基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略

郭炳慶，楊婧捷，屈 博，戚 艷，劉幸蔚，王迎秋

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384）

基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略

郭炳慶1，楊婧捷1，屈 博1，戚 艷2，劉幸蔚1，王迎秋2

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384）

以HVAC（暖通空調）類負荷為控制對象，提出了一種基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略。首先給出了HVAC負荷的等值熱力學參數模型，分析了此類負荷的負荷特性；進而通過用戶參與度建立HVAC負荷的溫度設定值與系統頻率波動之間的數學關系，給出了一種基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略，通過動態調整開關狀態改變負荷功率，達到系統頻率控制的目的。最后利用典型的單機電力系統模型驗證了控制策略的有效性。

暖通空調類負荷；動態調頻；參與度；頻率控制策略

電力系統頻率是電能質量的三大指標之一，是電力系統安全穩定運行和電能質量的重要指標，反映了發電側和負荷側之間的平衡關系，是電力系統運行的重要控制參數。當系統有功功率有盈余時，頻率就會上升超過額定值；當發送的有功功率有缺額時，頻率就會下降至低于額定值。近年來，規模不斷增加的可再生能源其間歇性和不穩定性增大了系統有功功率的波動，從而加劇了系統頻率偏差[1-3]。

以風力發電為例，風電大規模并網必然替代部分常規機組[4]。對于變速風電機組，其控制系統的控制作用使變速風電機組的轉速與電網頻率完全解耦，使得電網頻率變化時機組無法提供頻率響應，導致電網功率缺額發生時，電網頻率變化率較高，頻率跌落幅度較大，不利于電網的頻率穩定。同時，當電網中風電裝機容量達到一定比例時，風電機組的功率波動，或是風電場的因故退出運行，會導致系統的有功出力與負荷之間產生動態不平衡，若此時其他發電機組未能快速響應風電的功率波動，則可能造成系統的頻率偏差，甚至可能導致頻率越限，危及電網的安全運行[5-7]。

需求響應DR（demand response）是指用戶針對電力價格信號或者激勵機制做出響應，能夠改變正常電力消費模式的市場參與行為，是目前智能電網研究的重點[7-8]。需求側在電力系統中的地位和作用被重新認識和定義，需求側的資源也得到了更加充分的利用。通過需求響應控制，電力用戶可以改變電力消費模式，參與電力系統的調節和運行，向電網提供高效的輔助服務[9-10]。隨著智能電網的發展，高級通信、測量和控制手段為需求響應的發展提供了有力的保障。暖通空調HVAC（heating，ventilation and air conditioning）類負荷是可控負荷的典型代表，由于其熱動態過程與電系統相比，存在一定的延遲性，因此可在溫度舒適度約束要求的范圍內，通過改變開關狀態響應系統功率需求[11-12]。

HVAC類負荷是一種非常適合參與系統頻率調節的負荷形式。文獻[13]指出了其優缺點，即HVAC類負荷所占的負荷比重較大，其速斷特性使其具有較強的可控性，同時作為一種耗能元件，可在用戶舒適度范圍內短時間切斷而不影響使用，具有良好的儲能特性；同時又具有一定的不確定性和通信局限性，其響應也會有一定的延遲，可能會造成系統二次擾動；同時以電冰箱為例，提出一種適用于家居型HVAC負荷的變參與度需求側分散控制策略，配合儲能系統進行孤立微電網的頻率控制。除頻率控制外，相關文獻也研究了HVAC類負荷在抑制其他波動方面的應用；文獻[14]采用居民家居HVAC負荷設備（以電熱泵為例）作為負荷響應資源，以SQ算法為基礎，提出了一種有效抑制由可再生能源波動引起的微網聯絡線功率波動算法；文獻[15]以冰箱、空調、空氣能熱水器這3種負荷特性為基礎，提出了居民可控負荷主動、安全響應微電網電壓的基本思路，以協助微電網安全穩定運行，提高電壓穩定性；文獻[16]將智能需求響應技術與低頻減載措施相結合，利用負荷側的快速響應資源與低頻減載裝置進行協調控制，提出了一種考慮冰箱、冰柜、空調、熱水器等家電頻率響應的新型低頻減載方案。

本文基于HVAC的負荷特性，提出一種基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略，在大規模風電并網的環境下，利用HVAC類負荷為電力系統提供輔助調頻服務。

1 HVAC類負荷建模

HVAC類負荷指暖通空調類的溫控負荷。以制熱型溫控負荷為例，為了研究HVAC類負荷控制過程中的溫度動態特性，在研究中常用等值熱力學ETP（equivalent thermal parameter）模型來描述HVAC類負荷，如圖1所示[11]。

圖1 HVAC負荷ETP模型Fig.1 ETP model of HVAC load

ETP模型用二階微分方程組來描述HVAC類負荷的變化過程，在涉及大量溫控負荷的大規模仿真計算時所用計算時間較長。將上述的ETP模型簡化為1階微分方程，以制熱型HVAC類負荷為例，在開啟狀態下，受控溫度變化情況為

