虚拟调峰的负荷集群优化控制技术

余庆红 曹筱欧 张立玲 张文阳

摘 要：文章指出，虚拟调峰过程中，通过负荷控制技术调节高峰用电功率。但是传统的负荷控制技术效果不佳，导致用电功率过大。因此提出虚拟调峰的负荷集群优化控制技术。通过设置负荷聚合商，统一管理多个负荷集群;依据负荷集群后的特性建立负荷参数均一化模型，描述负荷动态变化过程;通过完善底层设计，简化热扰动影响，建立虚拟调峰控制模型，以此优化控制虚拟调峰的负荷集群。通过实验结果得知，与传统方法相比，所提出技术全天共节省用电功率6.46W，由此可见，负荷集群优化技术有更好的节能效果。

关键词：虚拟调峰;负荷集群;聚合商;参数均一化

1 虚拟调峰的负荷集群优化控制技术

1.1  设置负荷聚合商

在虚拟调控的过程中，负荷集群的位置相对分散，设置负荷聚合商可以统一分散的负荷，使其能够集群参与虚拟电网的调控。负荷聚合商同时管理多个负荷集群，实现对调峰时负荷集群运行状态的调控[1]。在用电高峰时段下达负向调控功率的指令，在用电低谷时段下达正向调控功率的指令，通过这种对负荷集群调控的及时响应来达到虚拟调峰时削峰填谷的效果，优化整个负荷集群控制过程。负荷聚合商用于虚拟调峰的调度流程如下：调度中心依据负荷预测以及负荷聚合商的容量，虚拟预测出下一天的负荷功率，进行正常的调度安排;负荷聚合商依靠负荷集群的传感器获取初始的运行状态数据，依据这一参数，将各个负荷集群组成n个复合聚合体，然后获取各个负荷聚合体的可调节能力，并通过各个控制器向各个集群发送相应的控制指令;集群以及各个聚合体在接收到控制指令后，调整各个聚合体的运行状态，从而改变聚合功率，实现调度中心的调度计划[2]。最后，通过传感器获取各个集群聚合体的实时运行状态，向负荷聚合商进行反馈，从而使调度中心对此次虚拟调峰的效果进行相应的评估。

1.2  建立负荷参数均一化模型

考虑虚拟调峰的额定功率、等效热阻与等效热容等参数因为规格的不同，提出一种负荷集群的方法，使得集群后同一聚合体中受控端的规格参数尽可能相似，依据集群后展现的特性建立负荷参数均一化模型[3]。设虚拟调峰中的等效热容为C，等效热阻为R，设V为经负荷额定功率分组后，各集群中等效热容C、等效热阻R两参数构成的数据矩阵，Vjmax为该组负荷中第j项参数的最大值，则有：

依据负荷额定功率、等效热容C、等效热阻R等主要参数，进行集群处理，首先依据V存在的同质性进行分组，形成多个聚合群，同组下负荷额定功率规格相似，但C、R存在异质性;然后依据以C、R构成的数据矩阵V对各个聚合体的隶属度，进行集群聚合，形成完整的聚合体系，最后，将分散的负荷集群聚合为一个有机整体，进行建模如下：

其中Pheat为负荷功率，Tin为室内温度，Tout为室外温度，Cair为空气比热容，ρair为空气密度，该具有连续状态的微分模型关系式描述了虚拟调峰过程中控制負荷集群的动态过程。在每一次调度之前，各个负荷小组均处于稳定状态，负荷聚合商需要获知室外温度及各个聚合小组的温度设定值，在调度之前估计出这些聚合小组在温度调整以后的负荷增减方案。当基于参数均一化聚合模型的功率值在一定区间内，可以设计出符合该模式的负荷集群的控制策略，并依据所得结果动态调整，使精确度不断优化。

1.3  控制虚拟调峰

上面介绍的负荷参数均一化模型很好地描述了负荷集群的动态变化过程，详细地展现了基于负荷聚合商的负荷集群优化控制技术的优越性。将其运用于大规模的虚拟调峰过程中，完善底层控制模型，将固体和气体的等效热容、等效热阻等参数简化为所在环境的统一参数，并且忽略阳光辐射、开门开窗等热扰动的影响，简化后的虚拟调峰控制模型如下：

（3）

式中Tin（t）为室内空气温度，Tout（t）为外界环境温度，COP为负荷的能效系数，P为负荷的运行功率。虚拟调峰过程中，由于温度的设定会导致用电负荷的变化，从而导致用电功率的上升。这时会出现3种现象：负荷的消失、转移和空缺。由该模型可知，在温度设定值调整之后，相应的用电机组会停机运行，这是因为温度已达到设定范围之外，这种现象即状态的消失;而机组调节的温度处在新温度上下限范围之内，则这些状态内的机组会转移到新的状态，这种现象是状态的转移;如果没有任何机组处在新的温度之内，则出现状态的空缺现象，这种状态会持续一段时间，慢慢进入新的状态循环。因此提出简化后的虚拟调峰控制模型，通过改变负荷集群的运行占空比，加快各状态之间的转化，降低其功率消耗，为负荷聚合商的调控增加了灵活性，从而达到灵活高效控制虚拟调峰的效果。

2 实验

2.1  实验准备

将此次研究技术方法作为实验组，传统方法作为对照组，运用负荷聚合商对虚拟调峰进行调控，依据负荷参数均一化模型优化负荷集群参数，并根据虚拟调峰模型计算用电功率，计算两组的全天各小时的用电功率。

2.2  实时负荷变化测试

虚拟调峰过程中，对一天之中每两小时的用电功率进行统计，运用控制虚拟调峰控制模型，对实验组和对照组的一天每小时的用电功率进行统计，结果如表1所示。

据表1中的测试结果可知，在用电高峰时期10时至12时，实验组共节省了用电功率1.66 MW;18时至20时，实验组共节省了用电功率1.84 MW。全天24小时，实验组共节省了用电功率6.46 MW。综合实验结果可得，在用电高峰时段，运用负荷商对负荷集群进行优化，再由均一化模型对参数进行统一，设置虚拟调峰控制模型，对于虚拟调控有更好的负荷集群优化控制效果。

3 结语

此次研究将虚拟调峰与负荷集群优化技术相结合，经实验验证，取得了不错的仿真测试结果，验证了所提出控制方法的优越性。但此次研究还存在一些不足之处，今后的研究工作中，可以将重点转移到虚拟调峰的控制模型上来，通过优化现有的虚拟调峰控制算法，加强模型的灵活性和实用性，为电力能源的开发和利用提供更可靠的技术手段。

[参考文献]

[1]李晓萌，贾宏杰，穆云飞，等.时滞环境下基于电动汽车与电热泵的协调频率控制[J].电力自动化设备，2020（4）：88-95，110.

[2]胡建强，梅海锋，方堃，等.电力需求侧温控负荷集群的聚合辅助服务[J].南通大学学报（自然科学版），2020（1）：9-16，61.

[3]胡迪，丁明，毕锐，等.光伏和风电互补性对高渗透率可再生能源集群接入规划影响分析[J].中国电机工程学报，2020（3）：821-836.

（编辑 傅金睿）