基于需求响应的反弹负荷风险评估毕业论文

2020-02-18 10:51:07

摘要

电力负荷的持续增长增加了电网安全运行调度的难度。为了使电力市场达到良性运行，许多国家对需求响应进行了广泛的研究。本文先是对需求响应措施以及造成负荷反弹的原因进行研究调查。然后基于二者的研究调查，针对空调负荷资源可能在短时间削峰之后造成较大的负荷反弹，提出空调集群室内温度均值、方差以及空调开启台数三个负荷反弹指标，用于制定既能实现降负荷又能抑制反弹负荷的聚合商空调集群调控措施。该措施包括需求响应措施和温度调回措施两个步骤。其中，需求响应措施可在发挥空调负荷削峰潜力的同时抑制空调集群负荷反弹；而温度调回措施一方面可抑制空调集群室内温度调回后的负荷反弹，另一方面可以最小化空调集群进行设定温度调回的功率。弥补了当前调控策略仅侧重降负荷潜力或负荷反弹抑制某一方面以及设定温度调回策略研究缺失的问题。

关键词：需求响应、负荷聚合商、空调负荷、反弹负荷、二次高峰

Abstract

The continuous increase of power load increases the difficulty of safe operation scheduling of the power grid. In order to achieve a benign operation of the electricity market, many countries have conducted extensive research on demand response. Based on the research on the demand response and the cause of the load rebound, the air conditioning load resources with great potential for peak clipping in the load may cause a large load rebound after a short time peak clipping. The indoor temperature average, variance and air conditioning of the air conditioning cluster are proposed. The number of three load rebound indicators is set to be used to formulate measures for the aggregator air-conditioning cluster that can achieve both load reduction and rebound load. This measure includes two steps: demand response and temperature reversal. Among them, the demand response can suppress the air conditioning cluster load rebound while exerting the peaking potential of the air conditioning load; and the temperature reversal step can minimize the air conditioning cluster to perform the set temperature reversal while suppressing the load rebound after the indoor temperature adjustment of the air conditioning cluster is reversed. Compensating for the current regulation strategy only focuses on the aspect of load reduction potential or load rebound suppression and the lack of research on setting the temperature recovery strategy.

Key Words：demand response；load aggregator；air conditioning load；rebound load；secondary peak

第1章绪论 1

1.1课题背景及研究目的与意义 1

1.2需求响应研究现状 1

1.2.1基于激励的需求响应 2

1.2.2基于价格的需求响应 2

1.3空调负荷在需求响应中的研究现状 3

1.4本文研究内容及行文思路 4

第2章负荷反弹原因及反弹抑制策略概述 5

2.1负荷反弹原因 5

2.2 基于需求响应的空调负荷反弹抑制策略概述 5

2.3本章小结 7

第3章负荷反弹抑制策略指标分析 8

3.1负荷反弹指标 8

3.2负荷反弹及指标有效性分析 9

3.3本章小结 11

第4章基于需求响应的空调负荷反弹抑制策略 12

4.1抑制反弹负荷的需求响应策略 12

4.2设定温度调回策略 14

4.3策略验证 15

4.3.1抑制反弹负荷的需求响应策略验证 15

4.3.2设定温度调回策略验证 18

4.4本章小结 20

第5章总结与展望 21

5.1总结 21

5.2展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章绪论

1.1课题背景及研究目的与意义

近代以来，各行各业都取得了巨大的发展，随着经济的不断发展，社会进入一个新的阶段。当今社会电力对于其他行业的发展几乎是不可或缺。随着社会的发展，国民经济发展对电力需求的依赖程度呈现出不断地增加的态势。然而，全国的电力供需总体来说较为紧张，部分地区和部分时间段电力短缺情况较为严重^[1]。各行各业对电力需求的持续增长为电网的安全运行调度增加了一定的难度。

一方面，社会用电需求的不断增加给电力行业的需求管理带来了更加艰巨的挑战，需求方资源在国内外市场中的作用越来越突出，人们对其越来越重视。电能不能大量储存，电能的生产和使用只能同时完成^[2]。电力系统的运行特性需要预先规划电网以确保系统的可靠性。在传统的电力系统中，只有通过建设更多的发电厂和输电设施来满足电力系统的发展，这种供电方无限扩展的方法并不是一个理想的解决方案。通过引入需求响应，使用价格信号和激励措施，我们可以以相对较低的成本更好地应对负荷持续增长的问题。只有通过平等地处理需求方和供应方，才能实现良性运行电力市场的要求。在此背景下，许多国家和地区对需求响应进行了广泛的研究^[3-4]。

