CN109028457B - 一种中央空调负荷响应hvdc闭锁事故的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，包括以下步骤：实时采集中央空调的量测信息，包括设定冷却水进出水温度、冷冻水进出水温度、中央空调主机功率等；HVDC闭锁事故发生后，安稳切负荷主站通过通讯协议下达切负荷指令，负荷子站执行切负荷命令，负荷子站通过通讯协议切除被控的中央空调负荷；恢复馈线供电，控制空调的电流百分比和事故前一致；解除对空调电流百分比的限制；解除对空调电流百分比的限制；建立全时域仿真模型，调度中心通过全时域仿真模型掌握负荷加入控制后系统频率的变化情况。本发明能够快速响应HVDC闭锁事故，对中央空调设备的影响很小，避免对系统造成的二次功率冲击，方便电网调度中心掌握事故后频率响应。

Description

一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法

技术领域

本发明涉及一种中央空调负荷响应HVDC输电线路闭锁事故的控制方法。

背景技术

为解决目前迫在眉睫的环境、能源问题，风、光等可再生能源正在世界范围内大规模开发利用，中国也为此制定了“全球能源互联网”的能源战略。在中国，大量的可再生能源资源集中在西北地区，大负荷中心则分布在东南地区。为接纳更多可再生能源，国内外越来越多的特高压直流(HVDC)输电项目已经建成或者正在建设，中国目前有宁东——浙江、滇西北——广东、晋北——江苏等HVDC线路，国外有印度东北——阿格拉三端HVDC线路、巴西美丽山水电送出I、II回HVDC线路。对于一些负荷中心，大量电能来自HVDC输电，HVDC输电线路故障会严重危及电力系统安全稳定，比如2018年巴西3.21大停电，由于HVDC线路闭锁，导致巴西境内大范围停电。事故后常采用的控制手段是切负荷控制，但过多切除负荷会对社会造成很严重的负面影响。

为减小HVDC闭锁事故后大面积切除负荷对社会造成的负面影响，现有技术中通过负荷响应降低负荷需求、提高系统安全性。由于温控负荷在负荷中占比很大，许多地区，例如上海、济南等地的空调负荷在夏季占负荷总量的40％以上，而且温控负荷具有热储能特性，短暂性的切除温控负荷不会对用户造成明显影响，适合用于负荷响应。中央空调负荷是一种典型的温控负荷，中央空调相对分散式空调的优点：单个功率大、热惯性更大以及方便在现有控制平台实现进一步控制，因此中央空调有潜力作为响应HVDC闭锁事故的负荷响应资源。

现有技术中中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制存在以下问题：

1)响应HVDC闭锁事故的中央空调负荷建模不成熟。

2)目前直接切除中央空调没有考虑用户舒适度，而且在恢复供电后出现的功率冲击可能会对系统带来新的危害。

3)未能建立控制中央空调负荷后的频率响应模型，以便电网调度中心准确了解负荷响应的效果。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法；本发明通过建立响应HVDC闭锁事故的中央空调负荷模型，建立加入中央空调负荷后的频率响应模型，将中央空调负荷控制纳入安稳切负荷系统，能够快速响应HVDC闭锁事故，能避免负荷恢复时的二次功率冲击，充分考虑了用户侧的舒适度，方便电网调度中心了解负荷响应效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，包括以下步骤：

1)实时采集中央空调的量测信息，包括设定冷却水进出水温度、冷冻水进出水温度、主机功率等；

2)HVDC闭锁事故发生后，安稳切负荷主站通过通讯协议下达切负荷指令，负荷子站执行切负荷命令，负荷子站通过通讯协议切除被控的中央空调负荷；

3)经过设定时间段后恢复馈线供电，控制空调的电流百分比和事故前一致，避免对系统造成额外冲击；

4)再过一设定时间段解除对空调电流百分比的限制；解除对空调电流百分比的限制是为不影响用户舒适度，而且由于不同空调负荷解除限制的时间不同，电力系统也可以不受二次功率冲击的影响。

5)建立全时域仿真模型，调度中心通过全时域仿真模型掌握负荷加入控制后系统频率的变化情况。

所述步骤1)中，由于温度的变化相对比较缓慢，量测信息采集的时间间隔为30s。

所述步骤2)中，负荷子站和中央空调的通讯协议采用MODBUS协议，所述切负荷主站和负荷子站之间的通讯协议采用IEC104通信规约。

所述步骤2)中，被切除的中央空调负荷是指切除中央空调主机，其余部分包括油泵、水泵等都正常工作，避免对空调设备造成损坏，由于中央空调主机功率占中央空调总负荷的比例很大，切除中央空调主机依然能在负荷响应中发挥很大作用。

