姜婷玉，李亞平，江葉峰，周海強(qiáng)，鞠平

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市 210098；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司（南京），江蘇省南京市 210003；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇省南京市 210024）

0 引言

碳排放問(wèn)題是制約社會(huì)發(fā)展的全球性議題，2016 年全球178 個(gè)締約方共同簽署《巴黎協(xié)定》，形成了2020 年后的全球氣候治理格局。2020 年9 月，習(xí)近平總書記提出中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)于2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，于2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和［1］（“雙碳”目標(biāo)）?！半p碳”目標(biāo)不僅為中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、可持續(xù)發(fā)展方向指明了道路方向，也體現(xiàn)了中國(guó)推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的大國(guó)擔(dān)當(dāng)［2］。

“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)建設(shè)呈現(xiàn)高比例新能源特性，當(dāng)前系統(tǒng)的可靠供電、安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等面臨發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)能力受限、電網(wǎng)平衡能力不足等新的挑戰(zhàn)［3］。迫切需要引入負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)運(yùn)行，將電網(wǎng)調(diào)度模式由“源隨荷動(dòng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)”，從而增加電網(wǎng)的靈活性并提升電網(wǎng)的平衡能力。需求響應(yīng)能夠整合負(fù)荷側(cè)資源并向系統(tǒng)提供多種輔助服務(wù)，因而成為正常情況下促進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、故障情況下幫助恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定的有力手段。以空調(diào)、冰箱、熱水器等為代表的溫控負(fù)荷數(shù)量眾多、可調(diào)潛力大且具有熱慣性的物理特性，日漸成為需求響應(yīng)中最受歡迎的控制資源之一［4］。因此，利用溫控負(fù)荷提供電力系統(tǒng)輔助服務(wù)引起了廣泛關(guān)注。

從電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的角度而言，利用溫控負(fù)荷向電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)具有重要意義。溫控負(fù)荷提供的輔助服務(wù)和傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的區(qū)別在于:發(fā)電調(diào)度嚴(yán)格遵循控制中心制定的發(fā)電計(jì)劃和指令，而溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)時(shí)不僅需要滿足控制中心下發(fā)的指令，還應(yīng)盡可能避免對(duì)用戶正常生活造成影響。因此，溫控負(fù)荷的控制策略更加靈活、復(fù)雜。合理的溫控負(fù)荷控制能夠經(jīng)濟(jì)地向電網(wǎng)提供各類輔助服務(wù)，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；也能夠通過(guò)減少負(fù)荷側(cè)需求緩解高峰電力需求，降低發(fā)電側(cè)供電壓力。與建設(shè)電廠相比，利用溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的投資成本較低且碳排放較少，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［5］，有利于“雙碳”目標(biāo)的落實(shí)。

當(dāng)前，中國(guó)多個(gè)省市已出臺(tái)相關(guān)規(guī)則促進(jìn)負(fù)荷側(cè)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，華北監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨(dú)立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則（試行，2020 版）》，引入負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)調(diào)峰［6］；江蘇能源監(jiān)管辦公室組織編制了《江蘇電力輔助服務(wù)（調(diào)頻）市場(chǎng)交易規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，交易主體擴(kuò)大到儲(chǔ)能電站和綜合能源服務(wù)商［7］。多個(gè)規(guī)則的出臺(tái)表明將負(fù)荷側(cè)納入輔助服務(wù)的重要性和迫切性，下一步必然會(huì)將參與主體擴(kuò)大至更多的負(fù)荷側(cè)資源，如溫控負(fù)荷。隨著輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償政策的完善以及高級(jí)測(cè)量體系和通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的研究將進(jìn)一步深化，其控制規(guī)模也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的參與機(jī)制、聚合模型、響應(yīng)特性、終端層控制方法及架構(gòu)、電網(wǎng)層控制策略制定5 個(gè)方面對(duì)溫控負(fù)荷提供電力系統(tǒng)輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。最后，結(jié)合“雙碳”目標(biāo)以及當(dāng)前研究現(xiàn)狀，對(duì)溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 參與機(jī)制