另一方面，在持续增加的负荷中，由于空调的普及和气候的变化，空调负荷所占的比例正在增加^[5]。特别是在夏季，中国部分大中城市的空调负荷比例甚至达到30％-40％，且仍有上升趋势^[5]。空调负荷会导致峰谷差异进一步增大^[6]，峰值负荷会出现明显的负荷尖峰;而低谷期的电力过剩将导致一些发电容量闲置，导致电力设备利用率降低，电网运行安全风险增加^[7]。因此，空调负荷对电网的安全和经济运行具有重要影响。

空调负荷是一种分布广泛并且削峰潜力巨大的需求响应资源。随着负荷聚合商的出现，其参与需求响应的竞争力得到了进一步得提高。但是，如果负荷聚合商用户在需求响应之后执行无序设定温度调回，则在需求响应结束后可能导致大负载反弹^[5]。如果负荷回弹速度太快，可能会导致系统第二次达到峰值并且形成新的负荷高峰影响系统运行安全。因此，有必要研究二次负荷高峰，并提出有效的改进措施，以避免引起二次负荷高峰。

1.2需求响应研究现状

需求响应可以定义为：电力市场中的用户响应市场价格信号或激励，并改变正常功耗模式的市场参与行为^[8]。根据美国能源部的研究报告，需求响应可分为两类：基于激励的需求响应和基于价格的需求响应^[9]。这两种需求有一定的内在联系，可以达到一定的互补性。目前许多学者都对需求响应进行了研究，但是大部分的研究集中在需求响应的实施给系统的运行带来的效益，很少有兼顾需求响应和反弹负荷的研究。

1.2.1基于激励的需求响应

需求响应执行机构通过建立确定性或时变策略来激励用户在系统可靠性受到影响或电价高时及时响应并降低负载的策略即为基于激励的需求响应，它包括多种形式，如直接负荷控制、需求侧竞价以及可中断负荷等^[8]。

执行机构使用远程控制设备在系统的高峰时段关闭或循环控制用户的电气设备的行为即为直接负载控制^[8]。直接负载控制适合运用于居民或小用户等，参与受控的负载通常是对短期停电影响不大的负载。直接负载控制是一种简单实用的负载管理方法,文献[10-12]对其进行了详细的研究。其优化的调度模型经历了基于成本分析到基于利润分析的发展。直接负荷控制的最优调度问题是一个复杂的多目标组合优化问题。传统的优化方法包括线性规划、多目标线性划、逐步近似梯度法、动态规划、多步动态规划和模糊动态规划等；启发式优化方法包括遗传算法，多目标进化算法和蚁群算法^[10-12]。直接负荷控制在电力系统用电高峰时期，在不影响用户满意度的前提下，利用电力信号切断被控负荷和系统的联系来降低系统的负荷峰值。

需求方竞价是指用户通过改变自己的用电量来积极参与市场竞争并获得相应利益的能力。供电公司，电力零售商和大型用户可以直接参与需求方响应，而小型，分散式用户可以通过第三方集成负载代理间接参与需求方竞价^[13]。需求方竟价有多种实施机制。目前，对于需求方竞价的研究主要集中在全部电力需要参与市场竞争和参与需求改变量的竞争^[14]。其中，全部电力需求参与市场竞争包括用户直接与发电公司签订双边交易合同和需求侧参与市场需求竞价等形式。

在电网的高峰期期间由执行机构向用户发出中断请求信号并且通过保护部分中断供电的方法即为可中断负荷^[8]。对于电源可靠性要求不高的用户，在功耗高峰期可以减少供电，然后给予他们一些相应的中断补偿。国内外对可中断负荷的研究主要集中在设计合理的实施机制和评估实施可中断负荷对系统运行的影响^[15-17]。

1.2.2基于价格的需求响应

基于价格的需求响应是指用户对零售价格变化的响应，并相应地调整电力需求。为了减少电费，用户会将电力消耗时段调整到低电价时段并且降低高电价时段期间的电力消耗。用户可以与执行机构签订一些有关的合同，在需求响应时期根据自身情况自愿的进行负荷调整。基于价格的需求响应包括分时电价，实时电价和尖峰电价^[8]。文献[18-19]对其进行了详尽的研究。其中，分时电价是现行电价机制中最容易实现的。

