基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略

郭炳庆，杨婧捷，屈 博，戚 艳，刘幸蔚，王迎秋

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384）

基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略

郭炳庆1，杨婧捷1，屈 博1，戚 艳2，刘幸蔚1，王迎秋2

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384）

以HVAC（暖通空调）类负荷为控制对象，提出了一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略。首先给出了HVAC负荷的等值热力学参数模型，分析了此类负荷的负荷特性；进而通过用户参与度建立HVAC负荷的温度设定值与系统频率波动之间的数学关系，给出了一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略，通过动态调整开关状态改变负荷功率，达到系统频率控制的目的。最后利用典型的单机电力系统模型验证了控制策略的有效性。

暖通空调类负荷；动态调频；参与度；频率控制策略

电力系统频率是电能质量的三大指标之一，是电力系统安全稳定运行和电能质量的重要指标，反映了发电侧和负荷侧之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数。当系统有功功率有盈余时，频率就会上升超过额定值；当发送的有功功率有缺额时，频率就会下降至低于额定值。近年来，规模不断增加的可再生能源其间歇性和不稳定性增大了系统有功功率的波动，从而加剧了系统频率偏差[1-3]。

以风力发电为例，风电大规模并网必然替代部分常规机组[4]。对于变速风电机组，其控制系统的控制作用使变速风电机组的转速与电网频率完全解耦，使得电网频率变化时机组无法提供频率响应，导致电网功率缺额发生时，电网频率变化率较高，频率跌落幅度较大，不利于电网的频率稳定。同时，当电网中风电装机容量达到一定比例时，风电机组的功率波动，或是风电场的因故退出运行，会导致系统的有功出力与负荷之间产生动态不平衡，若此时其他发电机组未能快速响应风电的功率波动，则可能造成系统的频率偏差，甚至可能导致频率越限，危及电网的安全运行[5-7]。

需求响应DR（demand response）是指用户针对电力价格信号或者激励机制做出响应，能够改变正常电力消费模式的市场参与行为，是目前智能电网研究的重点[7-8]。需求侧在电力系统中的地位和作用被重新认识和定义，需求侧的资源也得到了更加充分的利用。通过需求响应控制，电力用户可以改变电力消费模式，参与电力系统的调节和运行，向电网提供高效的辅助服务[9-10]。随着智能电网的发展，高级通信、测量和控制手段为需求响应的发展提供了有力的保障。暖通空调HVAC（heating，ventilation and air conditioning）类负荷是可控负荷的典型代表，由于其热动态过程与电系统相比，存在一定的延迟性，因此可在温度舒适度约束要求的范围内，通过改变开关状态响应系统功率需求[11-12]。

HVAC类负荷是一种非常适合参与系统频率调节的负荷形式。文献[13]指出了其优缺点，即HVAC类负荷所占的负荷比重较大，其速断特性使其具有较强的可控性，同时作为一种耗能元件，可在用户舒适度范围内短时间切断而不影响使用，具有良好的储能特性；同时又具有一定的不确定性和通信局限性，其响应也会有一定的延迟，可能会造成系统二次扰动；同时以电冰箱为例，提出一种适用于家居型HVAC负荷的变参与度需求侧分散控制策略，配合储能系统进行孤立微电网的频率控制。除频率控制外，相关文献也研究了HVAC类负荷在抑制其他波动方面的应用；文献[14]采用居民家居HVAC负荷设备（以电热泵为例）作为负荷响应资源，以SQ算法为基础，提出了一种有效抑制由可再生能源波动引起的微网联络线功率波动算法；文献[15]以冰箱、空调、空气能热水器这3种负荷特性为基础，提出了居民可控负荷主动、安全响应微电网电压的基本思路，以协助微电网安全稳定运行，提高电压稳定性；文献[16]将智能需求响应技术与低频减载措施相结合，利用负荷侧的快速响应资源与低频减载装置进行协调控制，提出了一种考虑冰箱、冰柜、空调、热水器等家电频率响应的新型低频减载方案。

本文基于HVAC的负荷特性，提出一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略，在大规模风电并网的环境下，利用HVAC类负荷为电力系统提供辅助调频服务。

1 HVAC类负荷建模

HVAC类负荷指暖通空调类的温控负荷。以制热型温控负荷为例，为了研究HVAC类负荷控制过程中的温度动态特性，在研究中常用等值热力学ETP（equivalent thermal parameter）模型来描述HVAC类负荷，如图1所示[11]。

