具有能量存储特性的电力负荷群集协作控制机制研究

Balance between generation supply and load demand should be maintained for the secure and stable operation of a power system. A certain quantity of reserve capacity is conventionally supplied by the generation side to eliminate the imbalance imposed by any disturbance. Constrained by energy cost and environmental effect,a larger social cost should be paid for the reserve provided by the generation side whereas the load side has the potential to be the provider with a relatively low cost. The cooperative control mechanisms are planned to be implemented on load swarms of energy storage property,by which each dispersed load individual responds autonomously to an exgenous event while the rule underlying its response is updated via the swarm-level cooperative optimization. Negative effects on each load individual are to be minimized while the security of the whole system is maintained. The following topics will be covered. .1) Analysis on diversity and synchronization of load individuals..Firstly, explore the underlying connections among diversity and synchronization of load individuals and controllability of load swarms. Secondly, propose proper indicators on diversity and synchronization. Thirdly, uncover the principles of emergence synchronization, on the basis of which the regulating mechanism of the synchronization is to be studied..2) Design of cooperative control structure and strategy for load swarms..Firstly, design connection topologies for the load swarms. Secondly, assign roles to the controlled entities in the swarms. Thirdly, set cooperation strategies among load individuals, load aggregators, and the power network dispatcher. .3) Optimization of information topology for the load control system.Firstly, conduct requirement analyses on information processing capability of the load control system. Secondly, build information topology, on which influences of a certain information topology on control system performance. Thirdly, propose the optimal allocation strategy and method on information processing resources.

保持发电与负荷之间的平衡是电力系统安全稳定运行的基本条件。为了处置各种扰动对系统平衡的破坏，通常在发电侧配置备用，受能耗与环境等因素影响，需付出较大的社会成本，而负荷具有提供备用的潜力。研究具有能量存储特性的电力负荷群集协作控制机制，实现"群集协作优化，分散自主响应"，在保证系统安全性的前提下，尽可能减少对负荷的负面影响。1）负荷个体状态的多样性与同步性分析：研究负荷个体状态的多样性、同步性与负荷群体可控性之间的内在联系，提出负荷多样性与同步性的表征指标，揭示负荷同步性的涌现机理与调控机制；2）负荷群体的协作控制结构与策略设计：设计负荷群体的关联耦合结构，定义负荷群体中各种控制对象的任务功能，制定负荷个体、负荷聚合器与电网调度之间的合作策略；3）负荷控制系统的信息拓扑优化：分析负荷控制系统的信息处理需求，建立信息拓扑模型，刻画信息拓扑对控制性能的影响，提出信息处理资源的优化配置策略与方法。

保持发电与负荷之间的平衡是电力系统安全稳定运行的基本条件。为了处置各种扰动对发电–负荷平衡的破坏，通常采用在发电侧配置及调用备用的方法。现代电力系统的形态呈现出显著的复杂性，增加发电侧备用需要付出较大的社会成本，而负荷具有提供备用的潜力。具有能量存储特性的负荷是实施柔性负荷控制的合适的备选对象。本项目提出并解决具有能量存储特性的负荷参与电力系统发电–负荷平衡控制中所涉及的关键科学问题，取得的主要成果体现在下述方面：.（1）负荷群体状态分析与特性调控。分析由于状态多样性遭到破坏而导致负荷群体受控后涌现负面同步行为的机理，评估负荷群体聚合功率振荡对电力系统运行造成的不利影响；提出计及多样性保持的负荷群体特性调控方法与恢复策略。.（2）负荷群体协作控制方法与策略。以舒适度作为用户效用的度量，提出考虑用户舒适度的可控负荷分散响应机制，分别应用于恒温控制负荷与LED照明负荷；提出可控负荷主动参与电力系统频率控制的方法，将负荷的群集响应与发电侧响应进行协同，共同承担系统的一、二次频率控制目标；利用广域测量系统信息辨识负荷动态特性，提出一种满足在线应用的中长期电压协调控制方法；备用资源的配置是电力系统优化调度的核心问题，围绕这一问题，提出源–荷备用协同优化模型和基于成本–价值解耦的算法。.（3）负荷控制系统的信息拓扑优化。提出一种负荷分布式控制构架，根据采集的样本负荷信息估计负荷群的运行状态，可响应系统的实时控制指令，达到较高的控制精度；量化分析通信延迟对负荷控制特性的影响；将平均场博弈理论应用于大种群负荷分布式控制问题，以电动汽车的动力电池负荷为控制对象，提出适用于负荷分布式控制问题的信息处理结构。.（4）可控负荷实验平台开发与应用。开发了可控负荷实验平台，实现空调负荷、LED照明负荷的闭环控制；在可控负荷实验平台中，对空调负荷与LED照明负荷的分散响应机制进行验证；提出室内空间热模型的参数辨识方法，利用空调负荷控制平台，对空调所在的室内工作空间进行准确建模，将模型维度从负荷个体扩展到房间或建筑。