式中：T為受控環境溫度，℃；To為外環境溫度，℃；R為等值熱阻，℃/W；上標t為仿真時間；C為等值熱容，J/℃。

在關斷狀態下，受控溫度變化情況為

式中：Q為等值熱效率，W。參數R、C、Q為等值擬合參數，是由簡化模型曲線擬合精確的ETP模型曲線得出。等值擬合參數雖然沒有實際的物理意義，但它與HVAC類負荷功率及使用環境是有關聯的。功率越大，環境隔熱性能越好，等值熱阻R和等值熱比率Q的乘積RQ就越大，負荷開啟時溫度上升越快。制熱型HVAC類負荷溫度動態過程如圖2所示。仿真步長本文取為1 min，表示為

式中：T+為溫度上邊界；T-為溫度下邊界；Tset為溫度設定值；ΔT為溫度死區值。根據Tset，可計算T+與T-。

圖2 制熱型HVAC類負荷動態過程Fig.2 Thermal behavior of a heating HVAC load

負荷開啟狀態下，室內溫度以指數形式上升；當達到溫度上邊界后負荷關斷，溫度以指數形式下降；當達到溫度下邊界后負荷重新開啟，重復以上循環。該模型用指數變化近似模擬受控溫度的變化，在簡化模型運算復雜度的同時較好地保留了模型的精確度，在大規模仿真時有較大的應用價值。

2 HVAC類負荷頻率響應控制策略

需求側響應控制策略分為集中式控制策略和分散式控制策略。集中式控制對控制區域內的HVAC負荷集群進行集中管理和統一調度。這一控制方式可以對負荷進行系統性控制和管理，實現能量的集中管理，從而可以實現整體上的最優。但這一控制結構需要專門的通信系統，增加了通信系統的復雜性，信號傳遞的延遲也會降低HVAC負荷集群的響應速度。而動態調頻需要負荷的快速響應，因此，集中式控制并不能很好地滿足控制需求。在分散式控制方式中，設備無需進行統一管理和調度，也不需要專門的通信系統，而是可以根據本地頻率信號進行自主快速響應。這樣既降低了系統運行成本，同時也可以避免信號傳遞的延遲。因而，分散式控制適用于動態調頻對負荷響應速度要求高的控制過程。

本文提出一種基于HVAC負荷的分散動態調頻控制策略，其基本控制思路如下：HVAC設備的溫度設定值（setpoint）在考慮用戶舒適度要求的范圍內，根據電力系統頻率動態變化，在控制死區（deadband）的寬度不變時，設備的溫度上下界，即設備開關狀態變化的觸發溫度，也會隨系統頻率動態變化，這樣就可以調節狀態處于開啟和關斷的設備在負荷集群中所占的比例，從而改變HVAC群體總負荷量，進而動態改變系統負荷，維持系統發出的有功功率和負荷之間的平衡關系，實現頻率調節的目的。這一過程表示為

式中：f為電力系統頻率的本地測量值；f0為系統額定頻率；T+′和T-′為經過控制后的開關狀態觸發溫度；k為用戶參與度，℃/Hz，在數學上指的是HVAC設備觸發溫度變化量與電網頻率變化量之間的系數。容易看出，k值越大，HVAC負荷集群的頻率調節能力越強，調頻效果越好，但用戶舒適度越低；反之亦然。

本文將設置合適的參與度值，進行頻率控制，控制過程如圖3所示。

圖3 HVAC頻率響應控制策略示意Fig.3 Diagram of HVAC frequency control strategy

圖中，T+max為控制過程中設備溫度上界T+的最大值；T-min為溫度下界T-的最小值。從圖中可以看出，通過所提出的控制策略，可以實現當頻率波動時，改變處于打開或關斷狀態的設備在負荷集群中所占的比例，從而改變整個集群的負荷需求量大小，使得供需功率趨于平衡，有效抑制可再生能源并網造成的頻率波動。

本文所提控制策略通過建立HVAC設備的溫度設定值與電網頻率變化量之間的關系，使HVAC負荷集群參與到電網的頻率控制中，設備在溫度達到觸發溫度時立即動作，可以滿足動態調頻對響應速度的要求。本控制策略對HVAC用戶的影響主要體現在受控溫度的變化，在控制過程中通過設置溫度上、下限（T+max、T-min）能夠有效保證用戶舒適度。同時，這一控制策略的控制方式比較靈活，易于實現，且成本較低。

