基于硬件在环技术的空调参与孤岛电网频率调节控制方法

技术领域

本发明涉及了一种电网频率调节控制方法，具体涉及一种基于硬件在环技术的空调参与孤岛电网频率调节控制方法。

背景技术

目前新能源设施广泛应用，在电力系统中所占比例迅速上升。然而新能源发电的间歇性和波动性容易造成发电侧和需求侧的不平衡，进而产生电网频率的波动，给电力系统带来了新的安全隐患。因为传统发电机比例的逐渐降低，电网很难再通过调节发电机组输出进行调频服务。为了弥补发电侧可调容量的减少，需求侧的可调负荷被视为一种新型的可调资源，通过调度需求侧资源的调节行为被称为需求响应。

维持电网频率安全的关键在于维持电力系统发电侧和用电侧的动态平衡。在电力系统中波动性新能源占有率高速增长的当下，发电机自身的调节能力难以满足维持电网平衡的需求。变频空调系统因其耗能高、范围广、灵活可调等特点，将作为一种新型可调资源参与电网资源调节。

空调系统是一种被广泛认可的需求响应资源，由于其应用范围广，电力消耗大，灵活可调等特点，拥有巨大的调节潜力。随着物联网技术和通信技术的发展，空调系统可以在传统发电机组调节容量不足时接受统一调度，从而参与电力需求响应，通过启停、温度调节、压缩机转速调节等控制手段改变用电负荷，从而稳定电力系统发电侧和需求侧的平衡，提供频率调节服务。

对于大量需求侧资源的调节需要设计合理的调度算法，然而算法的测试验证是一项困难的工作。考虑到安全问题和经济问题，电网系统和其中的大量负荷往往无法由研究人员自由测试调度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于硬件在环技术的空调参与孤岛电网频率调节控制方法。模型计算或软件模拟成为一种广泛应用的测试方法。随着技术的进步，硬件在环方法得以实现，这种方法允许研究人员将现实中的硬件设备与虚拟的电网模拟进行实时结合，从而可以更加真实客观地检验算法、硬件设备与电网系统之间的相互作用，从而可以更有效地对算法进行改进。

本发明采用的技术方案是：

本发明的基于硬件在环技术的空调参与孤岛电网频率调节控制方法，包括：

步骤一：将空调系统安装在建筑物室内并接入孤岛微电网；建立空调系统的能耗调节目标模型，将当前时刻建筑物室内的温度、空调系统的预设温度和能耗以及孤岛微电网的频率偏差输入能耗调节目标模型中，能耗调节目标模型对空调系统的能耗进行调节并输出下一时刻空调系统经调节后的能耗。

步骤二：将空调系统连接实时数字仿真器RTDS平台，在空调系统能耗调节的过程中，实时数字仿真器RTDS平台根据空调系统的预设温度调节空调系统的温度。

步骤三：建立建筑物-空调的热力模型，将当前时刻建筑物室内的温度和空调系统的能耗输入建筑物-空调的热力模型中，建筑物-空调的热力模型输出下一时刻建筑物室内经调节后的温度。

步骤四：根据下一时刻空调系统经调节后的能耗和建筑物室内经调节后的温度重复步骤一至四，实现硬件在环的电网频率调节实时控制。

实时数字仿真器RTDS平台直接连接空调系统的电表，或者直接接红外发射器，通过红外发射器连空调系统实现对空调系统的调节。

所述的步骤一中，空调系统的能耗调节目标模型具体如下：

其中，P

根据孤岛微电网的即时频率偏差，通过对空调系统进行控制，调节空调系统能耗，为电网提供调频服务。具体策略为当检测到电网频率低于某一阈值时，对空调系统实施关闭、提高设定温度等控制措施，使其功率降低；当电网频率高于某一阈值时，对关闭的空调进行启动，或降低空调的设定温度，从而提高空调系统的能耗，从而为电网提供频率调节服务。

所述的孤岛微电网的频率偏差f

f

T

其中，f

所述的空调系统的能耗在调节的过程中，当孤岛微电网的频率偏差f

所述的步骤三中，建筑物-空调的热力模型具体如下：

U＝γ·A

S

C

其中，T

在通过传感器检测空调功耗、室内温度、电网频率的基础上，通过上述模型进行硬件在环的实现。

本发明的硬件在环方案基于实时数字仿真器(Realtime-Digital-Simulator，RTDS)平台实施。使用RTDS适配的GTIO数据卡，实现与外界的模拟信号和数字信号交互，或使用GTNET数据卡进行基于TCP/IP的数据交互。在对电网进行高精度模拟的同时可以接入电表和空调控制器等真实硬件设备，并与真实设备进行物理交互。通过连接红外发射器等控制设备，可以针对真实空调的控制场景直接控制空调的负荷量，也可以通过对空调进行开闭控制和设定温度调节从而间接调节空调的能耗。