图1 HVAC负荷ETP模型Fig.1 ETP model of HVAC load

ETP模型用二阶微分方程组来描述HVAC类负荷的变化过程，在涉及大量温控负荷的大规模仿真计算时所用计算时间较长。将上述的ETP模型简化为1阶微分方程，以制热型HVAC类负荷为例，在开启状态下，受控温度变化情况为

式中：T为受控环境温度，℃；To为外环境温度，℃；R为等值热阻，℃/W；上标t为仿真时间；C为等值热容，J/℃。

在关断状态下，受控温度变化情况为

式中：Q为等值热效率，W。参数R、C、Q为等值拟合参数，是由简化模型曲线拟合精确的ETP模型曲线得出。等值拟合参数虽然没有实际的物理意义，但它与HVAC类负荷功率及使用环境是有关联的。功率越大，环境隔热性能越好，等值热阻R和等值热比率Q的乘积RQ就越大，负荷开启时温度上升越快。制热型HVAC类负荷温度动态过程如图2所示。仿真步长本文取为1 min，表示为

式中：T+为温度上边界；T-为温度下边界；Tset为温度设定值；ΔT为温度死区值。根据Tset，可计算T+与T-。

图2 制热型HVAC类负荷动态过程Fig.2 Thermal behavior of a heating HVAC load

负荷开启状态下，室内温度以指数形式上升；当达到温度上边界后负荷关断，温度以指数形式下降；当达到温度下边界后负荷重新开启，重复以上循环。该模型用指数变化近似模拟受控温度的变化，在简化模型运算复杂度的同时较好地保留了模型的精确度，在大规模仿真时有较大的应用价值。

2 HVAC类负荷频率响应控制策略

需求侧响应控制策略分为集中式控制策略和分散式控制策略。集中式控制对控制区域内的HVAC负荷集群进行集中管理和统一调度。这一控制方式可以对负荷进行系统性控制和管理，实现能量的集中管理，从而可以实现整体上的最优。但这一控制结构需要专门的通信系统，增加了通信系统的复杂性，信号传递的延迟也会降低HVAC负荷集群的响应速度。而动态调频需要负荷的快速响应，因此，集中式控制并不能很好地满足控制需求。在分散式控制方式中，设备无需进行统一管理和调度，也不需要专门的通信系统，而是可以根据本地频率信号进行自主快速响应。这样既降低了系统运行成本，同时也可以避免信号传递的延迟。因而，分散式控制适用于动态调频对负荷响应速度要求高的控制过程。

本文提出一种基于HVAC负荷的分散动态调频控制策略，其基本控制思路如下：HVAC设备的温度设定值（setpoint）在考虑用户舒适度要求的范围内，根据电力系统频率动态变化，在控制死区（deadband）的宽度不变时，设备的温度上下界，即设备开关状态变化的触发温度，也会随系统频率动态变化，这样就可以调节状态处于开启和关断的设备在负荷集群中所占的比例，从而改变HVAC群体总负荷量，进而动态改变系统负荷，维持系统发出的有功功率和负荷之间的平衡关系，实现频率调节的目的。这一过程表示为

式中：f为电力系统频率的本地测量值；f0为系统额定频率；T+′和T-′为经过控制后的开关状态触发温度；k为用户参与度，℃/Hz，在数学上指的是HVAC设备触发温度变化量与电网频率变化量之间的系数。容易看出，k值越大，HVAC负荷集群的频率调节能力越强，调频效果越好，但用户舒适度越低；反之亦然。

本文将设置合适的参与度值，进行频率控制，控制过程如图3所示。

图3 HVAC频率响应控制策略示意Fig.3 Diagram of HVAC frequency control strategy

图中，T+max为控制过程中设备温度上界T+的最大值；T-min为温度下界T-的最小值。从图中可以看出，通过所提出的控制策略，可以实现当频率波动时，改变处于打开或关断状态的设备在负荷集群中所占的比例，从而改变整个集群的负荷需求量大小，使得供需功率趋于平衡，有效抑制可再生能源并网造成的频率波动。

本文所提控制策略通过建立HVAC设备的温度设定值与电网频率变化量之间的关系，使HVAC负荷集群参与到电网的频率控制中，设备在温度达到触发温度时立即动作，可以满足动态调频对响应速度的要求。本控制策略对HVAC用户的影响主要体现在受控温度的变化，在控制过程中通过设置温度上、下限（T+max、T-min）能够有效保证用户舒适度。同时，这一控制策略的控制方式比较灵活，易于实现，且成本较低。

