基于虚拟调频机组的空调负荷参与电网调频控制策略研究_张海滨 (1).pdf

基于虚拟调频机组的空调负荷参与电网调频控制策略研究张海滨(东北电力大学,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2)摘 要:为了应对高比例可再生能源电力系统中快速性调频资源短缺的问题,对空调负荷参与电力系统一次频率调整的控制策略进行了研究。采用了双层的控制策略,在上层控制中,将空调负荷聚合体看作虚拟的发电机组对多个空调负荷聚合商进行轮流协调控制,针对不同的频率状态,通过实时变化的下垂系数以优化分配虚拟发电机组的调频备用容量,相较传统发电机组响应更加迅速、控制方式更加灵活。在下层控制中,聚合商通过本地控制器对空调负荷进行开关控制,以达到快速的频率响应并降低控制成本,并考虑了用户舒适度对聚合功率的影响。通过仿真,验证了该策略可有效提高虚拟发电机组的响应性能。关键词:一次频率调整;空调负荷;分层控制;用户舒适度中图分类号:TM 7 1 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 1 0-0 5R e s e a r c ho nC o n t r o l S t r a t e g yo fA i rC o n d i t i o n i n gL o a d sP a r t i c i p a t i n g i nP o w e rG r i dF r e q u e n c yR e g u l a t i o nB a s e do nV i r t u a lF r e q u e n c yR e g u l a t i o nU n i tZ HAN G H a i b i n(N o r t h e a s tE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,J i l i n1 3 2 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oc o p ew i t ht h es h o r t a g eo ff a s tf r e q u e n c yr e g u l a t i o nr e s o u r c e si nh i g hp r o p o r t i o nr e n e w a b l ee n e r g yp o w e rs y s t e m,t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa i rc o n d i t i o n i n gl o a d sp a r t i c i p a t i n gi np r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n to fp o w e rs y s t e m.U s e d t h ed o u b l e c o n t r o l s t r a t e g y,i n t h eu p p e r c o n t r o l,a i r c o n d i t i o n i n g l o a d sp o l y m e r s a s g e n e r a t o r s o f v i r t u a l a g g r e g a t o r st ot a k ec o o r d i n a t e dc o n t r o l f o rm u l t i p l ea i r c o n d i t i o n i n g l o a d s,a c c o r d i n g t od i f f e r e n t f r e q u e n c ys t a t e,t h r o u g ht h e r e a l-t i m e c h a n g eo fd r o o pc o e f f i c i e n tt oo p t i m i z et h ea l l o c a t i o no fv i r t u a lg e n e r a t o rs e tf r e q u e n c y m o d u l a t i o ns p a r ec a p a c i t y,c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lg e n e r a t o r r e s p o n s em o r eq u i c k l ya n dm o r e f l e x i b l e c o n t r o lm o d e.I n t h e l o w e r l e v e l c o n t r o l,t h e a g g r e g a t o r s w i t c h e s t h ea i r c o n d i t i o n i n g l o a d s t h r o u g ht h e l o c a lc o n t r o l l e rt oa c h i e v er a p i df r e q u e n c yr e s p o n s ea n dr e d u c ec o n t r o lc o s t s,a n dt h ee f f e c to fu s e r c o m f o r t o na g g r e g a t ep o w e r a n dh e n c eo nr e s e r v e c a p a c i t y i s c o n s i d e r e d.T h r o u g hs i m u l a t i o np r o v e s t h a t t h ep r o p o s e ds t r a t e