本發(fā)明涉及空調(diào)控制領(lǐng)域，具體涉及一種空調(diào)負(fù)荷群響應(yīng)頻率的分散調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

中國(guó)倡議構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色的方式滿足全球的電力需求。在清潔電能從遠(yuǎn)方來的電網(wǎng)建設(shè)思路下，近些年國(guó)內(nèi)特高壓交直流輸電工程發(fā)展迅猛。其中尤其是特高壓直流系統(tǒng)的輸電能力很強(qiáng)，饋入直流替代了受端電網(wǎng)大量的常規(guī)機(jī)組，使受端電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，應(yīng)對(duì)大功率缺額事故的能力降低。當(dāng)出現(xiàn)直流雙極閉鎖故障時(shí)，容易造成頻率大幅下跌，甚至引發(fā)頻率崩潰。2015年錦蘇直流雙極閉鎖，受端華東電網(wǎng)損失功率4000MW，電網(wǎng)頻率跌至49.58Hz，此乃華東電網(wǎng)頻率近10年來首次跌破49.8Hz。隨著核電和間歇式能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能等)發(fā)電在系統(tǒng)中的占比不斷增加，將有更多方便靈活調(diào)節(jié)出力的常規(guī)機(jī)組被替代，系統(tǒng)應(yīng)對(duì)大功率缺額事故的能力進(jìn)一步惡化。

增加系統(tǒng)備用容量是應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)大功率缺額事故，防止頻率大幅下跌的有效方法。受發(fā)電構(gòu)成變化、環(huán)保壓力、能源短缺等因素的影響，單一依靠發(fā)電側(cè)備用應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的小概率高風(fēng)險(xiǎn)事件不經(jīng)濟(jì)，技術(shù)上也越來越難實(shí)現(xiàn)，挖掘負(fù)荷側(cè)提供事故備用的潛力倍受關(guān)注。隨著社會(huì)的發(fā)展，電力用戶對(duì)供電服務(wù)質(zhì)量要求不斷提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)緊急情況下不加選擇地直接切除負(fù)荷的方式對(duì)用戶用電影響很大，無法滿足形勢(shì)發(fā)展的需要。

空調(diào)將電能轉(zhuǎn)換為熱能供用戶消費(fèi)，是一種典型的溫控負(fù)荷，空調(diào)房間的熱時(shí)間常數(shù)一般相對(duì)較大，短暫關(guān)斷空調(diào)或調(diào)整空調(diào)的設(shè)定溫度不會(huì)對(duì)用戶熱舒適度造成明顯的負(fù)面影響。此外，空調(diào)數(shù)量巨大，據(jù)報(bào)道某些發(fā)達(dá)城市中空調(diào)在夏季高峰負(fù)荷的占比甚至超過50％，并呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)。因此，空調(diào)是負(fù)荷側(cè)提供事故備用的優(yōu)質(zhì)備選對(duì)象。

負(fù)荷分散式控制不需要與調(diào)度中心通信，負(fù)荷控制器自動(dòng)響應(yīng)本地信號(hào)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，具有響應(yīng)速度快、實(shí)施成本低等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的工程推廣空間。很多文獻(xiàn)報(bào)道了空調(diào)以及與其工作特性類似的溫控負(fù)荷(如冰箱、熱水器等)的分散控制策略。文獻(xiàn)“SHORT J A,INFIELD D G,FRERIS L L.Stabilization of grid frequency through dynamic demand control[J].IEEE Trans on Power Systems,2007,22(3):1284-1293”提出根據(jù)頻率線性調(diào)整冰箱設(shè)定溫度從而改變冰箱功率的動(dòng)態(tài)需求控制策略。文獻(xiàn)“XU Z,QSTERGAARD J,TOGEBY M.Demand as frequency controlled reserve[J].IEEE Trans on Power Systems,2011,26(3):1062-1071”提出了一種溫控負(fù)荷的頻率響應(yīng)控制方法，為系統(tǒng)提供頻率響應(yīng)備用。文獻(xiàn)“GARCIA AM,BOUFFARD F,KIRSCHEN D S.Decentralized demand-side contribution to primary frequency control[J].IEEE Trans on Power Systems,2011,26(1):411-419”提出一種由頻率偏差大小和設(shè)定延遲時(shí)間共同決定溫控負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的分散式控制策略，使負(fù)荷群的頻率響應(yīng)特性與發(fā)電機(jī)組的調(diào)差特性相類似。