本发明的有益效果是：

本发明方法在考虑维持室内舒适温度的基础上对空调进行基于秒级时间尺度的调节控制，能够对电网频率涨落进行快速响应的同时保证对室内用电方有较低影响。本发明通过整合的硬件在环技术保证了控制的精确性和合理性，为电网频率控制提供了高效灵活的解决方案，充分利用RTDS平台和真实设备的结合，确保电网稳定运行的同时保持室内舒适温度，对民用变频空调参与频率调节需求响应的实用性有很大意义。

附图说明

图1是本发明的方法实施场景示意图；

图2是本发明的电网调频的空调系统开/关控制方法图；

图3是本发明的电网调频的空调系统设定温度控制方法图；

图4是案例一、二频率调节效果展示图；

图5是案例一、三、四频率调节效果展示图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的基于硬件在环技术的空调参与孤岛电网频率调节控制方法，包括：

步骤一：将空调系统安装在建筑物室内并接入孤岛微电网；建立空调系统的能耗调节目标模型，将当前时刻建筑物室内的温度、空调系统的预设温度和能耗以及孤岛微电网的频率偏差输入能耗调节目标模型中，能耗调节目标模型对空调系统的能耗进行调节并输出下一时刻空调系统经调节后的能耗。

步骤一中，空调系统的能耗调节目标模型具体如下：

其中，P

如图2和图3所示，根据孤岛微电网的即时频率偏差，通过对空调系统进行控制，调节空调系统能耗，为电网提供调频服务。具体策略为当检测到电网频率低于某一阈值时，对空调系统实施关闭、提高设定温度等控制措施，使其功率降低；当电网频率高于某一阈值时，对关闭的空调进行启动，或降低空调的设定温度，从而提高空调系统的能耗，从而为电网提供频率调节服务。

孤岛微电网的频率偏差f

f

T

其中，f

空调系统的能耗在调节的过程中，当孤岛微电网的频率偏差f

步骤二：将空调系统连接实时数字仿真器RTDS平台，在空调系统能耗调节的过程中，实时数字仿真器RTDS平台根据空调系统的预设温度调节空调系统的温度。

步骤三：建立建筑物-空调的热力模型，将当前时刻建筑物室内的温度和空调系统的能耗输入建筑物-空调的热力模型中，建筑物-空调的热力模型输出下一时刻建筑物室内经调节后的温度。

步骤三中，建筑物-空调的热力模型具体如下：

U＝γ·A

S

C

其中，T

在通过传感器检测空调功耗、室内温度、电网频率的基础上，通过上述模型进行硬件在环的实现。

步骤四：根据下一时刻空调系统经调节后的能耗和建筑物室内经调节后的温度重复步骤一至四，实现硬件在环的电网频率调节实时控制。

实时数字仿真器RTDS平台直接连接空调系统的电表，或者直接接红外发射器，通过红外发射器连空调系统实现对空调系统的调节。

本发明的硬件在环方案基于实时数字仿真器(Realtime-Digital-Simulator，RTDS)平台实施。使用RTDS适配的GTIO数据卡，实现与外界的模拟信号和数字信号交互，或使用GTNET数据卡进行基于TCP/IP的数据交互。在对电网进行高精度模拟的同时可以接入电表和空调控制器等真实硬件设备，并与真实设备进行物理交互。通过连接红外发射器等控制设备，可以针对真实空调的控制场景直接控制空调的负荷量，也可以通过对空调进行开闭控制和设定温度调节从而间接调节空调的能耗。

本发明的具体实施例如下：

如图1所示，某孤岛微电网系统包含总容量为19.1MW的40栋建筑，电力系统额定运行频率为50Hz，其中有30栋建筑共包含12000台空调可控，总负荷为12.3MW，可以为电力系统提供调频服务。系统中有20个光伏发电组，可以提供10.6MW的发电量。变频空调群参与电力系统调频的安全

目标场景为当系统中的光伏发电突然失效时，系统会面临45％的发电缺口，发电机组很难依靠调节自身转速进行频率调节。此时会通过调度系统中的空调系统实现频率调节服务。

如图4和图5所示，用3个案例对比本发明的实施例的效果。案例1，没有变频空调参与电力系统调频服务；案例2，有12000台空调通过调节转速直接控制负荷量来参与调频服务；案例3，有12000万台变频空调通过启停控制参与调频服务。案例4，有12000万台变频空调通过温度调节参与调频服务。

对于案例1，电力系统最大频率偏差为1.05Hz；对于案例2，电力系统最大频率偏差为0.205Hz；对于案例3，电力系统最大频率偏差为0.3Hz。对于案例4，电力系统最大频率偏差为0.4Hz。在4种案例中，电网频率都在15秒以内回到电力安全范围内。

由此可见，本发明可以有效减小电力系统的频率波动，便于指导电力系统中对变频空调的控制，为变频空调参与电力系统调频工作提供了依据，实现了其技术效果。