3 算例分析

采用图4所示的电力系统频率控制模型进行仿真。该模型为某地区电力系统简化模型，用于频率控制的研究。发电系统等值模型包含调速器和原动机等值模型以及代表一次调频、二次调频的反馈环节，其中，TG、TT分别为调速器和原动机的时间常数，用来描述二者的时间特性。为了实现稳定的转速调节，在调速器、原动机之间引入暂态下垂补偿环节，用超前-滞后传递函数来表示，其中T1、T2为超前、滞后时间常数；ΔPm为机械功率变化量。两个反馈信号分别代表机组自身的一次调频、二次调频作用。一次调频中，Req为等值机组调差系数，实现频率的有差控制。二次调频中，引入积分环节实现误差控制，kE为机组二次调频响应系数。负荷模块用来描述系统负荷的频率响应性，其中D为荷机械阻尼功率。仿真参数的选取如表1所示。综合考虑HVAC负荷利用率与用户舒适度，统一设置用户参与度k=10℃/Hz。

图4 电力系统频率控制模型Fig.4 Frequency control model of power system

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图4中，新能源发电模块模拟风电并网给系统带来的功率扰动用ΔP表示。仿真控制对象为5×104台功率和初始温度设定值相同的HVAC设备，初始温度和单位时间内的温度变化满足均匀分布。在功率扰动下，系统产生频率偏差，用Δf表示。HVAC设备通过采集系统频率信号动态调整开关状态，负荷集群为电力系统提供调频功率ΔPHVAC。本算例通过对比含负荷动态调频控制策略与不含动态调频控制策略的系统频率偏差波动曲线来显示频率控制策略的调频效果。

风电出力波动如图5所示，在间歇性风电影响下，系统频率出现波动如图6所示。在没有HVAC类负荷频率控制的情况下，系统频率波动较大，在有HVAC类负荷频率控制的情况下，系统频率波动减小。受HVAC类负荷响应速度与用户舒适度的限制，在个别情况下会出现施加HVAC类负荷控制后系统频率偏差增大的情况，即二次扰动（例如图6中23：00）。然而在有HVAC类负荷控制后系统频率波动从整体上得到明显改善，两种情境下系统频率概率密度分布如图7所示。

为了维持系统有功平衡，系统中发电机出力波动如图8所示。在没有HVAC类负荷频率控制的情况下，发电机出力波动较大，在有HVAC类负荷频率控制的情况下，发电机出力波动减小。综上所述，本文所提HVAC类负荷控制策略能够有效利用需求侧HVAC类负荷为电力系统提供频率响应服务，在大规模新能源并网环境下，能够有效抑制系统频率波动和减小发电厂出力波动。

图5 风机出力波动Fig.5 Fluctuation of wind power output

图6 系统频率波动Fig.6 Fluctuation of system frequency

图7 系统频率概率分布Fig.7 Probability distribution of system frequency

图8 发电机出力波动Fig.8 Fluctuation of power plant output

4 结语

本文提出一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略，通过调整触发温度控制负荷的开关状态，改变负荷功率。利用典型算例验证了控制策略的有效性，发现本控制策略能够有效利用HVAC类负荷为电力系统提供频率响应服务，在大规模新能源并网环境下能够减小系统频率波动，配合传统发电厂完成系统调频。

然而，受系统中HVAC类负荷数量与负荷特性的限制，其频率响应能力是有限的，单一利用HVAC类负荷提供频率响应服务可能会出现二次扰动现象。需求侧资源同时涵盖电动汽车等多种类型的柔性负荷，在需求响应控制中如何综合利用、协调各种类型的柔性负荷是未来研究当中的重点。

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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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015AA050403）；国家电网公司总部科技项目“冷热电混合能源联合优化调节关键技术研究及应用”（SGTJDK00DWJS1500100）

郭炳庆（1962—），男，博士，教授级高工，研究方向为能效管理、电网能效分析、电能替代等。Email：bq_guo@epri.sgcc.com.cn

杨婧捷（1992—），女，硕士研究生，研究方向为能量管理系统、混合能源系统能源联合优化等。Email：yangjj10@fox⁃mail.com

屈 博（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为能效测评、需求侧管理、混合能源联合优化等。Email：qubo@epri.sgcc.com.cn