上述根據(jù)本地頻率信號(hào)調(diào)整溫控負(fù)荷功率需求的分散式控制改善了電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力，有利于保證系統(tǒng)出現(xiàn)大功率缺額時(shí)在一次調(diào)頻時(shí)間尺度上頻率不發(fā)生大的偏移。事實(shí)上，溫控負(fù)荷大多具有周期工作特性，負(fù)荷控制后負(fù)荷群的響應(yīng)是持續(xù)的，只考察一次調(diào)頻時(shí)間尺度上的負(fù)荷控制效果是不全面的，負(fù)荷多樣性破壞引起溫控負(fù)荷在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能危害系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種空調(diào)負(fù)荷群響應(yīng)頻率的分散調(diào)制方法，本申請(qǐng)?jiān)诜治鲐?fù)荷分散式控制中負(fù)荷群聚合功率振蕩以及功率二次沖擊產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略，深入分析了其控制特性及參數(shù)取值原則。通過各空調(diào)分散自主地調(diào)整設(shè)定溫度上下限，避免控制前后負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，消除負(fù)荷群的聚合功率振蕩，通過分時(shí)段空調(diào)設(shè)定溫度回調(diào)法避免負(fù)荷恢復(fù)過程中的功率二次沖擊。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

一種空調(diào)負(fù)荷群響應(yīng)頻率的分散調(diào)制方法，包括以下步驟：

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，頻率持續(xù)下降時(shí)，對(duì)空調(diào)實(shí)施根據(jù)頻率偏差大小線性改變空調(diào)設(shè)定溫度的負(fù)荷分散式控制策略，當(dāng)頻率下降到最低值，空調(diào)的設(shè)定溫度不隨頻率偏差減小回調(diào)，空調(diào)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度維持在ΔT不變；

當(dāng)控制時(shí)間達(dá)到Δt_c后結(jié)束控制，每臺(tái)空調(diào)按照自律控制的基本機(jī)制調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)，Δt_c在空調(diào)控制器內(nèi)設(shè)置，每臺(tái)空調(diào)控制器均設(shè)置同樣大小的Δt_c；

當(dāng)空調(diào)運(yùn)行到第n個(gè)周期時(shí)恢復(fù)到控制前的設(shè)定溫度。

進(jìn)一步的，空調(diào)運(yùn)行的第n個(gè)周期中的n為隨機(jī)整數(shù)，由空調(diào)控制器隨機(jī)生成。

進(jìn)一步的，每臺(tái)空調(diào)對(duì)應(yīng)的自律控制的基本機(jī)制為：各空調(diào)在控制結(jié)束時(shí)刻分散自主地調(diào)整設(shè)定溫度上下限，保證控制開始與結(jié)束時(shí)刻空調(diào)在溫度空間中的相對(duì)位置一致，即控制前后空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)不變。

進(jìn)一步的，對(duì)于任一空調(diào)，其在新溫度空間與舊溫度空間的相對(duì)位置保持不變，新溫度空間相當(dāng)于在舊溫度空間的基礎(chǔ)上向溫度升高的方向平移了δ，假如控制時(shí)間Δt_c很短，忽略溫度空間變化對(duì)空調(diào)負(fù)荷群運(yùn)行特性的影響，控制前后負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)保持不變。

進(jìn)一步的，采用分時(shí)段法對(duì)控制后空調(diào)負(fù)荷的設(shè)定溫度進(jìn)行恢復(fù)，空調(diào)運(yùn)行n個(gè)周期后恢復(fù)到控制前設(shè)定溫度，空調(diào)工作周期大多不同，相當(dāng)于在n個(gè)空調(diào)工作周期內(nèi)錯(cuò)開了設(shè)定溫度回調(diào)的時(shí)間，避免產(chǎn)生明顯的功率恢復(fù)高峰。

進(jìn)一步的，對(duì)空調(diào)實(shí)施根據(jù)頻率偏差大小線性改變空調(diào)設(shè)定溫度的負(fù)荷分散式控制策略，具體為：在控制初始階段，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率響應(yīng)頻率減少功率需求，彌補(bǔ)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率缺額，減少頻率下降的幅值；控制結(jié)束后的自律控制以及分時(shí)段法的空調(diào)功率回調(diào)消除功率振蕩和二次沖擊。

進(jìn)一步的，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率變化曲線控制過程為：t∈[0,t_s)為控制前階段，負(fù)荷群聚合功率波動(dòng)忽略不計(jì)，負(fù)荷群聚合功率變化為0；t∈[t_s,t_e)為控制階段，隨頻率減少的負(fù)荷群聚合功率量為P_D，控制結(jié)束時(shí)刻的負(fù)荷群聚合功率量減少為P_A；t∈[t_e,t_h)為設(shè)定溫度調(diào)高階段，負(fù)荷群聚合功率減少量為空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)高所減少的功率P_C；t∈[t_h,t_r)為設(shè)定溫度恢復(fù)階段，負(fù)荷群聚合功率減少量由P_C逐漸變?yōu)?；t≥t_r時(shí)空調(diào)設(shè)定溫度恢復(fù)，t_s<t_e<t_h<t_r。