g yc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h er e s p o n s ep e r f o r m a n c eo f t h ev i r t u a l g e n e r a t o rs e t.K e yw o r d s:p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n;a i r c o n d i t i o n i n g l o a d;h i e r a r c h i c a l c o n t r o l;u s e r c o m f o r t收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 0作者简介:张海滨(1 9 9 5),男,硕士研究生,研究方向电力系统频率稳定。0 引言随着风电、光能等可再生能源在电力系统中的渗透率逐渐提高,系统频率中的高频波动分量逐渐增加1-2,发电侧一次频率调整(p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n,P F R)资 源 缺 乏,负 荷 侧 频 率 调 整(f r e q u e n c yr e g u l a t i o n,F R)成为较好的替代方案,但快速性的调频资源依旧短缺,尤其是在孤网中3。在夏季,集群空调负荷(a i rc o n d i t i o n i n gl o a d s,A C L s)占总负荷的比重高达3 0%4 0%,并呈现逐年上升的趋势。聚合后的A C L s聚合容量可观,相较于传统的发电机组,其频率响应更加迅速,控制方式更加灵活,具有巨大的调频潜力4。在A C L s参与系统F R的方法中,按控制方式可以分为三类:温度设定值控制、占空比控制和开关控制5。考虑到一次调频的快速性,使用开关控制实现P F R是最适合的控制方法。文献6-7 提出了一种通过数据驱动的控制方法对A C L s进行开关控制,并且该方法在文献8 中得到了实验验证。文献9 通过触发频率的设定来达到对A C L s聚合功率的控制,使得控01第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.004制A C L s实现快速频率响应变得简单,但该方法对测量设备的精确度要求很高,并且文献6-9 中并没有考虑到用户习惯的温度区间不同对于A C L s聚合功率与控制方法的影响。文献1 0-1 2 均采用了温度设定值的控制方法,但通过改变温度设定值以达到对聚合功率控制的方法,在短时间内不会出现较大的负荷波动,只能实现较长时间范围、较缓慢的负荷增减,不适用于参加P F R,并且控制方法需要调度中心建立双向的信息通道,以获得A C L s的启停情况及室内温度,不断重复反馈-修正的过程,同时还须下达控制指令,需要较高的信息处理能力。文献1 3 采用了占空比控制,但该控制方法在A C L s初始状态不确定的情况下并不适用。在控制过程中还要考虑到A C L s的最小开/关时间限制,以防止空调压缩机的频繁启停,造成压缩机的故障或缩短其寿命。在状态改变后,A C L s会进入锁定期,在此期间处于锁定的负荷将不参与控制。若考虑到锁定时间,现 有 的 大 多 数 聚 合 商 的 控 制 策 略 将 不 再 适用P F R1 4。基于上述考虑,本文以同质的空调负荷群体为例,采用了双层控制策略,开关控制的控制方法,来达到快速的频率响应并降低系统对信息处理能力的要求。通过建立虚拟的发电机组协调轮流控制多个负荷聚商,达到调频备用容量的优化分配,以解决考虑A C L s最小开/关时间限制下,系统备用容量快速耗尽造成的后续频率波动增加的现象。制定了用户的舒适度指标,使聚合模型更贴合实际情况。1 系统原理与总体架构本文整体采用分层控制结构,将各空调负荷聚合商(简称聚合商)统一看作虚拟发电机组(相当于调度中心)进行协调控制,与常规机组一同参与电力系统的P F R,从而促进发电机与A C L s之间的协调。将空调负荷聚合体按区域划分为m个聚合商(例如商业区、工业区、居民区),这样位于同一区域的空调负荷参数相差不大,可将其看作同质的空调负荷,并且由于每个聚合商仅管理本区域内的所有负荷,降低了调度中心的信息处理需求,加快了负荷的响应速度。在上层控制中,将系统的频率事件分为两种,采用不同的 响应方式。事件1(正常 的频率波动 状态):幅值小、频率高的负荷波动造成的频率偏差,在系统规定的频率波动范围在0.2H z以内。事件2(紧急的频率波动状态):负荷的突变造成系统的频率偏差超过0.2H z。由于一次调频涉及的是频率高、幅值小的负荷波动,在考虑了A C L s最小开通、关断时间的约束条件下,为保证虚拟发电机组在长时间尺度的频率波动中,均能起到调节作用,而不至于在参与频率调整的几十秒内,使得自身的调频容量耗尽,全部转为锁定状态,造成后续系统频率波动的增加。故而对于事件1,虚拟发电机组协调下辖的聚合商轮流参与调频,与单一聚合商方案相比,降低了过调节问题,扩展了空调负荷参与频率调整的时间尺度;对于事件2,虚拟发电机组下辖的所有聚合商均参加调频,力求在最小的时间内将频率恢复到规定范围。在下 层 控 制 中,各 聚 合 商 通 过 控 制 下 辖 的A C L s以达到所需的功率变化。首先,采用优先级列表法对A C L s进行排序,得到优先级表。然后,根据所需的功率调整值确定A C L s开启或关闭的数量,按顺序进行响应。响应后,聚合商修改优先级表以备下一时刻响应,并将自身的下垂系数上传给调度中心,以供调度中心确定下一时刻的调节功率。本文忽略了网络延迟的不一致性对系统控制造成的误差。在整体的控制过程中,虚拟发电机组负责根据聚合商上报的虚拟下垂系数对各聚合商的调节功率进行分配。聚合商负责本地A C L s的聚合与上、下调节系数的确定,并收集本地A C L s的信息