本發(fā)明屬于需求響應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種針對多類溫控式負(fù)荷的聯(lián)絡(luò)線波動平抑處理方法。
背景技術(shù):
需求響應(yīng),即電力需求響應(yīng)的簡稱,是指當(dāng)電力批發(fā)市場價格升高或電力系統(tǒng)的有效性和可靠性受到威脅時,電力用戶在接收到供電商發(fā)出的誘導(dǎo)性減少負(fù)荷的直接補償通知或者電力價格上升信號后,改變其固有的用電行為模式,從而減少或者推移某時段的用電負(fù)荷而響應(yīng)電力供應(yīng),保障電網(wǎng)穩(wěn)定的短期行為。
隨著需求響應(yīng)的提出,人們不再單純從增加發(fā)電設(shè)備和接入大規(guī)模電力儲能角度上思考電力供給生產(chǎn)與消耗的實時平衡問題,部分類型的負(fù)荷開始被視為重要的需求側(cè)資源,可調(diào)控負(fù)荷、主動負(fù)荷、柔性負(fù)荷等相關(guān)概念陸續(xù)獲得人們關(guān)注。其中具有熱力學(xué)可控特征的溫控樓宇通風(fēng)機、空調(diào)、冰箱等溫控負(fù)荷逐漸成為需求響應(yīng)的研究重點。
近年來,隨著用戶用電需求的增加,傳統(tǒng)的電網(wǎng)面臨著許多存在或者潛在性的問題,電網(wǎng)的有效性與可靠性受到威脅。同時,新能源產(chǎn)品(如混合動力電動汽車等)的出現(xiàn)、分布式可再生能源發(fā)電裝置的應(yīng)用,也對電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生顯著影響,使得電網(wǎng)出現(xiàn)間歇性與波動性。平抑可再生能源入網(wǎng)產(chǎn)生的波動,是智能電網(wǎng)集成的一項重要挑戰(zhàn)。
現(xiàn)有方法控制對象種類單一,在控制容量,對象選擇與調(diào)整方面有很大的局限性,并且無法克服某些溫控負(fù)荷季節(jié)性需求的局限性,在家庭用戶的大規(guī)模應(yīng)用中還存在一定問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,本發(fā)明提供一種基于多類溫控負(fù)荷加權(quán)狀態(tài)隊列控制的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動平抑方法,該方法擴(kuò)充了響應(yīng)對象的范圍,并保證了控制的靈活性。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:一種基于多類溫控負(fù)荷加權(quán)狀態(tài)隊列控制的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動平抑方法,所述方法在社區(qū)微網(wǎng)能源信息系統(tǒng)中實現(xiàn),所述社區(qū)微網(wǎng)能源信息系統(tǒng)包括能源網(wǎng)和信息網(wǎng)兩層,通過實時數(shù)據(jù)通信的方式完成功率的調(diào)控;
所述能源網(wǎng)包括微網(wǎng)發(fā)電側(cè)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微網(wǎng)發(fā)電側(cè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、用電側(cè)的溫控負(fù)荷負(fù)載、用電側(cè)的其他不可控負(fù)荷負(fù)載以及電池儲能系統(tǒng)、與大電網(wǎng)相連接的聯(lián)絡(luò)線,微網(wǎng)發(fā)電側(cè)通過聯(lián)絡(luò)線給用電側(cè)供電,所述電池儲能系統(tǒng)用于存儲微網(wǎng)發(fā)電側(cè)多余的電量或為用電側(cè)提供用電;
所述信息網(wǎng)包括若干不同種類溫控負(fù)荷的能效終端、中心控制器和微網(wǎng)控制中心;每個種類的溫控負(fù)荷的能效終端構(gòu)成一個隊列,每個隊列中能效終端均與該隊列的中心控制器進(jìn)行通訊,各個中心控制器均與微網(wǎng)控制中心進(jìn)行通訊;
該方法具體如下:
各個溫控負(fù)荷的能效終端采集實時溫度信息,并將溫度信息傳遞給對應(yīng)的中心控制器,每個中心控制器對實時溫度信息進(jìn)行排隊篩選,得到可調(diào)控的溫控負(fù)荷的數(shù)量和狀態(tài),并將其傳輸?shù)轿⒕W(wǎng)控制中心;