進(jìn)一步的，Δt_c對(duì)負(fù)荷控制特性的影響：Δt_c的取值大小影響負(fù)荷群的多樣性，負(fù)荷群多樣性可由空調(diào)在溫度上下限空間內(nèi)的相對(duì)位置以及對(duì)應(yīng)位置各空調(diào)之間相對(duì)溫度改變速率來表征；

當(dāng)空調(diào)負(fù)荷群未在新溫度上下限之間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行即結(jié)束控制時(shí)，Δt_c值越大，空調(diào)的制冷速率和室內(nèi)溫度的上升速率變化越大，對(duì)負(fù)荷多樣性造成的破壞越大；反之，對(duì)負(fù)荷多樣性造成的破壞越??；另外，受時(shí)鐘偏差因素的影響，各空調(diào)的響應(yīng)時(shí)間雖然設(shè)置相同，但必然存在偏差，由于時(shí)鐘偏差遠(yuǎn)小于空調(diào)的運(yùn)行周期，可以忽略其對(duì)負(fù)荷多樣性的影響。

進(jìn)一步的，Δt_c的取值大小決定空調(diào)負(fù)荷群聚合功率減少值P_C，控制后空調(diào)室內(nèi)溫度上升，空調(diào)工作的占空比減小，負(fù)荷群聚合功率減少，減少值為P_C；當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度未達(dá)到上限溫度并且空調(diào)負(fù)荷群未在新溫度上下限之間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行即結(jié)束控制時(shí)，Δt_c值越大，空調(diào)室內(nèi)溫度上升值越大，空調(diào)工作周期的占空比減小值越大，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率減少值P_C就越大。

進(jìn)一步的，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生大功率缺額事故時(shí)，頻率在很短的時(shí)間內(nèi)降到最大值，此時(shí)間遠(yuǎn)小于空調(diào)的運(yùn)行周期，同樣忽略其對(duì)負(fù)荷多樣性的影響。

進(jìn)一步的，在分時(shí)段回調(diào)空調(diào)設(shè)定溫度的恢復(fù)策略中，空調(diào)運(yùn)行n個(gè)周期后恢復(fù)到控制前的設(shè)定溫度，n的取值、負(fù)荷群空調(diào)工作周期的分布特性、空調(diào)在溫度上下限空間的分布特性共同決定了設(shè)定溫度恢復(fù)階段的負(fù)荷群聚合功率變化特性；n值越大，相當(dāng)于在更長(zhǎng)的時(shí)間錯(cuò)開空調(diào)設(shè)定溫度的回調(diào)時(shí)間，可有效避免功率恢復(fù)高峰，n的取值需要綜合考慮負(fù)荷控制對(duì)恢復(fù)時(shí)間和負(fù)荷功率高峰大小的要求。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明空調(diào)負(fù)荷群集響應(yīng)頻率的分散自律控制容易進(jìn)行工程推廣，具有良好的控制特性。在控制初始階段，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率響應(yīng)頻率減少功率需求，彌補(bǔ)系統(tǒng)的功率缺額，減少頻率下降的幅值；控制結(jié)束后的自律控制以及分時(shí)段法的空調(diào)功率回調(diào)可以消除功率振蕩和二次沖擊，避免對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來另外的危害。

附圖說明

圖1空調(diào)三階物理模型的熱量平衡示意圖；

圖2空調(diào)設(shè)定溫度和頻率之間關(guān)系；

圖3空調(diào)負(fù)荷參與控制的系統(tǒng)一次調(diào)頻特性；

圖4(a)控制前負(fù)荷群狀態(tài)；

圖4(b)控制后初始時(shí)刻負(fù)荷群狀態(tài)；

圖4(c)關(guān)數(shù)目最大時(shí)負(fù)荷群狀態(tài)；

圖4(d)開數(shù)目最大時(shí)負(fù)荷群狀態(tài)；

圖5空調(diào)分散式控制的群集響應(yīng)特性；

圖6(a)控制后初始時(shí)刻負(fù)荷群狀態(tài)；

圖6(b)控制后關(guān)數(shù)目最大時(shí)負(fù)荷群狀態(tài)；

圖6(c)控制后的中間某一負(fù)荷群狀態(tài)；

圖6(d)控制結(jié)束時(shí)刻負(fù)荷群狀態(tài)；

圖7空調(diào)新設(shè)定溫度上下限設(shè)置示意圖；

圖8分散自律控制模式中空調(diào)設(shè)定溫度和頻率之間關(guān)系；

圖9空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率變化曲線；

圖10各種控制模式的負(fù)荷變化曲線對(duì)比；

圖11不同控制時(shí)間的分散自律控制負(fù)荷曲線對(duì)比；

圖12IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖13不同控制方式下頻率變化對(duì)比；

圖14空調(diào)負(fù)荷群聚合功率的減少值；

圖15空調(diào)負(fù)荷設(shè)定溫度變化分布。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