1.1 溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的控制機(jī)制

了解溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的控制機(jī)制對(duì)控制策略的構(gòu)建有重要影響。目前，各類文獻(xiàn)對(duì)溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的控制機(jī)制分類不一，如文獻(xiàn)［8］將溫控負(fù)荷控制劃分為基于價(jià)格、基于拍賣和基于激勵(lì)3 種，而文獻(xiàn)［9］則將該控制機(jī)制劃分為直接負(fù)荷控制和基于價(jià)格控制2 類。這些文獻(xiàn)劃分控制機(jī)制的出發(fā)點(diǎn)不同，因而存在部分概念的重合，并不全面。為便于讀者理解，本文結(jié)合美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）于2012 年發(fā)布的調(diào)查報(bào)告［10］，將溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的機(jī)制分為2 類:基于價(jià)格的機(jī)制和基于激勵(lì)的機(jī)制。輔助服務(wù)通常定義為除電能以外為保證電網(wǎng)安全、可靠所必須提供的服務(wù)，一般包含:1）調(diào)度和系統(tǒng)控制；2）無(wú)功備用和電壓調(diào)整；3）調(diào)節(jié)和頻率響應(yīng)；4）能量不平衡出力；5）旋轉(zhuǎn)備用；6）非旋轉(zhuǎn)備用［11］。具體控制機(jī)制分類如圖1所示，內(nèi)含不同機(jī)制對(duì)應(yīng)可提供的輔助服務(wù)類型（該分類僅描述常規(guī)對(duì)應(yīng)關(guān)系）。

圖1 溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的機(jī)制分類Fig.1 Classification of mechanisms for providing ancillary services by thermostatically controlled loads

1.1.1 基于價(jià)格的機(jī)制

基于價(jià)格的機(jī)制是指利用電價(jià)間接地引導(dǎo)用戶行為以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功率調(diào)整效果。通常利用實(shí)時(shí)電價(jià)（real-time pricing，RTP）對(duì)用戶行為進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵(lì)用戶在電價(jià)高時(shí)減少消耗，在電價(jià)低時(shí)增加消耗。RTP 常用于提供調(diào)度和系統(tǒng)控制類的輔助服務(wù)。

RTP 以邊際成本理論為基礎(chǔ)，反映了各時(shí)刻供應(yīng)與需求的變化關(guān)系，有利于市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)在供應(yīng)商與用戶之間進(jìn)行合理分?jǐn)偅?2］，存在較大的規(guī)劃空間。因此，RTP 對(duì)大型工商業(yè)用戶的吸引力較大。然而，RTP 非常依賴智能電網(wǎng)的雙向通信，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施要求較高；同時(shí)過(guò)高的通信需求也降低了居民用戶的參與積極性。

文獻(xiàn)［13］針對(duì)商業(yè)樓暖通空 調(diào)（heating，ventilation and air-conditioning，HVAC）系統(tǒng)研究了一種RTP 策略，根據(jù)電價(jià)的變化改變HVAC 系統(tǒng)的溫度設(shè)定，從而在顯著降低高峰負(fù)荷和用戶電費(fèi)支出的同時(shí)保持用戶熱舒適度。然而這種控制效果建立在實(shí)時(shí)通信和準(zhǔn)確的住宅建筑模型基礎(chǔ)之上。文獻(xiàn)［14］提出將RTP 和分時(shí)電價(jià)結(jié)合的定價(jià)機(jī)制，在最小化峰均比的基礎(chǔ)上，使定價(jià)政策的收益接近最優(yōu)。文獻(xiàn)［15］基于RTP 規(guī)劃了溫控負(fù)荷的用電模式以最小化用戶用電成本，在高峰時(shí)段可節(jié)約49%的電量。但是該方法需要通過(guò)WiFi 不斷地獲取溫控負(fù)荷狀態(tài)信息。由上述文獻(xiàn)可知，若要精確地利用RTP 引導(dǎo)溫控負(fù)荷實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)，則對(duì)信息的收集、通信有較高的要求；而若不考慮以上需求，則很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)期望的控制效果。

1.1.2 基于激勵(lì)的機(jī)制

在基于激勵(lì)的機(jī)制中，用戶提前和調(diào)度中心或負(fù)荷聚合商（load aggregator，LA）簽訂合約，并依據(jù)其在提供輔助服務(wù)過(guò)程中的表現(xiàn)獲取收益?；诩?lì)的機(jī)制可進(jìn)一步分為經(jīng)典方案和基于市場(chǎng)的方案。在經(jīng)典方案中，用戶獲取的收益單價(jià)一般恒定；而在基于市場(chǎng)的方案下，用戶獲取的收益單價(jià)和實(shí)際控制情況有關(guān)。經(jīng)典方案包括直接負(fù)荷控制（direct load control，DLC）和可中斷/可削減（interruptible/curtailable，I/C）負(fù)荷，基于市場(chǎng)的方案包括緊急需求響應(yīng)（emergency demand response，EDR）和需求側(cè)競(jìng)價(jià)（demand side bidding，DSB）。

