基于等效储能模型的大规模温控负荷调度

由于新能源大量接入电网，其不确定性与间歇性给电网的稳定运行带来巨大挑战。需求响应采取经济措施和技术手段，让需求响应资源参与到电力系统调度中，在削峰填谷、抑制新能源波动上具有重要作用。温控负荷作为需求响应的重要资源之一，主要包括空调、冰箱、热水器等，其参与需求响应的潜力是巨大的。最近，温控负荷的储热/储冷特性引起了广泛关注，如何考虑该特性将直接影响调度结果。等效储能模型包括功率和电量信息，可以较好地描述该特性。本文通过热交换功率计算充放电功率，同时推导出热交换功率与储电量的关系式，建立温控负荷等效储能模型；将时变的功率上下限约束与储电量约束引入调度模型中，提高优化调度的准确性。

（来源：微信公众号“电力系统自动化” ID：AEPS-1977）

1如何建立温控负荷的等效储能模型？

由于温控负荷有储热/储冷特性，其功率可以等效为充放电功率，储存的热量/冷量可以等效为储电量，据此可建立等效储能模型来描述温控负荷的聚合特性。一般，温控负荷的充放电功率可以通过常数平均功率计算，但实际上，平均功率存在时变性质。温控负荷的温度随着时间变化，平均功率也会随着时间变化，因此，用常数平均功率计算充放电功率并不合适。为了提高模型的精确度，本文采用热交换功率代替平均功率，热交换功率反映了温控负荷的热量/冷量的损失速率，其值随着温控负荷的温度变化而变化。进一步地，温控负荷的充放电功率由电功率减去热交换功率得到。由于热交换功率和储电量都与温控负荷的温度相关，从而可消去温度变量得到热交换功率和储电量的等式关系。为了研究温控负荷的聚合特性，可通过对单个温控负荷进行分析，再得到聚合充放电功率及储电量，从而建立起大规模温控负荷的等效储能模型。

2如何在日前调度中考虑温控负荷？

将温控负荷的储能模型引入传统的日前调度模型中，优化目标采用最小化运行成本，运行成本包含发电机成本、切风成本以及对温控负荷的补偿成本。传统的调度模型中主要考虑以下约束条件：功率平衡约束、机组启停变量约束、机组开关状态约束、机组出力上下限约束、机组爬坡速率约束、机组备用约束以及负荷和风电的机会约束。由于引入温控负荷的储能模型，本文在约束条件中增加了有关储能模型的约束，即温控负荷的充放电功率上下限约束、储电量上下限约束以及热交换功率和储电量的等式关系约束。与其他文献不同的是，由于本文采用热交换功率代替平均功率计算充放电功率，同时热交换功率与储电量相关，其充放电功率的上下限并不是定值。另外，通过增加考虑温控负荷储能模型的约束，可以有效避免温控负荷的功率与储电量越限，从而提高优化调度的准确性。

3效果如何？

本文采用50000台温控负荷，设计3个对比算例：

模型Ⅰ：传统调度模型，只考虑充放电功率约束，由平均功率计算得出。

模型Ⅱ：调度模型考虑等效储能模型，但其充放电功率由平均功率计算得出。

模型Ⅲ：本文提出的调度模型，考虑等效储能模型，其充放电功率由热交换功率计算得出。

仿真结果表明：1）模型Ⅰ不考虑等效储能模型，即使功率约束在限值内，其储电量远远超出限值；2）模型Ⅱ与模型Ⅲ考虑了等效储能模型，即使参与调度的温控负荷有所下降，但是其功率和储电量都在安全范围内；3）如图1~2所示，由于模型Ⅱ与模型Ⅲ关于充放电功率的计算方式不同，模型Ⅲ的功率上下限是时变的，而模型Ⅱ是不变的。

图1 模型II的充放电功率

图2 模型III的充放电功率

日前调度可为日内控制提供依据，进一步地，采用负荷跟踪控制验证本文模型的有效性。仿真结果表明：1）模型Ⅰ负荷跟踪不能一直准确跟踪到日前调度结果，其荷电状态要么接近甚至超过1，要么无限接近于0；2）模型Ⅱ绝大部分时间可以实现准确的负荷跟踪控制，但是在19-21 h跟踪失败，这一方面说明了直接采用平均功率计算缺乏准确性，另一方面说明了考虑等效储能模型在调度模型中的重要性；3）模型Ⅲ能够实现负荷的准确跟踪控制。进一步通过误差分析，得到3个模型的误差：3.15×104、1.49×102、20.41，由此可见，本文提出方法的准确性最高，将温控负荷的储能模型引入调度模型中十分有必要。

该文为国家自然科学基金、中国博士后基金、江苏省研究生科研创新计划项目成果，2019年5月发表于MPCE第7卷第3期。

引文信息：

Peipei CHEN, Yu-Qing BAO, Xuemei ZHU, et al. Day-ahead scheduling of large numbers of thermostatically controlled loads based on equivalent energy storage model[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2019, 7(3): 579-588

Day-ahead scheduling of large numbers of thermostatically controlled loads based on equivalent energy storage model

基于等效储能模型的大规模温控负荷日前调度

DOI: 10.1007/s40565-018-0468-3

作者：陈培培，包宇庆，祝雪妹，张金龙，胡敏强

原标题:南京师范大学 陈培培，包宇庆等：基于等效储能模型的大规模温控负荷日前调度