為了更好的解釋本申請(qǐng)的空調(diào)負(fù)荷群響應(yīng)頻率的分散調(diào)制方法，本申請(qǐng)首先介紹空調(diào)負(fù)荷分散式控制，基于上述內(nèi)容再介紹空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略，最后做出仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。

空調(diào)負(fù)荷分散式控制，其中，單臺(tái)空調(diào)的物理模型：

本申請(qǐng)以非集中式空調(diào)為研究對(duì)象，討論其物理模型。空調(diào)房間內(nèi)溫度在上、下限溫度之間周期性變化?？照{(diào)的上述用電特性可以用一階或三階微分方程描述，其中三階微分方程模型更為精確，計(jì)及了太陽(yáng)能輻射量、房屋的走向以及墻壁的熱容等因素對(duì)室內(nèi)熱量的影響，室外環(huán)境、室內(nèi)空氣和物體及空調(diào)之間的熱量平衡關(guān)系如圖1所示，三階微分方程模型的表達(dá)式如下：

其中：

式中：x_ew、x_in、x_iw分別為外墻、室內(nèi)、內(nèi)墻的溫度；I_eq、I_ew、P_AC分別為太陽(yáng)通過窗子輻射到室內(nèi)及室內(nèi)物體產(chǎn)生的熱量、太陽(yáng)輻射到外墻壁上的功率、空調(diào)額定功率；m(t)為空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，0表示關(guān)閉，1表示開啟；X_ext、X_adj-r分別為室外和相鄰房間的溫度；C_ew、C_in、C_iw分別為外墻壁、室內(nèi)物體、內(nèi)墻壁的熱容；R_cew、R_ew、R_gs、R_iw分別為室外環(huán)境和外墻壁之間的熱阻、外墻壁等效熱阻的1/2、外部窗子的等效熱阻、室內(nèi)墻壁等效熱阻的1/2。

關(guān)于空調(diào)響應(yīng)頻率的分散式控制策略：負(fù)荷分散式控制機(jī)制，本申請(qǐng)采用根據(jù)頻率偏差大小線性改變空調(diào)設(shè)定溫度的負(fù)荷分散式控制策略，如圖2所示，可表示為式(4)：

式中：和分別為空調(diào)i的動(dòng)態(tài)設(shè)定溫度上、下限；和分別為空調(diào)i靜態(tài)設(shè)定溫度上、下限；Δf為頻率額定值與頻率實(shí)際值的差值；Δf₀為頻率偏差的死區(qū)；K_ACi為比例系數(shù)，其值大小反映隨頻率的升降空調(diào)設(shè)定溫度減少或增加的多少，空調(diào)設(shè)定溫度的增加(減少)量決定空調(diào)功率需求減小(增加)量。

空調(diào)正常運(yùn)行時(shí)，空調(diào)室內(nèi)溫度在靜態(tài)設(shè)定溫度的上、下限之間周期運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大功率缺額時(shí)，頻率持續(xù)下降，頻率偏差超出設(shè)定的死區(qū)后，空調(diào)控制器根據(jù)頻率偏差與死區(qū)差值的大小線性調(diào)高處于制冷狀態(tài)空調(diào)的設(shè)定溫度，空調(diào)室內(nèi)溫度變?yōu)樵趧?dòng)態(tài)設(shè)定溫度的上、下限之間周期運(yùn)行，相當(dāng)于減小了空調(diào)工作周期的占空比，減少了功率消耗。反之，當(dāng)頻率升高超出死區(qū)后，空調(diào)控制器線性調(diào)低空調(diào)的設(shè)定溫度，增加空調(diào)的功率消耗。

負(fù)荷分散式控制對(duì)一次調(diào)頻的貢獻(xiàn)分析：當(dāng)不對(duì)空調(diào)實(shí)施分散式控制時(shí)，忽略同步發(fā)電機(jī)之間的振蕩，同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為式(5)：

式中：M為同步發(fā)電機(jī)的角轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Δω為同步發(fā)電機(jī)的角速度變化量；D為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；ΔP_G為同步發(fā)電機(jī)輸出功率調(diào)整值；ΔP_L為負(fù)荷功率調(diào)整值。

當(dāng)對(duì)空調(diào)實(shí)施分散式控制時(shí)，式(5)轉(zhuǎn)化為式(6)：

式中：ΔP_L1為未參與負(fù)荷控制的負(fù)荷功率調(diào)整值；ΔP_L2為實(shí)施分散式控制的空調(diào)負(fù)荷聚合功率變化值。

ΔP_L2的大小由空調(diào)負(fù)荷聚合頻率響應(yīng)特性所決定，如式(7)所示：

式中：ΔP_L2ⁱ為單個(gè)空調(diào)響應(yīng)頻率的功率變化值；N為參與控制的空調(diào)個(gè)數(shù)。采用蒙特卡洛法模擬空調(diào)負(fù)荷群的運(yùn)行，在單臺(tái)空調(diào)三階物理模型式(1)～(3)的基礎(chǔ)上，在取值區(qū)間抽樣得到各臺(tái)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)參數(shù)分布不均勻的空調(diào)負(fù)荷的聚合，求得負(fù)荷群在任意時(shí)刻t的平均運(yùn)行狀態(tài)及空調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)頻率的特性。各不同負(fù)荷群的參數(shù)由調(diào)整參數(shù)取值區(qū)間抽樣得到。