分时电价以价格来引导用户的用电行为，通过将用电高峰时段电价调高以及低谷时期的电价降低来实现削峰填谷的目的。季节电价，谷峰电价和丰枯电价等是其常见的形式^[8]。关于使用分时电价，国内和国外对其研究主要侧重于其用户响应，实施机制以及对系统的影响。目前，大多数国家的工业和商业用户中通常使用分时电价作为默认电价。在设定分时电价时，主要基于供电成本分析方法和负载响应分析方法；分时电价可以比单一电价制有更好的市场效益，包括削峰填谷等。

实时电价可以准确反映每个时段的供电成本变化，有效传输电价信号，它的更新周期越短，约束效果越明显，但同时所需技术要求也越高^[8]。现如今由于技术条件的限制以及零售侧容量分散性等许多原因，很多国家还只能在很有限的范围内实行这项技术。目前关于实时电价的研究主要是关于电力价格实施机制，用户响应，对系统的影响以及对实施的技术支持。实时电价可以及时反映边际电力供应成本。它是经济学中最好的零售方定价方法。实时电价可以带来诸多好处，如不仅可以为用户和电力公司节省电费，而且还能削减系统峰值负荷等^[8]。

尖峰电价是基于前两者建立的一种动态价格机制。其定制原则通常是在非高峰时间实施分时电价并在高峰时间叠加峰值费率。由于其费率是预先确定的，所以在经济效益方面不如实时电价好，但是尖峰电价可以降低实时电价的潜在价格风险，反映出系统在此期间的成本，因此比分时电价更好。目前，关于尖峰电价的研究主要集中在其实施机制，用户响应及其对系统的影响上。尖峰电价主要包括固定时段尖峰电价、变动时段尖峰电价、变动峰荷定价以及尖峰补贴电价几种模式^[8]。

1.3空调负荷在需求响应中的研究现状

空调负荷由于其良好的热储性和可控性，并且在电网负荷中占据较大的比例，是需求响应的良好载体。通过直接负荷控制等需求响应手段，可以有效的解决用电高峰问题。许多文献中都通过等效热参数模型来获取用户的室内温度^[5]，文献[20][21]也是用该模型对空调负荷群的削峰潜力进行评估。但是该方法为了发挥空调负荷群的潜力，没有考虑空调负荷群受控后的反弹负荷，这可能对电力系统的安全运行产生影响。文献[22]为了解决这个问题，直接关闭一定数量的机组实现功率削减，需求响应结束后再打开被关闭机组同时提高其温度设定值来抑制负荷反弹。但是这种方法没办法跟踪较大幅度的负荷降落或升高的信号。在文献[22]的基础上，文献[23]进行了改善，但二者同样都需要根据负荷目标削减量抽取一定的空调机组个数进行关闭。抽取关闭的空调机组个数和负荷水平有很大的联系，并且不能够实现负荷和恒定削减。上述文献虽然对反弹负荷进行了一定的抑制，但是却是以牺牲负荷调控潜力为代价。此外，由于负荷聚合商用户有一定的舒适度要求，所以在需求响应结束后会将温度回调。目前的文献中对于设定温度的有序调回策略研究较少^[24]，用户在需求响应之后集体进行无序温度下调，将可能导致较大的负荷反弹，从而危害电网的安全运行。

1.4本文研究内容及行文思路

由上文对需求响应研究现状以及空调负荷的调查与研究可知，空调负荷在负荷中占比较大且具有较大的削峰潜力，而空调负荷的需求响应措施要么仅侧重于负荷削峰潜力要么仅侧重负荷反弹抑制。此外，空调负荷的需求响应措施中对于温度调回策略的研究较少也比较少。针对以上两个问题，本文将提出三个描述空调集群负荷反弹的指标，即空调集群室内温度均值、空调集群室内温度方差以及空调集群中空调总的开启台数。通过这三个指标确保需求响应结束前和需求响应结束后空调集群的状态分布相近，从而避免出现负荷反弹。此外，在需求响应之后考虑设定温度调回措施，避免由于用户的无序调回而产生第二次负荷高峰。以状态队列模型为基础，结合三个指标设计一种基于需求响应的负荷反弹抑制的策略。使得空调负荷集群在充分发挥其调控潜力的同时抑制其负荷反弹，在充分应用需求响应的同时不造成较大的负荷反弹，从而避免出现二次负荷高峰。

