

2）偏差方向裕度優(yōu)先級:根據(jù)偏差調(diào)節(jié)方向計算不同負荷控制對象的方向裕度,裕度偏差大的優(yōu)先調(diào)節(jié)。

3）調(diào)節(jié)穩(wěn)定性優(yōu)先級:按照調(diào)節(jié)穩(wěn)定性進行調(diào)節(jié)排序,穩(wěn)定性越高的越優(yōu)先。

4）調(diào)節(jié)次數(shù)優(yōu)先級:按照調(diào)節(jié)次數(shù)進行優(yōu)先級排序,調(diào)節(jié)次數(shù)越少的越優(yōu)先。

采用動態(tài)優(yōu)先級分配策略后,可以減少用戶的反復調(diào)節(jié),縮短影響用戶的時間,減小單個用戶的調(diào)節(jié)幅度,盡量降低調(diào)度控制對負荷用戶的影響。

此外,可調(diào)節(jié)負荷用戶參與電網(wǎng)自動控制還需考慮峰谷電價的影響,APC 模塊在分配調(diào)節(jié)需求時需兼顧峰谷電價約束:

1）在高峰電價區(qū)間,APC 不下發(fā)高于基線控制策略,避免增加用戶運行成本；

2）針對電動汽車這類移峰類負荷,在谷電區(qū)間優(yōu)先下發(fā)增負荷指令,優(yōu)先滿足基線計劃要求。

根據(jù)不同的優(yōu)先級要求實時計算出當前時刻可調(diào)節(jié)負荷對象的調(diào)節(jié)優(yōu)先級,將調(diào)節(jié)偏差按照優(yōu)先級及各調(diào)節(jié)負荷的最大單次步長進行分配。調(diào)節(jié)偏差分配結果加上調(diào)峰基線作為可調(diào)節(jié)負荷的控制目標,下發(fā)給負荷聚合商平臺實現(xiàn)閉環(huán)控制。

可調(diào)節(jié)負荷整體參與電網(wǎng)基線調(diào)頻控制實施流程如圖3 所示,具體步驟如下。

圖3 基線調(diào)頻控制流程圖Fig.3 Flow chart of baseline frequency regulation control

步驟1:由主站APC 模塊根據(jù)電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡線功率計算電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求（ACE）。

步驟2:根據(jù)ACE 大小確定是否需要可調(diào)節(jié)負荷參與調(diào)節(jié),包括啟動調(diào)節(jié)和復歸調(diào)節(jié)。

步驟3:如果需要可調(diào)節(jié)負荷參與ACE 調(diào)節(jié),則對可調(diào)節(jié)負荷進行狀態(tài)分析,篩選出適宜參與本次調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)負荷,統(tǒng)計調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)優(yōu)先級。

步驟4:APC 模塊根據(jù)常規(guī)機組和可調(diào)節(jié)負荷類型總體分配調(diào)節(jié)需求,在可調(diào)負荷內(nèi)部按照調(diào)節(jié)優(yōu)先級分配。

步驟5:如果需要可調(diào)節(jié)負荷優(yōu)先參與復歸調(diào)節(jié),則APC 首先統(tǒng)計需要復歸的可調(diào)節(jié)負荷復歸需求。

步驟6:APC 優(yōu)先將調(diào)節(jié)需求分配給需要復歸的可調(diào)節(jié)負荷,剩余部分分配給常規(guī)機組調(diào)節(jié)。

步驟7:分配量疊加上負荷當前有功值作為控制目標實時下發(fā)給負荷聚合商進行調(diào)節(jié)。

3 算例分析

本文提出的調(diào)峰預控策略在京津唐電網(wǎng)APC模塊向負荷聚合商下發(fā)指令環(huán)節(jié)已實際應用?？烧{(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻控制策略在電網(wǎng)運行全業(yè)務仿真環(huán)境［24-25］進行了仿真驗證?；A仿真算例數(shù)據(jù)基于電網(wǎng)實際模型、計劃及機組出力,并設置常規(guī)調(diào)頻機組調(diào)頻容量為3 000 MW,定義3 臺可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組,分別為聚合電動汽車充電能力10 MW,分布式儲能充放電能力10 MW 以及電采暖用電能力10 MW。

3.1 不同類型可調(diào)節(jié)負荷預控調(diào)峰控制效果分析

基于預控調(diào)峰控制策略在京津唐電網(wǎng)閉環(huán)控制的實際運行數(shù)據(jù),對參與預控調(diào)峰的可調(diào)節(jié)負荷的系統(tǒng)實際響應延時進行了分析統(tǒng)計,并作為控制模型參數(shù)提前錄入設置。分別對等步長和變步長控制效果進行統(tǒng)計分析,其中電動汽車等步長（先快后慢）控制策略和分布式儲能等步長（先慢后快）控制策略的典型控制過程如圖4 所示。

圖4 電動汽車和分布式儲能等步長和變步長控制效果Fig.4 Effect of equal step and variable step control for electric vehicle and distributed energy storage