空調(diào)響應(yīng)頻率的分散式控制增強(qiáng)了負(fù)荷的自然頻率響應(yīng)特性，改善了系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力，有利于保證系統(tǒng)大功率缺額下頻率不發(fā)生大的偏移。對(duì)負(fù)荷實(shí)施分散式控制，相當(dāng)于負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率變得可以整定。不實(shí)施負(fù)荷控制時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突然增加擾動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)由圖3中的A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)。實(shí)施負(fù)荷控制后，負(fù)荷的頻率特性等效為曲線BD，發(fā)生同樣的擾動(dòng)后，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)镈點(diǎn)。曲線BD的斜率可以綜合考慮用戶的舒適度和系統(tǒng)的容量需求進(jìn)行整定。

空調(diào)分散式控制的群集響應(yīng)特性：以調(diào)高空調(diào)設(shè)定溫度降低負(fù)荷功率需求的控制方式為例，分析空調(diào)負(fù)荷的群集響應(yīng)特性。負(fù)荷群中空調(diào)都?xì)w一化到同一溫度上下限之間工作，如圖4(a)-圖4(d)所示，圖中淺灰、深灰心圓分別表示處于開和關(guān)狀態(tài)的空調(diào)；箭頭表示室內(nèi)溫度隨時(shí)間在溫度空間內(nèi)的演化方向；“×3”表示該溫度處空調(diào)數(shù)目倍數(shù)為3；θ⁺分別為控制前和后空調(diào)設(shè)定溫度的上限；θ^-分別為控制前和后空調(diào)設(shè)定溫度的下限；Δ為設(shè)定溫度隨頻率的上調(diào)值；δ為空調(diào)溫度上下限之間的差值。

1)當(dāng)空調(diào)正常運(yùn)行時(shí)，溫度空間中各溫度點(diǎn)均存在處于開和關(guān)狀態(tài)的空調(diào)，如圖4(a)所示。隨著時(shí)間的演化，空調(diào)房間內(nèi)溫度在溫度上下限之間周期變化，各個(gè)溫度點(diǎn)的空調(diào)密度發(fā)生變化，由各空調(diào)房間的溫度周期變化特性決定。

2)當(dāng)空調(diào)的設(shè)定溫度上調(diào)δ，所有室內(nèi)溫度在之間的空調(diào)關(guān)閉，如圖4(b)所示，空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率減少，減少值為控制關(guān)閉的所有空調(diào)的功率之和。

3)假設(shè)空調(diào)設(shè)定溫度保持上調(diào)δ運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷群運(yùn)行在新的溫度上下限之間時(shí)，溫度空間中某些溫度點(diǎn)出現(xiàn)空調(diào)的空缺(已轉(zhuǎn)移到其他溫度點(diǎn))，空調(diào)負(fù)荷群在溫度上下限之間的分布不再連續(xù)，空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率出現(xiàn)振蕩，波谷和波峰分別如圖4(c)和(d)所示。

對(duì)上述空調(diào)的控制過程以及空調(diào)設(shè)定溫度的回調(diào)過程進(jìn)行仿真，得到如圖5所示的空調(diào)分散式控制的群集響應(yīng)特性。在空調(diào)設(shè)定溫度上調(diào)的初始階段，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率減少值能夠彌補(bǔ)了系統(tǒng)的功率缺額，但在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上空調(diào)負(fù)荷群聚合功率振蕩的波峰階段給系統(tǒng)運(yùn)行帶來新的沖擊。另外，設(shè)定溫度回調(diào)產(chǎn)生的功率二次沖擊和聚合功率振蕩均對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不利。與上述過程類似，對(duì)空調(diào)實(shí)施分散式控制，空調(diào)設(shè)定溫度在更短的時(shí)間內(nèi)隨頻率恢復(fù)而回調(diào)，會(huì)產(chǎn)生同樣的功率二次沖擊和聚合功率振蕩。

空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略：關(guān)于自律控制的基本機(jī)制，本文提出了空調(diào)的自律控制機(jī)制，各空調(diào)在控制結(jié)束時(shí)刻分散自主地調(diào)整設(shè)定溫度上下限，保證控制開始與結(jié)束時(shí)刻空調(diào)在溫度空間中的相對(duì)位置一致，即控制前后空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)不變。對(duì)于整個(gè)負(fù)荷群來講，避免了出現(xiàn)上述分析中的負(fù)荷群運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移、空缺或者消失，控制的基本過程如下：

