張杰，高廣玲，張智晟

(1.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250002)

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，電力供應(yīng)時(shí)段性緊缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)峻。尤其是電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成電力系統(tǒng)處于失步振蕩、過(guò)負(fù)荷等危急狀態(tài)，若處理不當(dāng)，會(huì)給維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。

電力系統(tǒng)的頻率體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)有功功率的平衡情況。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)頻是從供給側(cè)入手，即通過(guò)控制發(fā)電機(jī)來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，以維持頻率的穩(wěn)定[2]；然而，受發(fā)電機(jī)組調(diào)速器和汽輪機(jī)等延時(shí)環(huán)節(jié)的影響，傳統(tǒng)調(diào)頻方式的響應(yīng)速度較慢[3]。隨著智能儀表和量測(cè)與傳感技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)一些電網(wǎng)友好型用電設(shè)備(grid friendly appliance，GFA)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，使需求側(cè)可控負(fù)荷參與電力系統(tǒng)調(diào)頻成為可能。

需求響應(yīng)是電力用戶參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的主要方式，通過(guò)有效的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施和價(jià)格補(bǔ)償方法，引導(dǎo)用戶對(duì)價(jià)格或者激勵(lì)信號(hào)作出響應(yīng)，從而綜合優(yōu)化配置供給側(cè)和需求側(cè)的資源，滿足電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的需要[4]。我國(guó)自2013年開始著手挖掘電力需求側(cè)資源，開展需求響應(yīng)試點(diǎn)，采用需求響應(yīng)進(jìn)行頻率控制也因此受到越來(lái)越多的關(guān)注[5]。文獻(xiàn)[6]將需求響應(yīng)模塊加入到裝有大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中，以驗(yàn)證需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的有效性，結(jié)果表明需求響應(yīng)有助于改善風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)頻性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]指出需求響應(yīng)參與調(diào)頻過(guò)程中存在通信延時(shí)和響應(yīng)延時(shí)，需設(shè)計(jì)最優(yōu)控制策略，改善控制效果。文獻(xiàn)[8]采用多層混合控制策略防止大量GFA同時(shí)動(dòng)作引起的負(fù)荷功率劇烈波動(dòng)，雖然在一定程度上保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和頻率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。需求響應(yīng)控制策略比較復(fù)雜，很難建立整體的數(shù)學(xué)模型；因此，有必要對(duì)需求響應(yīng)參與調(diào)頻過(guò)程中的控制策略進(jìn)行研究。

空調(diào)負(fù)荷不僅可以在不影響用戶舒適度的前提下快速響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻，而且體量大(夏季高峰期時(shí)占尖峰負(fù)荷的30%～50%)，是最具潛力的需求側(cè)資源之一[9]。近年來(lái)，變頻空調(diào)逐漸占據(jù)大部分的空調(diào)市場(chǎng)，而對(duì)其參與需求響應(yīng)調(diào)頻的研究卻很少。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻性能的模糊控制策略。該策略將模糊理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，結(jié)合需求響應(yīng)，將變頻空調(diào)作為可控負(fù)荷，給出控制策略。在MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建仿真模型，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略的有效性和優(yōu)越性。

1 電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)

1.1 系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)機(jī)理

忽略由機(jī)電瞬態(tài)和振蕩引起的局部差異，電力系統(tǒng)角頻率ω由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律決定[10]。結(jié)合需求響應(yīng)，則

(1)

式中：M為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Δω為角頻率變化量；t為時(shí)間；D為阻尼系數(shù)；ΔPj為總有功發(fā)電變化量；ΔPNCL為不可控負(fù)荷的有功功率變化量；ΔPCL為可控負(fù)荷的有功功率變化量。由式(1)可見(jiàn)，無(wú)論是通過(guò)控制發(fā)電機(jī)還是通過(guò)控制可控負(fù)荷，都能夠起到調(diào)整電力系統(tǒng)頻率的作用[11]。

1.2 變頻空調(diào)調(diào)頻機(jī)理

參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的空調(diào)負(fù)荷根據(jù)其運(yùn)行方式不同可分為2類，一類是能夠連續(xù)調(diào)節(jié)用電功率的變頻空調(diào)，另一類則是只能控制其開關(guān)狀態(tài)的定頻空調(diào)。目前，針對(duì)常規(guī)定頻空調(diào)參與需求響應(yīng)提出了較多有效的控制策略，如聚合空調(diào)友好溫度控制策略、聚合空調(diào)的轉(zhuǎn)化時(shí)間優(yōu)先級(jí)列表控制策略等，而對(duì)于變頻空調(diào)的控制策略研究卻很少。