在DLC 中，溫控負(fù)荷的功耗由調(diào)度中心通過(guò)中央控制器遠(yuǎn)程控制［16］。DLC 的執(zhí)行難度較低且控制精度較高，但是調(diào)度過(guò)程中容易忽視用戶舒適度且調(diào)度中心的控制壓力較大。在所有的控制機(jī)制中，DLC 的應(yīng)用范圍最廣，幾乎可以提供所有類型的輔助服務(wù)。文獻(xiàn)［9］基于DLC 采用雙層魯棒控制框架控制溫控負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)荷追隨。文獻(xiàn)［17］基于離散傅里葉變換提出變頻空調(diào)DLC 策略以改善配電網(wǎng)功率平衡問(wèn)題。文獻(xiàn)［18］提出了基于能源信用分配的DLC 方法以降低系統(tǒng)高峰負(fù)荷。

I/C 負(fù)荷是指用戶通過(guò)接受停電概率而換取折扣電價(jià)補(bǔ)償或在實(shí)際停電后按合約賠償［19］。早期可中斷負(fù)荷主要針對(duì)大型工商業(yè)用戶，隨著第三產(chǎn)業(yè)和居民用電大幅增長(zhǎng)，溫控負(fù)荷等智能可控家用電器可以作為I/C 負(fù)荷主要調(diào)控資源［20］。由于I/C負(fù)荷只能提供功率削減，因此適用于提供削峰、消納新能源發(fā)電、旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)。文獻(xiàn)［21］將可削減負(fù)荷引入多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度模型以消納風(fēng)電。文獻(xiàn)［22-23］建立了合適的可中斷負(fù)荷模型以降低高峰負(fù)荷并減少運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［24］指出可中斷負(fù)荷可用作非旋轉(zhuǎn)備用和事故備用。

EDR 是在緊急情況下觸發(fā)溫控負(fù)荷控制，并非提前擬定的動(dòng)作計(jì)劃。EDR 中包含DLC 或I/C 負(fù)荷手段，常用于提供緊急頻率調(diào)整的輔助服務(wù)。由于EDR 對(duì)動(dòng)作時(shí)間要求較高，其對(duì)通信系統(tǒng)較為依賴。中國(guó)已投運(yùn)的華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)可中斷負(fù)荷等EDR 負(fù)荷的直接控制和1 s內(nèi)的迅速切除［25］。文獻(xiàn)［26］通過(guò)協(xié)調(diào)直接控制和可削減負(fù)荷向系統(tǒng)提供EDR 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的快速恢復(fù)。

DSB 適用于能夠參與市場(chǎng)調(diào)節(jié)容量競(jìng)價(jià)的大用戶，電力需求方通過(guò)競(jìng)價(jià)購(gòu)得電能，用戶通過(guò)參與需求側(cè)競(jìng)價(jià)使自身成為價(jià)格的決定者之一［27］。隨著市場(chǎng)機(jī)制的逐步發(fā)展，基于DSB 提供的輔助服務(wù)類型也逐漸增加，例如削峰、系統(tǒng)功率曲線優(yōu)化、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用。文獻(xiàn)［28］根據(jù)耗電曲線對(duì)熱水器進(jìn)行分類，并提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃策略以在關(guān)鍵時(shí)刻減少負(fù)荷峰值。文獻(xiàn)［29］針對(duì)不同類型的溫控負(fù)荷提出了基于虛擬價(jià)格的單獨(dú)需求曲線構(gòu)建策略以更好地提供調(diào)頻服務(wù)。文獻(xiàn)［30］利用非合作博弈描述不同類型用戶之間的互動(dòng)，優(yōu)化了系統(tǒng)功率曲線。

1.2 溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)市場(chǎng)方式

參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場(chǎng)的溫控負(fù)荷主要采用的控制機(jī)制是EDR 和DSB。大用戶直接參與輔助服務(wù)市場(chǎng)交易，中小型用戶通過(guò)LA 聚合參與輔助服務(wù)市場(chǎng)交易。用戶在輔助服務(wù)市場(chǎng)中針對(duì)需要的輔助服務(wù)進(jìn)行投標(biāo)。若投標(biāo)被接受，參與競(jìng)標(biāo)的用戶將因承諾隨時(shí)待命而獲得基礎(chǔ)報(bào)酬。在提供服務(wù)時(shí)，調(diào)度中心/LA 會(huì)通知用戶動(dòng)作并支付相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。輔助服務(wù)市場(chǎng)下，用戶收益不穩(wěn)定，其收益與控制緊急程度以及控制參與度緊密相連。

作為獨(dú)立的用戶單元，中小型用戶通過(guò)聚合的方式參與市場(chǎng)互動(dòng)為自己爭(zhēng)取更多的收益，以克服自身無(wú)法對(duì)交易產(chǎn)生影響的弊端。