所述步骤2)中，事故发生后需要快速切除中央空调主机，如果直接限制空调电流百分比为0则需要经过数分钟中央空调主机才能关闭，为快速切除空调主机，需要在厂家的协助下为空调主机加装断路器。

所述步骤3)中的设定时间段取决于电力系统对负荷响应时间的要求以及用户的舒适度对时间的要求，这里设定时间段为10min。

所述步骤5)中，全时域仿真模型采用频率响应模型。

所述全时域仿真模型采用频率响应模型，包括对中央空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水的进出水温度变化、风机盘管以及末端交换热量功率进行建模；

其中，主机的制冷效率建模通过下面的公式二次函数拟合得到：

其中Q_e、Q_chiller分别为中央空调的电功率、制冷量，单位为W；

a₀，a₁和a₂分别是拟合参数，无量纲；

所述冷冻水的进出水温度变化模型根据热力学第一定律可以近似得出：

其中，T_w,l和T_w,e分别是冷冻水出水温度和回水温度，单位为℃；

C_w,l和C_w,e分别是冷冻水出水热容和回水的热容，单位为J/℃；

K_w＝cv是冷冻水的热导，单位为W/℃；

Q_exchange是冷冻水和末端的热交换功率，单位为W；

c是冷冻水的比热容，单位为J/℃·kg；

v是冷冻水的流量，单位为kg/s；

在稳态下，K_w(T_w,e-T_w,l)＝Q_chiller，Q_chiller＝Q_exchange，

风机盘管用于冷冻水和末端交换热量功率满足Q_exchange＝α(T_i-T_w,l)K_ex，

其中T_i是室内平均温度，单位为℃；α是处于开状态的末端设备占的比例，无量纲；K_ex是热交换热导，单位为W/℃；

处于开状态的末端设备占的比例α通过下式得到：

室内平均温度的变化用热空间模型描述：

其中K_air是末端房间的热导，单位为W/℃；C_air是末端房间的热容，单位为J/℃；T_o是室外温度，单位为℃。

本发明的有益效果为：

1.本发明可以快速响应HVDC闭锁事故，本发明对中央空调设备的影响很小，本发明充分考虑了用户舒适度，本发明能避免对系统造成的二次功率冲击，本发明方便电网调度中心掌握事故后频率响应。

2.本发明通过单个功率大、热惯性更大的中央空调作为响应HVDC闭锁事故的负荷响应资源，方便在现有控制平台实现进一步控制，通过负荷响应降低负荷需求减小HVDC闭锁事故后大面积切除负荷对社会造成的负面影响，提高系统安全性，解决了现有技术响应HVDC闭锁事故的中央空调负荷建模存在的问题，以及现有技术中接切除中央空调对用户舒适度的影响，避免在恢复供电后出现的功率冲击对系统带来新的危害，以及现有技术没有控制中央空调负荷后的频率响应模型从而使得电网调度中心吧能够准确了解负荷响应的问题。

附图说明

图1本发明提供的中央空调的基本构架图；

图2本发明提供的考虑温控负荷的切负荷系统基本构架图；

图3本发明提供的简化发电机组模型框图；

图4本发明提供的原动机模型框图；

图5本发明提供的简化的发电机转子电路模型框图；

图6本发明提供的主机电功率和制冷量的关系图；

图7本发明提供的事故后冷冻水进出水温度和室内平均温度曲线；

图8本发明提供的测试用四机电力系统拓扑图；

9(a)在HVDC闭锁事故发生后，不考虑中央空调负荷响应的频率变化曲线图；

9(b)在HVDC闭锁事故发生后，考虑负荷响应的频率变化曲线图；

图10(a)为在恢复供电后，直接开启中央空调的频率变化曲线图；

图10(b)为在恢复供电后，额外对中央空调的电流百分比进行控制的频率变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

结合图1至图10，图1所示为中央空调基本构架图，中央空调主机可以通过冷媒将电能转换成数倍的制冷量，冷却水在冷凝器中，通过冷却水泵对冷媒进行降温，冷冻水在蒸发器中，通过冷冻水泵将主机的制冷量传递给末端用户。

一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，包括以下步骤：

1)实时采集中央空调的量测信息，包括设定冷却水进出水温度、冷冻水进出水温度、主机功率等；

2)HVDC闭锁事故发生后，安稳切负荷主站通过通讯协议下达切负荷指令，负荷子站执行切负荷命令，负荷子站通过通讯协议切除被控的中央空调负荷；

3)经过设定时间段后恢复馈线供电，控制空调的电流百分比和事故前一致，避免对系统造成额外冲击；

4)再过一设定时间段解除对空调电流百分比的限制；解除对空调电流百分比的限制是为不影响用户舒适度，而且由于不同空调负荷解除限制的时间不同，电力系统也可以不受二次功率冲击的影响。