變頻空調(diào)的基本結(jié)構(gòu)是在常規(guī)空調(diào)的結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)變頻器，變頻器將220 V/50 Hz的交流電經(jīng)整流濾波，得到310 V左右的直流電；此直流電再經(jīng)過(guò)逆變，將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)?0～130 Hz頻率可調(diào)的變頻電源，以控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變空調(diào)制冷(熱)量，維持室內(nèi)溫度恒定[12]，如圖1所示。供電頻率越高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，空調(diào)制冷(熱)量就越大；而當(dāng)供電頻率較低時(shí)，空調(diào)制冷(熱)量就小。

圖1 變頻空調(diào)的工作原理Fig.1 Working principle of inverter air conditioner

本文將變頻空調(diào)作為需求側(cè)資源，可在不影響用戶舒適度的前提下持續(xù)地進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，避免頻繁啟停帶來(lái)的設(shè)備損壞問(wèn)題[13]。變頻空調(diào)的調(diào)頻機(jī)理如圖2所示，其中，Δf為系統(tǒng)頻率偏差，du/dt為微分環(huán)節(jié)，uf為控制指令，nf為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，ΔPDR為變頻空調(diào)的功率響應(yīng)。

圖2 變頻空調(diào)的調(diào)頻機(jī)理Fig.2 Frequency modulation mechanism of inverter air conditioner

系統(tǒng)內(nèi)的頻率偏差Δf及其變化率作為模糊控制器的輸入，以控制變頻器的控制指令uf，改變變頻器輸出的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速nf，從而快速平滑地調(diào)控聚合變頻空調(diào)的功率。從控制指令uf到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速nf是一階傳遞函數(shù)：

(2)

式中τ為時(shí)間常數(shù)。

1.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型

考慮一個(gè)由火電機(jī)組組成基準(zhǔn)功率為50 MW的單區(qū)域系統(tǒng)。由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變動(dòng)較小，可以假定各發(fā)電機(jī)組的聯(lián)系非常緊密且所有節(jié)點(diǎn)的頻率都是相同的[14]。在平衡點(diǎn)處作近似線性化處理，結(jié)合模糊控制及需求響應(yīng)，將變頻空調(diào)作為可控負(fù)荷，可得該區(qū)域的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖3所示，其中，ΔPd為負(fù)荷變化，ΔPm為火電機(jī)組汽輪機(jī)輸出功率，F(xiàn)r為再熱系數(shù)，Tr為汽輪機(jī)再熱時(shí)間常數(shù)，Tt為汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)，ΔPv為蒸汽開度，Tg為調(diào)速器時(shí)間常數(shù)，H為發(fā)電機(jī)慣性常數(shù)，R為一次調(diào)頻調(diào)差系數(shù)，Ki為二次調(diào)頻的積分增益，s為拉普拉斯算子。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，將負(fù)荷變化ΔPd與火電機(jī)組汽輪機(jī)輸出功率ΔPm及聚合變頻空調(diào)輸出功率ΔPDR作比較，其偏差作為發(fā)電機(jī)及負(fù)荷的輸入，以控制系統(tǒng)內(nèi)的頻率偏差Δf。Δf一方面可經(jīng)過(guò)比例和積分環(huán)節(jié)作為調(diào)速器的輸入來(lái)控制蒸汽開度ΔPv，進(jìn)而控制汽輪機(jī)的輸出功率ΔPm；另一方面可結(jié)合其變化率作為模糊控制器的輸入，從而改變聚合變頻空調(diào)的輸出功率ΔPDR。以上2個(gè)方面可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的雙重反饋控制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

2 需求響應(yīng)參與系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略

2.1 變頻空調(diào)控制

本文需求響應(yīng)通過(guò)智能儀表控制變頻空調(diào)的運(yùn)行功率，是一種直接負(fù)荷控制。參與需求響應(yīng)的用戶需經(jīng)過(guò)功率分配器實(shí)現(xiàn)聚合控制，同時(shí)也可獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，如圖4所示。功率分配器可以通過(guò)平均分配法把總的功率調(diào)整指令分配到每臺(tái)發(fā)電機(jī)和各類變頻空調(diào)?？刂破鞯淖饔镁褪前凑帐孪仍O(shè)定的控制策略控制變頻空調(diào)的功率調(diào)整，輔助電力系統(tǒng)的有功功率調(diào)節(jié)。