文獻(xiàn)［31］通過(guò)LA 聚合用戶負(fù)荷，并利用Stackelberg 博弈描述LA 和用戶之間的博弈。該方法中所有參與者均能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的最優(yōu)控制目標(biāo)，但是由于用戶行為會(huì)和LA/調(diào)度中心產(chǎn)生交互，相應(yīng)的策略構(gòu)建較為復(fù)雜。

2 溫控負(fù)荷聚合模型

溫控負(fù)荷通常以負(fù)荷群形式出現(xiàn)，集體向電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。若在控制過(guò)程中仍采用溫控負(fù)荷獨(dú)立模型進(jìn)行計(jì)算，調(diào)度中心的計(jì)算和通信壓力會(huì)顯著增加。并且獨(dú)立模型難以反映負(fù)荷群的總體運(yùn)行特性，這將導(dǎo)致負(fù)荷群控制難度增加。因而學(xué)者對(duì)溫控負(fù)荷聚合模型的關(guān)注超越了對(duì)獨(dú)立模型的關(guān)注，合適的聚合模型能夠直接嵌入調(diào)度模型中參與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化和控制。本章對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫控負(fù)荷聚合模型建模的研究進(jìn)行分類，從定頻類模型和變頻類模型的角度梳理了常見(jiàn)聚合模型的聚合思路與優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 定頻類聚合模型

定頻類聚合模型通常依托于等效熱參數(shù)模型推導(dǎo)得到，該模型采用集中參數(shù)法（熱容、熱阻等）建立溫控負(fù)荷用電功率與環(huán)境溫度、能效比、時(shí)間的關(guān)系，適用于居民或小型商業(yè)建筑的冷/熱負(fù)荷建模，其一階模型如式（1）［32］所示。

式中:CA為溫控負(fù)荷的等效熱容；θa(t)和θa，out(t)分別為t時(shí)刻的室內(nèi)溫度和室外溫度；RA為溫控負(fù)荷的等效熱阻；SA(t)為t時(shí)刻溫控負(fù)荷的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；QAC為溫控負(fù)荷的制冷/制熱功率；Δt為無(wú)窮小時(shí)滯；θ+和θ-分別為溫控負(fù)荷切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)的室內(nèi)溫度上、下限。

1）基于蒙特卡洛模擬的聚合模型

基于蒙特卡洛模擬的聚合模型利用蒙特卡洛法對(duì)負(fù)荷群參數(shù)進(jìn)行抽樣建立，該模型原理簡(jiǎn)單因而被廣泛使用［33］。蒙特卡洛聚合模型的精度依賴于多次抽樣，模型精度隨負(fù)荷數(shù)量的增加而提高。但是依據(jù)蒙特卡洛法得到的聚合功率曲線無(wú)法直接嵌入電力系統(tǒng)相關(guān)模型，且當(dāng)需要仿真的群體過(guò)大時(shí)，計(jì)算效率會(huì)受到影響。

2）基于狀態(tài)序列的聚合模型

基于狀態(tài)序列的聚合模型（簡(jiǎn)稱狀態(tài)隊(duì)列模型）將溫度死區(qū)劃分為多個(gè)溫度狀態(tài)，通過(guò)對(duì)各個(gè)溫度狀態(tài)的概率求解獲得負(fù)荷群聚合功率的變化過(guò)程［34］。式（2）計(jì)算了當(dāng)溫控負(fù)荷在各溫度狀態(tài)間均勻分布時(shí)負(fù)荷群的聚合功率。狀態(tài)隊(duì)列模型的計(jì)算獨(dú)立于負(fù)荷數(shù)量，因而計(jì)算量大大減少，實(shí)用性較強(qiáng)［35］；但是該模型過(guò)于簡(jiǎn)化，難以精確描述功率演變過(guò)程?；诖?，文獻(xiàn)［36］建立了變狀態(tài)數(shù)狀態(tài)隊(duì)列模型，提升了模型描述負(fù)荷群功率演變過(guò)程的精度。文獻(xiàn)［37］基于狀態(tài)隊(duì)列模型對(duì)聚合負(fù)荷群的功率反彈特性進(jìn)行了研究。

式中:E(·)表示求期望函數(shù)；Pagg為溫控負(fù)荷群的聚合功率；Non為開(kāi)狀態(tài)的溫控負(fù)荷數(shù)量；P為溫控負(fù)荷功率；non為開(kāi)狀態(tài)數(shù)量；nT為總狀態(tài)數(shù)量；N為溫控負(fù)荷數(shù)量。