5)建立全时域仿真模型，调度中心通过全时域仿真模型掌握负荷加入控制后系统频率的变化情况。

所述步骤1)中，由于温度的变化相对比较缓慢，量测信息采集的时间间隔为30s。

所述步骤2)中，负荷子站和中央空调的通讯协议采用MODBUS协议，所述切负荷主站和负荷子站之间的通讯协议采用IEC104通信规约。

所述步骤2)中，被切除的中央空调负荷是指切除中央空调主机，其余部分包括油泵、水泵等都正常工作，避免对空调设备造成损坏，由于中央空调主机功率占中央空调总负荷的比例很大，切除中央空调主机依然能在负荷响应中发挥很大作用。

所述步骤2)中，事故发生后需要快速切除中央空调主机，如果直接限制空调电流百分比为0则需要经过数分钟中央空调主机才能关闭，为快速切除空调主机，需要在厂家的协助下为空调主机加装断路器。

所述步骤3)中的设定时间段取决于电力系统对负荷响应时间的要求以及用户的舒适度对时间的要求，这里设定时间段为10min。

所述步骤5)中，为将中央空调用于响应HVDC闭锁事故，需要建立全时域仿真模型，全时域仿真模型采用频率响应模型，包括对中央空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水的进出水温度变化、风机盘管以及末端交换热量功率进行建模。

其中，主机的制冷效率即主机电功率和主机制冷量的关系，主机的制冷效率建模通过下面的公式二次函数拟合得到：

其中Q_e、Q_chiller分别为中央空调的电功率、制冷量，单位为W；

a₀，a₁和a₂分别是拟合参数，无量纲；

所述冷冻水的进出水温度变化模型根据热力学第一定律可以近似得出：

其中，T_w,l和T_w,e分别是冷冻水出水温度和回水温度，单位为℃；

C_w,l和C_w,e分别是冷冻水出水热容和回水的热容，单位为J/℃；

K_w＝cv是冷冻水的热导，单位为W/℃；

Q_exchange是冷冻水和末端的热交换功率，单位为W；

c是冷冻水的比热容，单位为J/℃·kg；

v是冷冻水的流量，单位为kg/s；

在稳态下，K_w(T_w,e-T_w,l)＝Q_chiller，Q_chiller＝Q_exchange，

风机盘管用于冷冻水和末端交换热量功率满足Q_exchange＝α(T_i-T_w,l)K_ex，

其中T_i是室内平均温度，单位为℃；α是处于开状态的末端设备占的比例，无量纲；K_ex是热交换热导，单位为W/℃；

处于开状态的末端设备占的比例α通过下式得到：

室内平均温度的变化用热空间模型描述：

其中K_air是末端房间的热导，单位为W/℃；C_air是末端房间的热容，单位为J/℃；T_o是室外温度，单位为℃。

上述方程可以计算响应HVDC闭锁事故的中央空调末端房间的平均温度，从而给出中央空调参与控制后对用户舒适度的影响，也可以用于确定中央空调切除时间、恢复时的电流百分比以及解除电流百分比限制时间等控制量。

图2是考虑温控负荷的切负荷系统基本构架图，在出现HVDC闭锁事故后，安稳切负荷主站会把切负荷命令下达给各切负荷子站；传统上，各切负荷子站会直接切除馈线，会对社会造成负面影响，本发明提供的控制方法会精细化切除温控负荷，包括中央空调负荷；短时间切除温控负荷不会对用户造成很大影响，而且由于温控负荷在负荷中占有很大比重，事故发生后切除温控负荷可以有效缓解因HVDC闭锁对电力系统安全稳定的负面影响。

图3是发电机组模型框图，该框图忽略了发电机组的励磁系统，是简化后的框图，包括原动机、调速器和发电机。发电机的动态过程采用二阶转子运动方程

其中δ是转子角，单位为rad；ω是转子角速度的标幺值，无量纲；ω_s是转子角速度的基准值，单位为rad/s；M是发电机的惯性时间常数，单位为s；P_m和P_e是发电机的机械功率和电功率，单位为W。发电机的电功率有如下表示

P_e＝P_L+Dω，

其中P_L是负荷功率，单位为W；D是发电机的阻尼系数，单位为W/(rad/s)。

原动机示意图如图4所示，原动机的传递函数为

其中V是汽门开度，无量纲；T_CH和T_RH是高压缸和低压缸的时间常数，单位为s；F_IP和F_HP是高压缸和低压缸的比例常数，无量纲。

调速器的传递函数为

G_g(s)＝1/(1+sT_G)，

其中T_G是调速器时间常数，单位为s。

电力系统网络方程采用直流潮流方程

P_L＝Bθ，

其中B是直流潮流的导纳矩阵，单位为S；P_L是各个节点的有功功率，单位为W，中央空调负荷响应HVDC闭锁事故后，带有中央空调负荷节点的有功功率会发生变化；θ是各个节点的相角，单位为rad。