參照文獻(xiàn)[15-16]，變頻空調(diào)熱動(dòng)力學(xué)能耗模型的線性化模型、線性化的送風(fēng)量動(dòng)態(tài)模型以及壓縮機(jī)能耗的線性化模型分別為：

(3)

(4)

(5)

圖3 電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型Fig.3 Power system frequency response model

圖4 參與調(diào)頻的變頻空調(diào)Fig.4 Schematic diagram of inverter air conditioners participating in frequency modulation

式(3)—(5)中：ΔPf為壓縮機(jī)額定能耗的相對(duì)偏移量；c1、c2為常數(shù)；Δuf為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速指令相對(duì)偏移量；ΔT為室內(nèi)溫度相對(duì)偏移量；Δm為送風(fēng)量相對(duì)偏移量；cp為空氣比熱；RW為墻體熱阻；C為建筑等效熱容；Tla為出風(fēng)溫度。根據(jù)式(3)可計(jì)算室內(nèi)溫度變化量，式(4)可計(jì)算室內(nèi)送風(fēng)量的變化量，式(5)可計(jì)算空調(diào)壓縮機(jī)能耗變化量。由于本文只控制空調(diào)壓縮機(jī)，因此可用壓縮機(jī)能耗變化量代表變頻空調(diào)的出力。

在不影響用戶舒適度的前提下，不同品牌、類型的變頻空調(diào)參與需求響應(yīng)的出力限值不同；因此，將所有變頻空調(diào)按其出力能力分類，參與需求響應(yīng)的變頻空調(diào)的總負(fù)荷

(6)

式中：wi為各類變頻空調(diào)參與調(diào)頻出力時(shí)的權(quán)重因子，其作用是使不同類型的變頻空調(diào)按其出力能力同等程度出力，即所有空調(diào)的頻率調(diào)節(jié)速度保持一致；ΔPDRi為第i類變頻空調(diào)的出力總量；n為變頻空調(diào)的總類數(shù)。

本文旨在研究需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略，因此通過(guò)限制每臺(tái)變頻空調(diào)出力的方法來(lái)滿足用戶舒適度約束，參與需求響應(yīng)的變頻空調(diào)的限值約束為

-ΔPDR,max≤ΔPDR≤ΔPDR,max.

(7)

式中ΔPDR,max為不影響用戶舒適度的前提下，系統(tǒng)內(nèi)允許參與調(diào)頻的變頻空調(diào)的最大有功出力。

需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，變頻空調(diào)和發(fā)電機(jī)組均以頻率偏差為控制目標(biāo)。通常，可將Δf劃分為死區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)、緊急調(diào)節(jié)區(qū)等多個(gè)控制區(qū)[17]。在負(fù)荷波動(dòng)初期，Δf從死區(qū)進(jìn)入正常調(diào)節(jié)控制區(qū)，機(jī)組功率尚在爬坡，參與調(diào)頻的所有變頻空調(diào)同時(shí)動(dòng)作，抵消部分的負(fù)荷變動(dòng)，緩解對(duì)系統(tǒng)的沖擊。當(dāng)發(fā)電機(jī)組通過(guò)增發(fā)/減少功率使系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，頻率恢復(fù)至調(diào)頻死區(qū)，參與需求響應(yīng)的變頻空調(diào)退出調(diào)頻。當(dāng)Δf較大且其變化率較大時(shí)，即頻率調(diào)節(jié)進(jìn)入緊急調(diào)節(jié)區(qū)，參與需求響應(yīng)的變頻空調(diào)出力增多，以使頻率盡快恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。每類變頻空調(diào)功率改變量與頻率偏差之間滿足

ΔPDRi=kiΔf.

(8)

式中ki為第i類變頻空調(diào)的頻率調(diào)節(jié)特性系數(shù)。將式(8)代入式(6)得

(9)

式中kDR為頻率調(diào)節(jié)特性系數(shù)。

根據(jù)式(3)，由于建筑物具有較好的熱儲(chǔ)能特性且短時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度的變化并不影響人類舒適度，運(yùn)行著的變頻空調(diào)經(jīng)過(guò)上述聚合集中控制可等效為一個(gè)集中的可調(diào)負(fù)荷，以一種與發(fā)電機(jī)類似的方式對(duì)頻率偏差作出響應(yīng)，更加適應(yīng)輔助服務(wù)市場(chǎng)對(duì)于負(fù)荷響應(yīng)時(shí)效性與精確性的要求。一旦頻率偏差超過(guò)調(diào)頻死區(qū)，所有類型的變頻空調(diào)同時(shí)出力，雖然不同類型的變頻空調(diào)參與調(diào)頻的能力不同，但在權(quán)重因子的影響下各類變頻空調(diào)依據(jù)出力能力同等程度出力。因此，可將變頻空調(diào)的頻率調(diào)節(jié)特性近似用圖5表示，其中Δfjt,set、Δfzt,set、Δfsq,set分別為緊急調(diào)節(jié)區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)、死區(qū)的邊界設(shè)定值。