3）基于?？似绽士硕ɡ淼木酆夏Ｐ?/p>

基于?？似绽士硕ɡ淼木酆夏Ｐ透鶕?jù)負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中的電功率變化及熱傳遞過(guò)程，基于能量守恒原則，通過(guò)解析方法求解負(fù)荷群的運(yùn)行特性［38］。式（3）—式（4）描述了制冷模式下負(fù)荷群開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程［39］。該模型具有物理依據(jù)且能夠描述具有隨機(jī)分布的負(fù)荷群功率特性，但是仍存在2 個(gè)弊端:1）除特殊情況外，很難獲得Fokker-Planck 偏微分方程的解析式閉合解；2）求解方程時(shí)須在時(shí)間和空間上對(duì)其進(jìn)行離散化，離散化時(shí)會(huì)丟失一部分信息［40］。文獻(xiàn)［41］利用Fokker-Planck 偏微分方程求解空調(diào)群的演變過(guò)程。文獻(xiàn)［42-43］提出耦合Fokker-Planck 描述負(fù)荷群的有功控制特性。

式中:f1(Ti，t)和f0(Ti，t)分別為t時(shí)刻溫控負(fù)荷群在開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)下的概率密度；F1(Ti)和F0(Ti)分別為開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)下室內(nèi)溫度的負(fù)梯度；Ti為室內(nèi)溫度；σ為維納過(guò)程的方差。

4）基于虛擬電池模型的聚合模型

基于虛擬電池模型的聚合模型將負(fù)荷在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的運(yùn)行視為虛擬電池的充放電模式，并根據(jù)負(fù)荷參數(shù)和外界變量確定電池的容量［44］。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相關(guān)參數(shù)易于推導(dǎo)，且能較好地表征負(fù)荷群整體運(yùn)行特性，因而近年來(lái)學(xué)者對(duì)其的研究逐漸深入。文獻(xiàn)［45］將溫控負(fù)荷群聚合成通用的電池模型，指出通用的電池模型B 是信號(hào)u（t）的集合，u（t）需要滿足式（5）。文獻(xiàn)［46-47］根據(jù)負(fù)荷群不同的運(yùn)行特性將溫控負(fù)荷聚合成不同的虛擬電池模型向系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。

式中:C為電池能量容量；n+和n-分別為電池電量u(t)的上、下限；α為電池的耗散率；x(t)為t時(shí)刻電池電量。

5）基于population-bin 的聚合模型

基于population-bin 的聚合模型以二階等效熱參數(shù)（ETP）模型為基礎(chǔ)，將空氣溫度和質(zhì)量溫度分別劃為若干等份并制成網(wǎng)格，在網(wǎng)格中利用離散的線性時(shí)不變系統(tǒng)模擬負(fù)荷群變化。該模型能夠準(zhǔn)確地捕捉長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)范圍內(nèi)負(fù)荷的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；但是該模型在應(yīng)用中也存在模型較為復(fù)雜且不易移植的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)控制策略的要求也較高［48］。文獻(xiàn)［49］提出了考慮負(fù)荷異質(zhì)性的二階population-bin模型以更準(zhǔn)確地描述負(fù)荷集體響應(yīng)的動(dòng)態(tài)瞬間。

6）基于馬爾可夫鏈的聚合模型

溫控負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中的溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有馬爾可夫性，即未來(lái)只與現(xiàn)在有關(guān)，與過(guò)去無(wú)關(guān)。因而學(xué)者常將集群中負(fù)荷的溫度分布劃分為若干區(qū)間，并利用馬爾可夫鏈描述各區(qū)間溫控負(fù)荷數(shù)量變遷的動(dòng)態(tài)過(guò)程［50］。基于馬爾可夫鏈的聚合模型能夠?qū)酆夏Ｐ偷臓顟B(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算精度較高。但是常規(guī)馬爾可夫模型的應(yīng)用存在若干限制，例如需要收集負(fù)荷的模型參數(shù)和用戶偏好，只能針對(duì)參數(shù)相同的同類型溫控負(fù)荷。針對(duì)該限制，文獻(xiàn)［51］提出可用于異構(gòu)溫控負(fù)荷群的擴(kuò)展馬爾可夫模型為電力系統(tǒng)提供支持。基于馬爾可夫鏈的模型建模過(guò)程較為復(fù)雜且不同文獻(xiàn)中的建模思路區(qū)別較大，因此不在此處列舉。

除了以上幾種常見(jiàn)的聚合模型，還有一些其他的聚合模型如基于狀態(tài)空間的聚合模型等［52］。考慮到計(jì)算和實(shí)踐的約束，這些模型的使用頻率有限，因而不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 變頻類聚合模型