微網(wǎng)控制中心綜合該時刻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、其他不可控負(fù)荷負(fù)載的用電量以及來自各中心控制器的信息,通過聯(lián)絡(luò)線波動平抑算法以及加權(quán)公平陣列算法計算出需要各類溫控負(fù)荷需要響應(yīng)的電量并將信息傳輸回各對應(yīng)的中心控制器,由各中心控制器使用狀態(tài)序列模型完成對溫控負(fù)荷負(fù)載的調(diào)控。
進(jìn)一步的,所述聯(lián)絡(luò)線波動平抑算法具體如下:
將聯(lián)絡(luò)線功率
式中,ttca、tba分別為一、二次濾波的濾波器時間常數(shù),δt為時間間隔,
可得如下電熱泵負(fù)荷和電池的目標(biāo)功率:
式中
進(jìn)一步的,所述加權(quán)公平陣列算法具體如下:
根據(jù)隊列性質(zhì)以及溫控負(fù)荷設(shè)備本身的性質(zhì),設(shè)定t時刻第q個隊列的響應(yīng)權(quán)重參量為
其中,kfq表示不同情況下可根據(jù)需求變化設(shè)定的第q個隊列的優(yōu)先級,
則t時刻第q個隊列根據(jù)響應(yīng)權(quán)重配比響應(yīng)目標(biāo)為
其中,q為隊列的總數(shù)量。
進(jìn)一步的,所述狀態(tài)序列模型的過程如下:
1)狀態(tài)分群:
通過t時刻設(shè)備溫度與t-1設(shè)備狀態(tài)來判斷t時刻的設(shè)備開關(guān)狀態(tài):
其中
根據(jù)狀態(tài)變量
2)溫度排序:
根據(jù)當(dāng)前t時刻溫控設(shè)備調(diào)節(jié)的內(nèi)部溫度測量值以及該類溫控設(shè)備正常運行允許的溫度范圍,使用一個相對參量
其中,
3)響應(yīng)控制:
在步驟2)的基礎(chǔ)上定義溫控設(shè)備的可控范圍:當(dāng)s=1,θ∈[θ-,θmax];s=0,θ∈[θmin,θ+];若系統(tǒng)期望減少負(fù)荷消耗,則在可控范圍內(nèi)的開啟設(shè)備群中,按照上一步的排序依次參加響應(yīng)關(guān)閉設(shè)備;若系統(tǒng)期望增加負(fù)荷消耗,則在可控范圍內(nèi)的關(guān)閉設(shè)備群中,依次開啟設(shè)備,最后達(dá)到目標(biāo)需求如下式:
其中,
本發(fā)明的有益效果如下:①建立合適的狀態(tài)序列模型,考慮用戶的舒適性約束,對用戶熱負(fù)荷進(jìn)行快速有效的控制策略。②在建立需求響應(yīng)策略時,考慮多種家居熱負(fù)荷負(fù)載(如空調(diào),熱水器,冰箱等)對系統(tǒng)整體能量調(diào)度的影響,將不同的控制目標(biāo)歸一化,并引入加權(quán)公平隊列的調(diào)度方式,充分調(diào)用家居熱負(fù)荷的開關(guān)特性,發(fā)揮整體能量分配最優(yōu)化。③建立加權(quán)公平隊列調(diào)度模型時,選用優(yōu)先級概念,在提高能量利用率的同時,增加了模型的靈活性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的社區(qū)微網(wǎng)能源信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖;
圖2是本發(fā)明方法的流程圖;
圖3是本發(fā)明平抑聯(lián)絡(luò)線波動算法示意圖;
圖4是本發(fā)明加權(quán)公平陣列算法示意圖;
圖5是本發(fā)明狀態(tài)序列模型示意圖;
圖6是本發(fā)明負(fù)載溫度變化曲線圖;
圖7是本發(fā)明平抑算法前后對比圖;
圖8是本發(fā)明聯(lián)絡(luò)線功率響應(yīng)目標(biāo)圖;
圖9是本發(fā)明聯(lián)絡(luò)線功率響應(yīng)結(jié)果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述:
圖1展示了本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括能源網(wǎng)和信息網(wǎng)兩層,通過實時數(shù)據(jù)通信的方式完成功率的調(diào)控。所述能源網(wǎng)包括微網(wǎng)發(fā)電側(cè)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微網(wǎng)發(fā)電側(cè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、用電側(cè)的溫控負(fù)荷負(fù)載、用電側(cè)的其他不可控負(fù)荷負(fù)載以及電池儲能系統(tǒng)、與大電網(wǎng)相連接的聯(lián)絡(luò)線,微網(wǎng)發(fā)電側(cè)通過聯(lián)絡(luò)線給用電側(cè)供電,所述電池儲能系統(tǒng)用于存儲微網(wǎng)發(fā)電側(cè)多余的電量或為用電側(cè)提供用電。所述信息網(wǎng)包括若干不同種類溫控負(fù)荷的能效終端、中心控制器和微網(wǎng)控制中心,每個種類的溫控負(fù)荷的能效終端構(gòu)成一個隊列,每個隊列中能效終端均與該隊列的中心控制器進(jìn)行通訊,各個中心控制器均與微網(wǎng)控制中心進(jìn)行通訊。該方法具體如下:
各個溫控負(fù)荷的能效終端采集實時溫度信息,并將溫度信息傳遞給對應(yīng)的中心控制器,每個中心控制器對實時溫度信息進(jìn)行排隊篩選,得到可調(diào)控的溫控負(fù)荷負(fù)載的數(shù)量和狀態(tài),并將其傳輸?shù)轿⒕W(wǎng)控制中心;
微網(wǎng)控制中心綜合該時刻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、其他不可控負(fù)荷負(fù)載的用電量以及來自各中心控制器的信息,通過聯(lián)絡(luò)線波動平抑算法以及加權(quán)公平陣列算法計算出需要各類溫控負(fù)荷需要響應(yīng)的電量并將信息傳輸回各對應(yīng)的中心控制器,由各中心控制器使用狀態(tài)序列模型完成對溫控負(fù)荷的調(diào)控。
圖2展示了本發(fā)明的整體算法框架,從圖中可以看到,本發(fā)明主要包括三部分算法。一是基于巴特沃茲濾波器二次濾波的聯(lián)絡(luò)線波動平抑算法;二是基于加權(quán)公平隊列的優(yōu)化調(diào)度算法;三是基于同種溫控負(fù)荷內(nèi)部的狀態(tài)序列響應(yīng)算法。
圖3具體展示了第一部分算法:
微網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置等匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。在t時刻,風(fēng)電、光伏發(fā)電、電池和聯(lián)絡(luò)線向微網(wǎng)內(nèi)的可控負(fù)荷(溫控負(fù)荷)和不可控負(fù)荷進(jìn)行供電,微網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡公式為:
其中,
風(fēng)電和光伏出力的波動會引起聯(lián)絡(luò)線功率波動,同時當(dāng)兩者滲透率增大時,聯(lián)絡(luò)線功率波動性會加強,且可能影響主網(wǎng)運行電壓和頻率,因此,需要研究有效平滑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動的方法。
反復(fù)充放電會影響儲能電池的使用壽命,而由電熱泵構(gòu)成的虛擬儲能,可彌補電池的上述不足。且由于虛擬儲能響應(yīng)速度快,因此可平抑功率波動的高頻成分;而電池可平抑其低頻率,以降低其充放電頻次,這是該研究協(xié)調(diào)控制策略的基本思路,其實現(xiàn)過程如圖3所示。
將聯(lián)絡(luò)線功率
式中,ttca、tba為濾波器的時間常數(shù),δt為時間間隔,
可得如下電熱泵負(fù)荷和電池的目標(biāo)功率:
式中
當(dāng)總的溫控負(fù)荷響應(yīng)目標(biāo)確定之后,將所有參與響應(yīng)的溫控負(fù)荷根據(jù)種類分成不同的隊列,因而可以執(zhí)行第二部分加權(quán)公平陣列算法計算每個隊列的目標(biāo)響應(yīng)值,如圖4所示。
每個sq隊列的響應(yīng)目標(biāo)由隊列性質(zhì)以及溫控設(shè)備本身的性質(zhì)共同決定。影響因素包括:隊列內(nèi)可參與響應(yīng)的設(shè)備數(shù)量,每個設(shè)備的功率以及溫度調(diào)節(jié)范圍。對于溫控負(fù)荷在不同的時段的需求度會有很大不同,該發(fā)明選用一個優(yōu)先級參量來進(jìn)行不同需求的控制,設(shè)定第q個隊列的響應(yīng)權(quán)重參量為
其中,kfq表示不同情況下可根據(jù)需求變化設(shè)定的優(yōu)先級,
時變的優(yōu)先級比例,滿足了在不同時刻的溫控負(fù)荷的需求舒適度,保證了控制算法的靈活性。
則t時刻第q個隊列根據(jù)響應(yīng)權(quán)重配比響應(yīng)目標(biāo)為
其中,q為隊列的總數(shù)量。
各隊列響應(yīng)目標(biāo)分配完畢后,第三部分算法開始執(zhí)行:
首先對隊列里的溫控設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分群,我們通過t時刻設(shè)備溫度與t-1時刻設(shè)備狀態(tài)來判斷t時刻的設(shè)備開關(guān)狀態(tài):