本文行文思路如图1.1所示。将在第2章中阐述造成负荷反弹的原因，并且对即将提出的基于需求响应的负荷反弹抑制策略进行概述。在第2章的概述后，本文将细化即将提出的措施。在第3章中将提出本文用于抑制负荷反弹的三个指标并分析这三个指标的有效性。紧接着在第4章中，将会提出两个步骤的具体措施并且对本文所提措施进行验算。验证本文提出的措施后，将会对本文的研究进行总结，分析所取得的成就与不足。

图 1.1 本文行文思路

第2章负荷反弹原因及反弹抑制策略概述

2.1负荷反弹原因

在电力系统负荷高峰期间实行需求响应策略可以有效的削减负荷，避免出现用电高峰。但是在削减负荷之后如果不对参与需求响应的负荷进行相应的管理，任由用户们自行进行调整，则有可能引发新的负荷高峰。即为了在负荷高峰期间削减负荷而使用户参加需求响应，从而减少高峰期间的负荷。在这个过程中，参与需求响应的空调机组的温度相比于需求响应之前会有所上升。在需求响应结束后，用户为了确保其舒适度，则会对温度进行调整，将温度由需求响应结束后较高的状态开始将下调。此时如果没有合理的温度调回措施，任由用户自行调整，则用户有可能在需求响应结束时刻便立即将温度调回需求响应前的状态。短时间内用户集体将温度调回到原本的状态将有可能造成负荷反弹。这是造成需求响应负荷反弹的主要原因。此外，对于两个空调集群，某一时刻如果这两个空调集群的状态分布差异比较大，则他们在后续的时间里负荷的差异会比较大。相反，如果某一时刻，两个空调机组的状态分布比较接近，则在后续的时间里负荷的差异也会比较少。通过需求响应之后，空调集群的状态分布往往会与需求响应之前差异较大，所以会导致需求响应结束后的负荷变化与需求响应之前负荷变化趋势差异较大，也将有可能导致需求响应后产生反弹负荷，具体分析见第3章。

2.2 基于需求响应的空调负荷反弹抑制策略概述

直接负荷控制的控制模式主要为集中控制，它是空调负荷控制最常用的方法。为了保证对空调负荷需求响应的可靠性，本文将采用直接负荷控制，利用开关控制和温度控制相结合来实现控制。具体的策略示意图如图2.1所示。

在实行基于需求响应的空调负荷反弹抑制策略前需要根据用户舒适度，需求响应时长等参数来制定合适的启停计划。如图2.1所示，本策略主要包含两个阶段。第一个阶段为需求响应阶段，其主要作用在于在需求响应时期削减负荷。第二个阶段则为温度调回阶段。如果在需求响应结束后不进行温度调回，一方面会影响到用户的舒适度，另一方面会对下一次的需求响应造成影响。如果没有良好的温度调回策略，任凭用户集体进行无序温度调回，则可能会造成严重的负荷反弹，引起二次负荷高峰。因此，第二阶段的作用主要在于有序的进行温度调回，减少用户集体无序温度调回带来的负荷值，避免引起二次负荷高峰。此外，该阶段还能弥补当前温度调回策略研究的不足。两个阶段都在结束时通过本文提出的三个指标对空调集群状态分布进行约束，使其与需求响应前保持相近，从而对负荷反弹进行了抑制。

图 2.1 调控策略示意图

图2.1中为空调初始室温下限，为空调初始室温上限，为需求响应之后空调室温下限，为需求响应之后空调室温上限，为功率曲线的范围。从图2.1中可以看出，在需求响应时期通过开关控制，在用户舒适度范围内，空调的温度会上升，即由上升到。温度上升过程中负荷的功率会有所下降，实现削减负荷，当温度稳定在时，负荷保持在功率曲线范围之内，与基线保持在相近的水平。在温度调回阶段依旧采用开关控制，当开始进行温度调回将温度调回到需求响应前状态时，空调室温会有所下降，即由回到，当温度下调时，负荷会有所上升，在此阶段必须要限制负荷反弹量，避免造成二次负荷高峰。当温度调回结束后，整个调控过程结束，此时应能保持负荷在功率曲线范围之内。