3 算例分析

采用圖4所示的電力系統頻率控制模型進行仿真。該模型為某地區電力系統簡化模型，用于頻率控制的研究。發電系統等值模型包含調速器和原動機等值模型以及代表一次調頻、二次調頻的反饋環節，其中，TG、TT分別為調速器和原動機的時間常數，用來描述二者的時間特性。為了實現穩定的轉速調節，在調速器、原動機之間引入暫態下垂補償環節，用超前-滯后傳遞函數來表示，其中T1、T2為超前、滯后時間常數；ΔPm為機械功率變化量。兩個反饋信號分別代表機組自身的一次調頻、二次調頻作用。一次調頻中，Req為等值機組調差系數，實現頻率的有差控制。二次調頻中，引入積分環節實現誤差控制，kE為機組二次調頻響應系數。負荷模塊用來描述系統負荷的頻率響應性，其中D為荷機械阻尼功率。仿真參數的選取如表1所示。綜合考慮HVAC負荷利用率與用戶舒適度，統一設置用戶參與度k=10℃/Hz。

圖4 電力系統頻率控制模型Fig.4 Frequency control model of power system

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖4中，新能源發電模塊模擬風電并網給系統帶來的功率擾動用ΔP表示。仿真控制對象為5×104臺功率和初始溫度設定值相同的HVAC設備，初始溫度和單位時間內的溫度變化滿足均勻分布。在功率擾動下，系統產生頻率偏差，用Δf表示。HVAC設備通過采集系統頻率信號動態調整開關狀態，負荷集群為電力系統提供調頻功率ΔPHVAC。本算例通過對比含負荷動態調頻控制策略與不含動態調頻控制策略的系統頻率偏差波動曲線來顯示頻率控制策略的調頻效果。

風電出力波動如圖5所示，在間歇性風電影響下，系統頻率出現波動如圖6所示。在沒有HVAC類負荷頻率控制的情況下，系統頻率波動較大，在有HVAC類負荷頻率控制的情況下，系統頻率波動減小。受HVAC類負荷響應速度與用戶舒適度的限制，在個別情況下會出現施加HVAC類負荷控制后系統頻率偏差增大的情況，即二次擾動（例如圖6中23：00）。然而在有HVAC類負荷控制后系統頻率波動從整體上得到明顯改善，兩種情境下系統頻率概率密度分布如圖7所示。

為了維持系統有功平衡，系統中發電機出力波動如圖8所示。在沒有HVAC類負荷頻率控制的情況下，發電機出力波動較大，在有HVAC類負荷頻率控制的情況下，發電機出力波動減小。綜上所述，本文所提HVAC類負荷控制策略能夠有效利用需求側HVAC類負荷為電力系統提供頻率響應服務，在大規模新能源并網環境下，能夠有效抑制系統頻率波動和減小發電廠出力波動。

圖5 風機出力波動Fig.5 Fluctuation of wind power output

圖6 系統頻率波動Fig.6 Fluctuation of system frequency

圖7 系統頻率概率分布Fig.7 Probability distribution of system frequency

圖8 發電機出力波動Fig.8 Fluctuation of power plant output

4 結語

本文提出一種基于HVAC類負荷的電力系統動態調頻控制策略，通過調整觸發溫度控制負荷的開關狀態，改變負荷功率。利用典型算例驗證了控制策略的有效性，發現本控制策略能夠有效利用HVAC類負荷為電力系統提供頻率響應服務，在大規模新能源并網環境下能夠減小系統頻率波動，配合傳統發電廠完成系統調頻。

然而，受系統中HVAC類負荷數量與負荷特性的限制，其頻率響應能力是有限的，單一利用HVAC類負荷提供頻率響應服務可能會出現二次擾動現象。需求側資源同時涵蓋電動汽車等多種類型的柔性負荷，在需求響應控制中如何綜合利用、協調各種類型的柔性負荷是未來研究當中的重點。

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Dynamic Frequency Control Strategy for Power System Based on HVAC Load

GUO Bingqing1，YANG Jingjie1，QU Bo1，QI Yan2，LIU Xingwei1，WANG Yingqiu2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.Tianjin Electric Power Research Institute，State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China）

This paper proposes a dynamic frequency control strategy for the power system based on heating，ventilation and air conditioning（HVAC）loads.First，an equivalent thermal parameter（ETP）model is used to study the characteris?tics of HVAC loads.Then，an mathematical model is established to describe the relationship of the set-point of HVAC temperature and system frequency deviation.A dynamic frequency control strategy is proposed，which allows the HVAC loads to provide frequency response through adjusting their on/off states.Finally，a typical single-machine power system model is used to test the effectiveness of the control strategy.

heating ventilation and air conditioning（HVAC）load；dynamic frequency control；participation degree；frequency control strategy

TM73

A

1003-8930（2016）11-0065-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.011

2016-04-27；

2016-08-19

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2015AA050403）；國家電網公司總部科技項目“冷熱電混合能源聯合優化調節關鍵技術研究及應用”（SGTJDK00DWJS1500100）

郭炳慶（1962—），男，博士，教授級高工，研究方向為能效管理、電網能效分析、電能替代等。Email：bq_guo@epri.sgcc.com.cn

楊婧捷（1992—），女，碩士研究生，研究方向為能量管理系統、混合能源系統能源聯合優化等。Email：yangjj10@fox?mail.com

屈 博（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為能效測評、需求側管理、混合能源聯合優化等。Email：qubo@epri.sgcc.com.cn