1)6(a)、圖6(b)和圖6(c)分別表示控制后初始時(shí)刻、關(guān)數(shù)目最大時(shí)刻以及中間過程某一時(shí)刻的負(fù)荷群運(yùn)行狀態(tài)。

2)經(jīng)過時(shí)間Δt_c后結(jié)束控制，負(fù)荷群中第i臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度上、下限自主調(diào)整為ΔT_i表示控制結(jié)束時(shí)刻空調(diào)i室內(nèi)溫度變化值。

對(duì)于任一空調(diào)，其在新溫度空間與舊溫度空間的相對(duì)位置保持不變，如圖7所示，即ΔT_i,old＝ΔT_i,new，空心和實(shí)心圓分別表示在控制起始和結(jié)束時(shí)刻空調(diào)在溫度空間中的位置。新溫度空間相當(dāng)于在舊溫度空間的基礎(chǔ)上向溫度升高的方向平移了δ，假如控制時(shí)間Δt_c很短，忽略溫度空間變化對(duì)空調(diào)負(fù)荷群運(yùn)行特性的影響，控制前后負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)保持不變，如圖6(d)所示。

采用分時(shí)段法對(duì)控制后空調(diào)負(fù)荷的設(shè)定溫度進(jìn)行恢復(fù)，空調(diào)運(yùn)行n(n為隨機(jī)整數(shù))個(gè)周期后恢復(fù)到控制前設(shè)定溫度。空調(diào)工作周期大多不同，相當(dāng)于在n個(gè)空調(diào)工作周期內(nèi)錯(cuò)開了設(shè)定溫度回調(diào)的時(shí)間，避免產(chǎn)生明顯的功率恢復(fù)高峰。

空調(diào)負(fù)荷群集響應(yīng)頻率的分散自律控制策略：分散自律控制策略

在上述空調(diào)自律控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，本文提出了電力系統(tǒng)大功率缺額下空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略，基本的控制過程如下：

1)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，頻率持續(xù)下降時(shí)，對(duì)空調(diào)實(shí)施根據(jù)頻率偏差大小線性改變空調(diào)設(shè)定溫度的負(fù)荷分散式控制策略。當(dāng)頻率下降到最低值，空調(diào)的設(shè)定溫度不隨頻率偏差減小回調(diào)，維持在ΔT不變，如圖8所示。

2)當(dāng)控制時(shí)間達(dá)到Δt_c后結(jié)束控制，每臺(tái)空調(diào)按照本文自律控制的基本機(jī)制調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)。Δt_c在空調(diào)控制器內(nèi)設(shè)置，每臺(tái)空調(diào)控制器均設(shè)置同樣大小的Δt_c，例如5min。

3)當(dāng)空調(diào)運(yùn)行到第n(n為隨機(jī)整數(shù)，例如1～3之間的隨機(jī)整數(shù)，由空調(diào)控制器隨機(jī)生成)個(gè)周期時(shí)恢復(fù)到控制前的設(shè)定溫度。

空調(diào)負(fù)荷群集響應(yīng)頻率的分散自律控制容易進(jìn)行工程推廣，具有良好的控制特性。在控制初始階段，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率響應(yīng)頻率減少功率需求，彌補(bǔ)系統(tǒng)的功率缺額，減少頻率下降的幅值；控制結(jié)束后的自律控制以及分時(shí)段法的空調(diào)功率回調(diào)可以消除功率振蕩和二次沖擊，避免對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來另外的危害。

空調(diào)負(fù)荷群的控制特性及控制參數(shù)選擇，空調(diào)負(fù)荷群的控制特性：空調(diào)負(fù)荷群的聚合功率變化曲線如圖9所示：t∈[0,t_s)為控制前階段，負(fù)荷群聚合功率波動(dòng)忽略不計(jì)，負(fù)荷群聚合功率變化為0；t∈[t_s,t_e)為控制階段，隨頻率減少的負(fù)荷群聚合功率量為P_D，控制結(jié)束時(shí)刻的負(fù)荷群聚合功率量減少為P_A；t∈[t_e,t_h)為設(shè)定溫度調(diào)高階段，負(fù)荷群聚合功率減少量為空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)高所減少的功率P_C；t∈[t_h,t_r)為設(shè)定溫度恢復(fù)階段，負(fù)荷群聚合功率減少量由P_C逐漸變?yōu)?；t≥t_r時(shí)空調(diào)設(shè)定溫度恢復(fù)。