通過分析電動汽車與分布式儲能2 種類型可調(diào)節(jié)負荷響應數(shù)據(jù)（如表3 所示）可發(fā)現(xiàn),相比等步長控制策略,采用變步長策略對于電動汽車這種響應不確定性較大的資源,控制對象調(diào)節(jié)偏差由1.8%降低到0.8%,提升了優(yōu)質(zhì)常規(guī)機組控制精度水平。對于分布式儲能這種調(diào)節(jié)速率快、響應性能好的負荷,用戶用電積分電量有較大提升,保障了用戶的用電需求。

表3 不同類型可調(diào)節(jié)負荷不同控制策略控制效果對比Table 3 Comparison of control effects of different control strategies for different types of adjustable loads

3.2 可調(diào)節(jié)負荷虛擬機組基線調(diào)頻控制策略仿真

在全業(yè)務仿真系統(tǒng)設置初始擾動曲線,如附錄A 圖A5 所示。通過在仿真系統(tǒng)中配置考慮負荷用戶滿意度的調(diào)節(jié)偏差動態(tài)優(yōu)先級分配等策略,同時,在APC 指令接收和分配環(huán)節(jié)各增加了一個時延環(huán)節(jié),模擬通信和聚合商計算分配延時。分別采用常規(guī)AGC 控制,不同容量的負荷參與基線調(diào)頻策略后的控制效果對比如圖5 所示。

圖5 ACE 控制效果對比Fig.5 Comparison of ACE control effect

由圖5 可見,當可調(diào)節(jié)負荷容量較少（10 MW）時,ACE 控制效果跟僅有常規(guī)機組效果差別不大,當可控容量超過50 MW 時,ACE 控制效果顯著提升,控制ACE 平均值由63 MW 降低到25 MW,控制效果顯著。

4 結語

本文建立適應可調(diào)節(jié)負荷參與調(diào)度的兩級APC 架構,通過實際業(yè)務數(shù)據(jù)分析了不同類型可調(diào)節(jié)負荷參與主站控制的控制性能和響應特性,重點研究了可調(diào)節(jié)負荷參與電網(wǎng)有功自動控制時的預控調(diào)峰和基線調(diào)頻策略。針對可調(diào)節(jié)負荷參與調(diào)控時出力不確定性高、調(diào)度主站與聚合商平臺中間環(huán)節(jié)多、延遲時間長等運行特點,提出了可變步長、逐步修正的預控調(diào)峰策略。進一步在預控調(diào)峰基礎上,提出了可調(diào)節(jié)負荷基線調(diào)頻控制策略,在負荷參與電網(wǎng)調(diào)峰過程中,以調(diào)峰計劃為基線,增加出力負向調(diào)節(jié)（即用電功率增加）的調(diào)節(jié)量,實現(xiàn)發(fā)電側與負荷側資源的聯(lián)合控制,降低電網(wǎng)整體的過調(diào)與欠調(diào),提高電網(wǎng)運行效率。

通過對不同類型可調(diào)節(jié)負荷自動控制策略閉環(huán)運行及在線模擬仿真,可得出以下結論:

1）可調(diào)節(jié)負荷經(jīng)性能篩選聚合后具備參與調(diào)度主站實時閉環(huán)控制的能力,但不同類型負荷控制性能、出力穩(wěn)定性差異較大,需針對性地制定差異化調(diào)節(jié)控制策略；

2）考慮不同類型負荷出力調(diào)節(jié)不確定性差異,采用“前快后慢”或“前慢后快”的控制策略,能夠在滿足調(diào)峰目標執(zhí)行考核的前提下充分考慮“負荷”特征,滿足電網(wǎng)運行要求和用戶用電需求；

3）將優(yōu)質(zhì)可調(diào)節(jié)負荷納入APC 統(tǒng)一調(diào)頻控制范疇后,能在一定程度有效提高電網(wǎng)ACE 控制效果,降低常規(guī)火電機組的調(diào)節(jié)運行壓力和調(diào)節(jié)里程。

如上所述,本文提出的預控調(diào)峰控制策略已投入負荷聚合商參與電網(wǎng)調(diào)峰的實際應用,但基線調(diào)頻策略的持續(xù)穩(wěn)定應用還需解決以下問題:

1）目前國內(nèi)還沒有實際出臺調(diào)頻補償規(guī)則以支撐可調(diào)節(jié)負荷參與電網(wǎng)二次調(diào)頻來獲得額外的收益激勵,可調(diào)節(jié)負荷聚合商參與APC 相關的評價指標和補償機制還有待于進一步研究；

2）與常規(guī)機組相比,由于不同行業(yè)的負荷用戶用電需求和用電方式不同,不同負荷終端裝置控制能力差異較大,如何對已參與調(diào)峰的可調(diào)節(jié)負荷進行二次篩選,確保優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源參與進入調(diào)控范疇,消除負荷用戶“能控而不敢控”心理仍須進一步研究；

3）與常規(guī)水火電廠電力數(shù)據(jù)采集準確透明且可通過相量測量單元（PMU）數(shù)據(jù)對遠程測控終端（RTU）上送數(shù)據(jù)進行校核相比,可調(diào)節(jié)負荷調(diào)節(jié)過程量測數(shù)據(jù)的準確性、實時性和穩(wěn)定性尚須進一步提升,以滿足調(diào)度側調(diào)頻業(yè)務的要求和標準,消除負荷調(diào)頻底層基礎數(shù)據(jù)障礙。

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