變頻類聚合模型的代表是變頻空調(diào)模型，其市場(chǎng)占有率逐年升高，因而對(duì)利用變頻空調(diào)提供電力輔助服務(wù)的研究也逐漸增多。變頻空調(diào)模型由熱力學(xué)模型和電氣模型組成，其功率消耗主要由壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生，壓縮機(jī)運(yùn)行功率和其運(yùn)行頻率相關(guān)［53］。式（6）—式（7）分別描述了變頻空調(diào)運(yùn)行功率、制冷量與運(yùn)行頻率的關(guān)系。

式中:PAC和QAC分別為空調(diào)功率和制冷量；f為壓縮機(jī)頻率；m、n、a、b、c為系數(shù)。

變頻空調(diào)利用變頻器控制室溫變化，一般以室溫Tin與溫度設(shè)定值Tset的差值ΔT作為確定壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的依據(jù)，ΔT較大時(shí)變頻空調(diào)以較高頻率運(yùn)行，提高排氣量，增加空調(diào)制冷能力；接近設(shè)定溫度時(shí)則低頻運(yùn)行［54］。其常規(guī)變頻策略如下:

式中:ft為t時(shí)刻的運(yùn)行頻率；fmax和fmin分別為空調(diào)頻率上、下限；T+和T-為某固定值；K為系數(shù)。

由于變頻空調(diào)廣泛投入使用的時(shí)間不久，因而對(duì)其聚合模型的研究較少，通常采用蒙特卡洛法［55］和虛擬電池模型進(jìn)行聚合［56］。文獻(xiàn)［57］根據(jù)不同的控制方法將變頻空調(diào)分別聚合為功率型電池模型和容量型電池模型，并用于平抑風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)。

3 溫控負(fù)荷響應(yīng)特性分析

溫控負(fù)荷獨(dú)特的響應(yīng)特性使其能夠向系統(tǒng)提供多種輔助服務(wù)，本章從響應(yīng)潛力、響應(yīng)速度以及調(diào)控時(shí)間尺度3 個(gè)方面對(duì)溫控負(fù)荷的響應(yīng)特性進(jìn)行分析。由于分析過(guò)程中涉及第4 章的部分概念，為便于讀者閱讀，在此對(duì)其做簡(jiǎn)要介紹，具體的概念介紹和比較詳見(jiàn)第4 章。終端層指的是落實(shí)溫控負(fù)荷控制策略的負(fù)荷層面，在此層面上用于控制溫控負(fù)荷的方法分為開(kāi)關(guān)控制、溫度控制和周期性啟停；用于控制溫控負(fù)荷的架構(gòu)為集中控制、分散控制和混合控制。圖2 展示了響應(yīng)特性分析框架。圖中“?”表示優(yōu)先于。

圖2 溫控負(fù)荷響應(yīng)特性分析框架Fig.2 Analysis framework of response characteristics for thermostatically controlled loads

3.1 響應(yīng)潛力分析

溫控負(fù)荷的響應(yīng)潛力與控制方法、控制策略、受控群體規(guī)模以及外界環(huán)境因素均相關(guān)。相較而言，開(kāi)關(guān)控制的響應(yīng)潛力＞周期性啟停的響應(yīng)潛力＞溫度控制的響應(yīng)潛力?？刂撇呗灾锌紤]的約束條件越復(fù)雜，負(fù)荷群在受控過(guò)程中保持的溫度狀態(tài)異質(zhì)性越高，其響應(yīng)潛力越低。如考慮負(fù)荷的鎖定時(shí)間［58］和臨界狀態(tài)［26］均會(huì)不同程度地降低負(fù)荷群響應(yīng)潛力。負(fù)荷群的規(guī)模越大，響應(yīng)潛力也越大。外界環(huán)境因素不僅局限于環(huán)境溫度，還包括相對(duì)濕度、風(fēng)速、云層分布以及氣溫的累積效應(yīng)等。

文獻(xiàn)［59］利用隨機(jī)變量描述溫控負(fù)荷的運(yùn)行特性，并使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估大量類似設(shè)備的控制潛力。該文獻(xiàn)所提方案對(duì)傳感、通信的要求較低，但是需要在每一個(gè)負(fù)荷中都嵌入控制邏輯，因而評(píng)估規(guī)模受到限制。文獻(xiàn)［60］將單個(gè)溫控負(fù)荷的功率靈活性建模為一個(gè)多面體，并用多面體的閔可夫斯基和表示總體調(diào)節(jié)潛力。文獻(xiàn)［61］提出一種廣義電池模型描述居民溫控負(fù)荷和商業(yè)樓HVAC 系統(tǒng)的靈活性。文獻(xiàn)［62］開(kāi)發(fā)了一種相位模型，能夠評(píng)估當(dāng)應(yīng)用溫控負(fù)荷提供不同時(shí)間尺度輔助服務(wù)時(shí)的調(diào)節(jié)容量。由上述文獻(xiàn)可看出，精確的響應(yīng)潛力評(píng)估依賴具體的負(fù)荷數(shù)據(jù)，因而評(píng)估規(guī)模受限。而對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)依賴度不高的方法則犧牲了部分評(píng)估準(zhǔn)確度。