控制參數(shù)對(duì)負(fù)荷控制特性的影響

1)Δt_c對(duì)負(fù)荷控制特性的影響

Δt_c的取值大小影響負(fù)荷群的多樣性。負(fù)荷群多樣性可由空調(diào)在溫度上下限空間內(nèi)的相對(duì)位置以及對(duì)應(yīng)位置各空調(diào)之間相對(duì)溫度改變速率來表征。上述負(fù)荷控制策略的結(jié)束時(shí)刻各空調(diào)相對(duì)位置保持不變，不影響負(fù)荷多樣性。室內(nèi)溫度變化速率改變，破壞負(fù)荷多樣性。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷群未在新溫度上下限之間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行即結(jié)束控制時(shí)，Δt_c值越大，空調(diào)的制冷速率和室內(nèi)溫度的上升速率變化越大，對(duì)負(fù)荷多樣性造成的破壞越大。反之，對(duì)負(fù)荷多樣性造成的破壞越小。另外，受時(shí)鐘偏差等因素的影響，各空調(diào)的響應(yīng)時(shí)間雖然設(shè)置相同，但必然存在偏差，由于時(shí)鐘偏差遠(yuǎn)小于空調(diào)的運(yùn)行周期，可以忽略其對(duì)負(fù)荷多樣性的影響。

Δt_c的取值大小決定空調(diào)負(fù)荷群聚合功率減少值P_C。控制后空調(diào)室內(nèi)溫度上升，空調(diào)工作的占空比減小，負(fù)荷群聚合功率減少，減少值為圖9中P_C。當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度未達(dá)到上限溫度(空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間處于關(guān)閉時(shí)的穩(wěn)態(tài)室內(nèi)溫度)并且空調(diào)負(fù)荷群未在新溫度上下限之間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行即結(jié)束控制時(shí)，Δt_c值越大，空調(diào)室內(nèi)溫度上升值越大，空調(diào)工作周期的占空比減小值越大，空調(diào)負(fù)荷群聚合功率減少值P_C就越大。

2)頻率下降特性對(duì)負(fù)荷控制特性的影響

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大功率缺額事故時(shí)，頻率在很短的時(shí)間(通常為十幾秒)內(nèi)降到最大值，此時(shí)間遠(yuǎn)小于空調(diào)的運(yùn)行周期，本文同樣忽略其對(duì)負(fù)荷多樣性的影響。

3)負(fù)荷恢復(fù)控制參數(shù)對(duì)負(fù)荷控制特性的影響

在分時(shí)段回調(diào)空調(diào)設(shè)定溫度的恢復(fù)策略中，空調(diào)運(yùn)行n個(gè)周期后恢復(fù)到控制前的設(shè)定溫度，n的取值、負(fù)荷群空調(diào)工作周期的分布特性、空調(diào)在溫度上下限空間的分布特性共同決定了設(shè)定溫度恢復(fù)階段的負(fù)荷群聚合功率變化特性。n值越大，相當(dāng)于在更長(zhǎng)的時(shí)間錯(cuò)開空調(diào)設(shè)定溫度的回調(diào)時(shí)間，可有效避免功率恢復(fù)高峰。n的取值需要綜合考慮負(fù)荷控制對(duì)恢復(fù)時(shí)間和負(fù)荷功率高峰大小的要求。

仿真分析：空調(diào)自律控制的機(jī)制仿真：

假設(shè)一負(fù)荷群由10000臺(tái)空調(diào)組成，采用蒙特卡洛法模擬負(fù)荷群的運(yùn)行，單臺(tái)空調(diào)的仿真模型采用三階物理模型，影響空調(diào)工作周期的熱阻、熱容以及外界環(huán)境溫度等參數(shù)取值的概率分布見文獻(xiàn)“劉萌，褚曉東，張文，等.基于多樣性保持的空調(diào)負(fù)荷群調(diào)度控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(22)：3674-3682.”，單臺(tái)空調(diào)的參數(shù)在取值區(qū)間內(nèi)按概率分布抽樣得到，聚合得到空調(diào)負(fù)荷群功率。

設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行到0.5h時(shí)出現(xiàn)大功率缺額，對(duì)空調(diào)負(fù)荷群實(shí)施分散式控制，忽略設(shè)定溫度隨頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程，對(duì)比分析3種不同控制策略以及負(fù)荷群分散自律控制策略在不同參數(shù)取值時(shí)的控制效果。

1)負(fù)荷群中各空調(diào)設(shè)定溫度均調(diào)高0.2℃，運(yùn)行到1.6h時(shí)均調(diào)回原值，控制效果如圖10曲線1的負(fù)荷群功率變化所示，運(yùn)行狀態(tài)的空缺和轉(zhuǎn)移導(dǎo)致負(fù)荷群功率振蕩，負(fù)荷恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的功率二次沖擊。