其中
如圖4所示,假設(shè)同一社區(qū)內(nèi)共有20個家庭的電熱泵參與激勵響應(yīng)控制。在某一個時刻,假設(shè)有5個設(shè)備為開啟狀態(tài),有15個設(shè)備為關(guān)閉狀態(tài),若以狀態(tài)變量
接著根據(jù)當(dāng)前t時刻電熱泵調(diào)節(jié)的室內(nèi)溫度測量值,對開啟設(shè)備群進(jìn)行由高到低排列,對關(guān)閉群進(jìn)行由低到高排列。考慮到多類型設(shè)備工作的溫度范圍不同,使用一個相對參量
其中,δi表示溫控設(shè)備i正常運行允許的溫度范圍;
最后實現(xiàn)各個負(fù)荷的控制響應(yīng)??紤]到設(shè)備使用壽命等實際因素,該模型引入約束分組策略。具體來說,就是定義了電熱泵的可控范圍:當(dāng)s=1,θ∈[θ-,θmax];s=0,θ∈[θmin,θ+],如圖4灰色覆蓋區(qū)域所示。在可控溫度范圍內(nèi),電熱泵可參與響應(yīng)控制:在可控溫度范圍外,認(rèn)為電熱泵設(shè)備開啟或者關(guān)停的時間尚短,沒有達(dá)到設(shè)備操作約束限制要求,因此不宜參與響應(yīng)控制。若系統(tǒng)期望減少負(fù)荷消耗,則在可控范圍內(nèi)的開啟設(shè)備群中,按照上一步的排序依次參加響應(yīng)關(guān)閉設(shè)備,如s5、s4…;若系統(tǒng)期望增加負(fù)荷消耗,則在可控范圍內(nèi)的關(guān)閉設(shè)備群中,依次開啟設(shè)備,s20、s19…。最后達(dá)到目標(biāo)需求如下式:
其中,
為了驗證本發(fā)明的有效性,模擬一個有500住戶的社區(qū)微網(wǎng),分別以暖通空調(diào),電冰箱,熱水器三種溫控設(shè)備作為負(fù)載,通過matlab平臺進(jìn)行一天的仿真。風(fēng)力、光伏數(shù)據(jù)來自美國nasa網(wǎng)站數(shù)據(jù),溫控負(fù)荷模型仿真模型使用現(xiàn)有的熱泵動力學(xué)模型。該熱泵動力學(xué)模型如下:當(dāng)設(shè)備運行時,溫控負(fù)荷控制溫度以tset為基點在(tset-δ,tset+δ)的范圍內(nèi)浮動。當(dāng)溫度到達(dá)溫度調(diào)節(jié)范圍的上下限時,電熱泵的運行狀態(tài)就發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)電熱泵開啟時:
當(dāng)電熱泵關(guān)閉時:
其中,
在該模擬算法中,三種溫控負(fù)荷熱力學(xué)參數(shù)取值分別為:暖通空調(diào)r=0.1208℃/w,c=3599.3j/℃,q=400w;熱水器r=0.7623℃/w,c=431.7j/℃,q=400w;電冰箱r=0.2485℃/w,c=524.69j/℃,q=400w。
圖6為1500個溫控負(fù)荷負(fù)載運用多重狀態(tài)序列模型后溫度變化軌跡曲線。從圖中可以看出,各區(qū)的溫控負(fù)荷在該算法下是可控的;在某些時段,溫度出現(xiàn)提前升高的情況,在某些時刻,溫度提前降低。圖7為聯(lián)絡(luò)線平抑算法響應(yīng)前后聯(lián)絡(luò)線功率對比曲線。從圖中可以看出聯(lián)絡(luò)線功率平抑效果良好。圖8為聯(lián)絡(luò)線功率響應(yīng)目標(biāo)曲線,圖9為聯(lián)絡(luò)線功率響應(yīng)結(jié)果曲線。兩張圖對比可以看出實際值基本與目標(biāo)值契合,需求響應(yīng)結(jié)果比較理想。
綜上所述,本發(fā)明實施例對微網(wǎng)中存在的大量不同種類的溫控負(fù)荷負(fù)載進(jìn)行集群需求響應(yīng)控制,根據(jù)風(fēng)光發(fā)電的輸入數(shù)據(jù)實時確定響應(yīng)目標(biāo),通過隊列中溫控負(fù)荷的可控狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)目標(biāo)的分配,在每個隊列內(nèi)部通過負(fù)荷分類,排序,依次通過改變開關(guān)狀態(tài)來完成響應(yīng)目標(biāo),完成聯(lián)絡(luò)線波動的平抑。本發(fā)明側(cè)重于為了平抑分布式發(fā)電入網(wǎng)帶來的波動性,在智能電網(wǎng)信息雙向交互的環(huán)境下,對用戶溫控設(shè)備進(jìn)行實時開關(guān)的調(diào)整,既保留了供需平衡所帶來的社會經(jīng)濟(jì)效益,又滿足用戶舒適性方面的要求。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。