3.2 響應(yīng)速度分析

溫控負(fù)荷的響應(yīng)速度從毫秒級(jí)到秒級(jí)不等，其響應(yīng)速度與采用的控制方法以及控制架構(gòu)相關(guān)。響應(yīng)速度在控制架構(gòu)中的排序?yàn)?分散控制?混合控制?集中控制。分散控制中，本地控制端可根據(jù)接收的信號(hào)自主決策，避免了通信延遲和控制中心計(jì)算并下達(dá)指令引起的延遲，因而響應(yīng)速度最快。集中控制架構(gòu)下溫控負(fù)荷的響應(yīng)速度最慢，因?yàn)槭芸刎?fù)荷需要等待控制中心作出決策并下發(fā)指令，響應(yīng)時(shí)間中包含了決策時(shí)間和通信時(shí)間。文獻(xiàn)［16，55］基于分散控制架構(gòu)提出了不同的本地判斷方法，以快速地提供頻率輔助服務(wù)。

響應(yīng)速度在控制方法中的排序?yàn)?開(kāi)關(guān)控制?周期性啟停?溫度控制。當(dāng)改變負(fù)荷的溫度設(shè)定值后，部分負(fù)荷需要再運(yùn)行一段時(shí)間才會(huì)發(fā)生功率的改變。在下達(dá)控制指令和控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中存在一定的延時(shí)，因此響應(yīng)速度最慢。

3.3 調(diào)控時(shí)間尺度及匹配的輔助服務(wù)

溫控負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)控的時(shí)間尺度靈活，從實(shí)時(shí)（秒級(jí)）、分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)不等，不同時(shí)間尺度的溫控負(fù)荷控制能針對(duì)性地提供不同的輔助服務(wù)。

3.3.1 實(shí)時(shí)（秒級(jí)）溫控負(fù)荷控制

秒級(jí)溫控負(fù)荷控制能夠提供快速的功率響應(yīng)，但是在保證用戶舒適度的情況下無(wú)法對(duì)功率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整。因而常用于提供調(diào)頻方面的輔助服務(wù)，例如一、二次調(diào)頻和緊急頻率控制。利用溫控負(fù)荷提供調(diào)頻服務(wù)能夠減少系統(tǒng)對(duì)發(fā)電側(cè)備用容量的要求，且價(jià)格低廉的溫控負(fù)荷控制有利于進(jìn)一步提升控制的經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)［32］依據(jù)頻率偏差值觸發(fā)溫控負(fù)荷提供一次調(diào)頻服務(wù)。該文獻(xiàn)所提方案的響應(yīng)速度很快，但是需要給負(fù)荷設(shè)置不同的頻率觸發(fā)閾值，可能會(huì)造成觸發(fā)閾值小的負(fù)荷被頻繁調(diào)用。基于此，文獻(xiàn)［55］提出自動(dòng)觸發(fā)的變頻空調(diào)控制方法向系統(tǒng)提供一次調(diào)頻服務(wù)，通過(guò)隨機(jī)觸發(fā)負(fù)荷動(dòng)作保證負(fù)荷觸發(fā)的公平性。文獻(xiàn)［63］協(xié)調(diào)多個(gè)LA 及受控負(fù)荷向系統(tǒng)提供秒級(jí)二次調(diào)頻服務(wù)，有效解決了負(fù)荷聚合器的擾動(dòng)問(wèn)題，但是對(duì)調(diào)度中心發(fā)布信號(hào)的及時(shí)性和可靠性要求較高。文獻(xiàn)［64］利用HVAC 系統(tǒng)進(jìn)行控制，可在室內(nèi)環(huán)境幾乎沒(méi)有變化的情況下快速提供大量頻率調(diào)節(jié)容量。

3.3.2 分鐘級(jí)溫控負(fù)荷控制

分鐘級(jí)溫控負(fù)荷控制通常用于改變負(fù)荷側(cè)需求，使需求跟隨發(fā)電量從而最大程度地提高電力系統(tǒng)的可靠性。因而常用于提供功率追隨方面的輔助服務(wù)，如平抑新能源發(fā)電波動(dòng)、減少系統(tǒng)過(guò)載、提供旋轉(zhuǎn)備用和節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)整［65］等。