圖5 變頻空調(diào)近似的頻率調(diào)節(jié)特性Fig.5 Approximate frequency adjustment characteristics of inverter air conditioner

頻率調(diào)節(jié)特性系數(shù)kDR可以表示為

(10)

在實(shí)際操作中，系統(tǒng)內(nèi)可參與調(diào)頻的變頻空調(diào)總量是實(shí)時(shí)變化的，因此系數(shù)kDR并不是固定不變的，圖5僅表示某特定時(shí)刻變頻空調(diào)近似的頻率調(diào)節(jié)特性。

2.2 需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略

由于需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略比較復(fù)雜，很難得到控制策略的整體數(shù)學(xué)模型[18]。模糊控制將模糊理論應(yīng)用于難以建立數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，通過(guò)模擬人類思維，達(dá)到與人們憑經(jīng)驗(yàn)操作相類似的控制效果，且具備自適應(yīng)整定的能力，克服了常規(guī)控制策略工況敏感的缺點(diǎn)，可以大幅度提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高控制精度及響應(yīng)速度，極其適用于需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的控制[19-21]。

本文將變頻空調(diào)作為可控負(fù)荷，需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略，其基本步驟如下：

a)建立頻率偏差Δf與參與需求響應(yīng)的變頻空調(diào)控制器之間的信號(hào)通道，采用模糊控制規(guī)則來(lái)改善需求響應(yīng)控制性能。

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b)將頻率偏差Δf及其變化率模糊化，定義為5個(gè)模糊子集：負(fù)大{NB}、負(fù)小{NS}、零{Z}、正小{PS}、正大{PB}。模糊子集的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)，如圖6所示。隸屬度的取值范圍為[0，1]，Δf及其變化率的論域范圍可根據(jù)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定。這里取Δf的論域范圍為[-0.06 Hz，0.06 Hz]，dΔf/dt的論域范圍為[-3 Hz/s，3 Hz/s]。

圖6 頻率偏差及其變化率的隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function of frequency deviation and its rate of change

c)同理，將空調(diào)負(fù)荷的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速指令uf模糊化，定義為5個(gè)模糊子集負(fù)大{NB}、負(fù)小{NS}、零{Z}、正小{PS}、正大{PB}。模糊子集的隸屬度函數(shù)同樣采用三角形函數(shù)，如圖7所示，取uf的論域范圍為[-100，100]。

圖7 可控負(fù)荷的隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership function of controllable load

d)模糊蘊(yùn)含關(guān)系采用Mamdani推理法則，由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可以得到模糊控制規(guī)則表(表1)。經(jīng)過(guò)極大-極小組合規(guī)則來(lái)推理模糊算法，求得綜合模糊關(guān)系，進(jìn)而得到模糊子集表示的輸出量。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rules

e)將模糊輸出量即變頻空調(diào)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速指令uf，使用最大隸屬度法解模糊，得到最終精確的uf作為變頻空調(diào)變頻器的輸入，以控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變變頻空調(diào)的有功出力，響應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)頻。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略的控制效果，在MATLAB/Simulink中搭建以頻率偏差Δf為控制目標(biāo)、含需求響應(yīng)及模糊控制的單區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)頻仿真模型，如圖3所示。該區(qū)域采用機(jī)組容量50 MW等值火電機(jī)組，并選取基準(zhǔn)容量為50 MW。假設(shè)系統(tǒng)中可參與調(diào)頻的變頻空調(diào)有2類，其中一類的額定功率為2 000 W，另一類的額定功率為3 000 W，各有1 000臺(tái)?？紤]用戶的舒適度約束，所有變頻空調(diào)參與調(diào)頻的最大響應(yīng)容量標(biāo)幺值為0.06(占總負(fù)荷的6%)。