2)按照分散自律控制策略對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制，各空調(diào)設(shè)定溫度均調(diào)高0.2℃，控制時(shí)間為5min，運(yùn)行到1h時(shí)所有空調(diào)設(shè)定溫度均直接調(diào)回原值，控制效果如圖10曲線2的負(fù)荷群功率變化所示，設(shè)定溫度調(diào)高階段負(fù)荷群功率不會(huì)振蕩，但設(shè)定溫度恢復(fù)階段出現(xiàn)功率二次沖擊和功率振蕩。

3)按照分散自律控制策略對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制，各空調(diào)設(shè)定溫度均調(diào)高0.2℃，控制時(shí)間為5min，按照分時(shí)段法恢復(fù)空調(diào)的設(shè)定溫度，控制效果如圖10曲線3的負(fù)荷群功率變化所示，負(fù)荷控制的過程中不會(huì)出現(xiàn)功率振蕩和功率二次沖擊。

4)按照分散自律控制策略對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制，各空調(diào)設(shè)定溫度均調(diào)高0.2℃，控制時(shí)間為5min、10min和15min，不恢復(fù)空調(diào)的設(shè)定溫度，控制效果如圖11曲線1、2和3的負(fù)荷群功率變化所示。控制時(shí)間越短，負(fù)荷群運(yùn)行的溫度空間變化越小，負(fù)荷群聚合功率振蕩幅值的影響越小，即負(fù)荷群多樣性破壞嚴(yán)重程度越小。

空調(diào)負(fù)荷群集響應(yīng)頻率的分散自律控制策略仿真：以圖12所示的IEEE算例3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，驗(yàn)證空調(diào)負(fù)荷群集響應(yīng)頻率的分散自律控制策略。發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)參見文獻(xiàn)“ANDERSON P M,FOUAD A A.Power system control and stability[M].New York:IEEE Press,1993:38-39.”，空調(diào)模型參數(shù)取值在文獻(xiàn)[15]取值區(qū)間內(nèi)按概率分布抽樣得到，K_AC值為3.0℃/Hz。

假設(shè)系統(tǒng)無故障運(yùn)行到10.0s時(shí)，3號(hào)母線機(jī)組跳閘失去85MW的發(fā)電，約占系統(tǒng)總發(fā)電的26.6％。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷不參與控制時(shí)，故障后，1、3號(hào)母線發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作，增加出力以補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額，阻止頻率偏離額定值。頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖13中點(diǎn)劃線所示，在系統(tǒng)出現(xiàn)大功率缺額后4.30s，頻率下降到最低值58.38Hz。假設(shè)5號(hào)母線負(fù)荷節(jié)點(diǎn)含有60％比例的可控空調(diào)負(fù)荷參與控制，分別考察對(duì)空調(diào)負(fù)荷實(shí)施分散式控制以及分散自律控制策略時(shí)的頻率變化，如圖13中點(diǎn)線和實(shí)線所示，空調(diào)負(fù)荷參與頻率響應(yīng)后，系統(tǒng)受擾后的頻率波動(dòng)減小，最低值為59.32Hz。

分別對(duì)空調(diào)負(fù)荷實(shí)施分散式控制以及分散自律控制策略時(shí)，空調(diào)負(fù)荷參與控制后的功率減少曲線如圖14中點(diǎn)線和點(diǎn)劃線所示。在一次和二次調(diào)頻時(shí)間尺度上，兩種控制策略中空調(diào)負(fù)荷均能為系統(tǒng)提供備用，降低發(fā)電側(cè)備用。在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上，空調(diào)分散式控制群集響應(yīng)的振蕩特性使發(fā)電側(cè)備用需求波動(dòng)較大，振蕩峰值時(shí)大大提高了發(fā)電側(cè)備用的需求，而空調(diào)分散自律控制不會(huì)使發(fā)電側(cè)備用需求發(fā)生波動(dòng)。分散自律控制中空調(diào)設(shè)定溫度的變化如圖15所示，控制過程對(duì)用戶的舒適度影響很小，可以提高空調(diào)用戶為系統(tǒng)提供事故備用資源的積極性。

本申請(qǐng)以空調(diào)作為熱存儲(chǔ)特性負(fù)荷的例子，提出了大功率缺額下空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略。分析了負(fù)荷分散控制中負(fù)荷群運(yùn)行狀態(tài)的空缺、轉(zhuǎn)移或者趨同導(dǎo)致負(fù)荷群聚合功率振蕩的機(jī)理，以及負(fù)荷恢復(fù)過程產(chǎn)生功率二次沖擊的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出了空調(diào)負(fù)荷群集的分散自律控制策略，通過各空調(diào)分散自主地調(diào)整設(shè)定溫度上下限，避免控制前后負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，消除負(fù)荷群的聚合功率振蕩，通過分時(shí)段空調(diào)設(shè)定溫度回調(diào)法避免負(fù)荷恢復(fù)過程中的功率二次沖擊。深入分析了所設(shè)計(jì)策略的控制特性及參數(shù)取值原則。通過算例仿真對(duì)文中控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。