简化的发电机转子电路模型如图5所示，发电节点的相角和发电机转子角的关系

P_e＝(δ-θ)/X'_d，

其中X'_d是发电机暂态电抗，单位为Ω。

通过上述方程可以计算中央空调负荷响应HVDC闭锁事故后的频率响应。

图6为空调主机电功率和制冷量的关系，从图中可见使用二次拟合的结果和原数据很吻合；在HVDC闭锁事故后，冷冻水出水和回水温度以及末端室内平均温度的变化如图7所示，可见事故后对中央空调的控制并没有影响用户舒适度。

图8为测试用四机电力系统，含11个节点和4台发电机；在HVDC闭锁事故发生后，不考虑中央空调负荷响应和考虑负荷响应的频率变化曲线如图9(a)和9b)所示，可见在考虑中央空调负荷响应后，事故后频率的的最低值和稳态值都得到了明显改善，不会危及系统安全；在恢复供电后，直接开启中央空调以及额外对中央空调的电流百分比进行控制的频率变化曲线如图10(a)和10(b)所示，可见不额外进行控制会造成二次功率冲击，进而威胁系统安全。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1)实时采集中央空调的量测信息，包括设定冷却水进出水温度、冷冻水进出水温度、中央空调主机功率等；

2)HVDC闭锁事故发生后，安稳切负荷主站通过通讯协议下达切负荷指令，负荷子站执行切负荷命令，负荷子站通过通讯协议切除被控的中央空调负荷；

3)经过设定时间段后恢复馈线供电，控制空调的电流百分比和事故前一致，避免对系统造成额外冲击；

4)再过一设定时间段解除对空调电流百分比的限制；解除对空调电流百分比的限制是为不影响用户舒适度，而且由于不同空调负荷解除限制的时间不同，电力系统也可以不受二次功率冲击的影响；

5)建立全时域仿真模型，调度中心通过全时域仿真模型掌握负荷加入控制后系统频率的变化情况；

所述步骤5)中，全时域仿真模型采用频率响应模型；

所述全时域仿真模型包括对中央空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水的进出水温度变化、风机盘管以及末端交换热量功率进行建模；

其中，主机的制冷效率建模通过下面的公式二次函数拟合得到：

其中Q_e、Q_chiller分别为中央空调的电功率、制冷量，单位为W；

a₀，a₁和a₂分别是拟合参数，无量纲；

所述冷冻水的进出水温度变化模型根据热力学第一定律可以近似得出：

其中，T_w,l和T_w,e分别是冷冻水出水温度和回水温度，单位为℃；

C_w,l和C_w,e分别是冷冻水出水热容和回水的热容，单位为J/℃；

K_w＝cv是冷冻水的热导，单位为W/℃；

Q_exchange是冷冻水和末端的热交换功率，单位为W；

c是冷冻水的比热容，单位为J/℃·kg；

v是冷冻水的流量，单位为kg/s；

在稳态下，K_w(T_w,e-T_w,l)＝Q_chiller，Q_chiller＝Q_exchange，

风机盘管用于冷冻水和末端交换热量功率满足Q_exchange＝α(T_i-T_w,l)K_ex，其中T_i是室内平均温度，单位为℃；α是处于开状态的末端设备占的比例；K_ex是热交换热导，单位为W/℃；

处于开状态的末端设备占的比例α通过下式得到：

室内平均温度的变化用热空间模型描述：

其中K_air是末端房间的热导，单位为W/℃；C_air是末端房间的热容，单位为J/℃；T_o是室外温度，单位为℃。

2.如权利要求1所述一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，所述步骤1)中，由于温度的变化相对比较缓慢，量测信息采集的时间间隔为30s。

3.如权利要求1所述一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，所述步骤2)中，负荷子站和中央空调的通讯协议采用MODBUS协议，所述切负荷主站和负荷子站之间的通讯协议采用IEC104通信规约。

4.如权利要求1所述一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，所述步骤2)中，被切除的中央空调负荷是指切除中央空调主机，其余部分包括油泵、水泵等都正常工作。

5.如权利要求1所述一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，所述步骤2)中，在中央空调主机的电源电路上设有断路器。

6.如权利要求1所述一种中央空调负荷响应HVDC闭锁事故的控制方法，其特征是，所述步骤3)中的设定时间段为10min。

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