逐步更改仿真回路的參數(shù)，分別對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)頻方式和需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的常規(guī)控制策略，以及需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略的控制效果進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)文獻(xiàn)[8]，采用遺傳算法對(duì)控制系統(tǒng)中的參數(shù)Ki進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果取Ki=1.91。參數(shù)設(shè)定為：種群規(guī)模50，交叉率0.8，變異率0.1，最大迭代次數(shù)50，R=20，Tg=0.2，Tr=7，F(xiàn)HP=0，Tt=0.3，D=1，H=5。根據(jù)式(7)，可將需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的常規(guī)控制策略kDR近似固定為-1.5。記傳統(tǒng)的調(diào)頻方式為情形1，需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的常規(guī)控制策略為情形2，需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略為情形3。

在區(qū)域中加入負(fù)荷擾動(dòng)以驗(yàn)證上述3種情形下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及控制效果。擾動(dòng)形式分為階躍負(fù)荷擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)。

a)負(fù)荷擾動(dòng)方式1：t=1 s時(shí)，加入階躍負(fù)荷擾動(dòng)，并且負(fù)荷變化ΔPd=0.1(標(biāo)幺值，下同)，如圖8(a)所示；電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖8(b)—(d)所示；表2是電力系統(tǒng)調(diào)頻的各項(xiàng)指標(biāo)。

表2 系統(tǒng)調(diào)頻指標(biāo)Tab.2 System frequency modulation indicators

圖8(b)是頻率偏差響應(yīng)曲線，結(jié)合表2的系統(tǒng)調(diào)頻指標(biāo)分析可知：當(dāng)加入階躍負(fù)荷擾動(dòng)以后，情形2和情形3頻率偏差的最大值明顯小于情形1，且頻率恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間大大縮短。顯然，情形2和情形3的控制效果優(yōu)于情形1。這就表明，需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻可以大大提高調(diào)節(jié)速度，減小超調(diào)。另外，情形3頻率恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間又明顯小于情形2，表明需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略具有更快的調(diào)節(jié)速度，控制效果更好。

圖8(c)是發(fā)電機(jī)組調(diào)頻出力曲線，可見(jiàn)情形1發(fā)電機(jī)組出力曲線與圖8(b)中頻率偏差曲線波動(dòng)趨勢(shì)近似，即系統(tǒng)調(diào)頻僅由發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)。而情形2和情形3發(fā)電機(jī)組出力曲線與圖8(b)中頻率偏差曲線波動(dòng)趨勢(shì)的差異，體現(xiàn)在需求響應(yīng)參與了調(diào)頻，如式(1)所示。另外，情形2和情形3發(fā)電機(jī)組調(diào)頻出力曲線的波動(dòng)次數(shù)及波動(dòng)幅值明顯小于情形1，而情形3相較情形2差別不大。因此，需求響應(yīng)參與下，發(fā)電機(jī)組的耗能較少，更加節(jié)能環(huán)保，而需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略并不能顯著影響發(fā)電機(jī)組的出力。

圖8 階躍負(fù)荷擾動(dòng)下的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.8 Dynamic response of the power system under phase step load disturbance

圖8(d)是需求響應(yīng)參與調(diào)頻出力的曲線，可以看出，情形3曲線的波動(dòng)幅值明顯小于情形2，表明需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略的變頻空調(diào)出力較??；因此，模糊控制策略不僅提升了用戶的舒適度，而且減小了變頻空調(diào)參與調(diào)頻的成本，更加經(jīng)濟(jì)。

b)負(fù)荷擾動(dòng)方式2：采用負(fù)荷連續(xù)波動(dòng)，且其波動(dòng)范圍設(shè)為-0.32≤ΔPd≤0.32，如圖9所示；電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線如圖10所示。

由圖10可知，總體上情形3頻率偏差響應(yīng)曲線的波動(dòng)最小，其次是情形2，情形1的波動(dòng)最大。表明區(qū)域中負(fù)荷連續(xù)波動(dòng)時(shí)，需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略的控制效果最佳，其次是需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的常規(guī)控制策略，而傳統(tǒng)的調(diào)頻方式控制效果最差。

圖9 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)曲線Fig.9 Continuous load disturbance curve

圖10 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下的頻率偏差響應(yīng)曲線Fig.10 Frequency deviation response curve under continuous load disturbance

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊控制策略，根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差Δf及其變化率控制變頻空調(diào)的出力大小，對(duì)提高頻率調(diào)節(jié)速度及降低超調(diào)作用顯著，并可在一定程度上降低需求側(cè)聚合變頻空調(diào)的出力，減少能耗，節(jié)約成本。需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的模糊控制策略具有更好的調(diào)頻效果。