文獻(xiàn)［66］提出基于溫控負(fù)荷多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制方法，不僅有效緩解了微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，而且考慮了用戶隱私和調(diào)度經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［67］通過(guò)改變聚合的電熱水器的溫度設(shè)定值消納風(fēng)能。文獻(xiàn)［68-69］建立了不同的能量管理策略，利用溫控負(fù)荷的調(diào)節(jié)潛力平抑了新能源發(fā)電產(chǎn)生的功率波動(dòng)。文獻(xiàn)［68-69］所提方案均考慮了調(diào)節(jié)成本，有利于該服務(wù)長(zhǎng)期施行，但是文獻(xiàn)［69］沒(méi)有考慮調(diào)節(jié)過(guò)程中溫控負(fù)荷具體的控制策略。

3.3.3 小時(shí)級(jí)溫控負(fù)荷控制

小時(shí)級(jí)溫控負(fù)荷控制對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度較慢，但是控制維持的時(shí)間較長(zhǎng)［70］，常用于提供改變功率曲線分布方面的輔助服務(wù)，例如削峰填谷［71］、輸電網(wǎng)重構(gòu)［72］、優(yōu)化功率曲線等。

文獻(xiàn)［73-74］分別通過(guò)設(shè)置負(fù)荷的溫度控制區(qū)間和以整數(shù)形式改變負(fù)荷溫度設(shè)定值的方法降低夏季尖峰時(shí)刻用電量。文獻(xiàn)［71］依據(jù)用戶意愿將負(fù)荷群按照不同的溫度設(shè)定值改變幅度分組，并建立優(yōu)化模型以實(shí)現(xiàn)功率曲線調(diào)整。該文獻(xiàn)所提方案充分考慮了用戶意愿，且考慮了調(diào)度中心和LA 層級(jí)的收益。文獻(xiàn)［75］針對(duì)工業(yè)溫控負(fù)荷提出一種管理框架，能夠有效降低工廠的電力成本和峰值需求。該框架可推廣到其他類型工廠，但是對(duì)數(shù)據(jù)的需求較高，需要收集多個(gè)組成部分的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［76］提出基于分時(shí)電價(jià)的調(diào)峰機(jī)制，進(jìn)一步減少了居民用戶用電成本并降低其負(fù)荷峰值。該文獻(xiàn)所提方案控制效果顯著，但是需要對(duì)居民用戶加裝家庭能量管理系統(tǒng)，且居民用戶和調(diào)度中心之間存在多次信息交換，對(duì)通信和設(shè)施的要求均較高。

將不同調(diào)控時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的輔助服務(wù)類型列于表1，其中僅歸納常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 不同調(diào)控時(shí)間尺度的溫控負(fù)荷控制主要提供的輔助服務(wù)類型Table 1 Types of auxiliary services provided by thermostatically controlled load control with different control time scales

4 終端層控制方法及架構(gòu)

溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)調(diào)控策略貫穿了策略目標(biāo)的分解、策略制定、策略落實(shí)。首先，調(diào)度中心根據(jù)期望的策略控制目標(biāo)可以確定控制機(jī)制（基于價(jià)格的機(jī)制和基于激勵(lì)的機(jī)制）和終端層方法（控制方法和控制架構(gòu)）。其次，調(diào)度中心制定策略時(shí)會(huì)提出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，如價(jià)格信號(hào)、頻率信號(hào)、直接指令等，控制信號(hào)的選擇往往和控制機(jī)制的類型有關(guān)。當(dāng)調(diào)度中心執(zhí)行策略時(shí)，會(huì)將生成的控制信號(hào)發(fā)送給負(fù)荷；負(fù)荷接收信號(hào)后動(dòng)作，從而落實(shí)控制策略的執(zhí)行。

本章介紹針對(duì)負(fù)荷終端的控制方法和控制架構(gòu)。圖3 展示了終端層控制方法及架構(gòu)框架。

圖3 終端層控制方法及架構(gòu)框架Fig.3 Control method and architecture framework of terminal layer

4.1 控制方法

開(kāi)關(guān)控制、溫度控制以及周期性啟停控制是控制溫控負(fù)荷的主要方法。溫控負(fù)荷的控制機(jī)制和控制方法是從不同角度劃分的，因而可能存在內(nèi)容重疊部分，如文獻(xiàn)［77］中的策略既屬于DLC，也應(yīng)用了開(kāi)關(guān)控制。控制機(jī)制和控制方法的區(qū)別在于:控制方法直接應(yīng)用于每一個(gè)受控負(fù)荷，是負(fù)荷層面的。不管采取何種控制策略/控制機(jī)制，最后都需要通過(guò)這3 種控制方法落實(shí)到設(shè)備執(zhí)行。

4.1.1 開(kāi)關(guān)控制

開(kāi)關(guān)控制通過(guò)切換負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)改變負(fù)荷群的聚合功率，從而提供輔助服務(wù)。調(diào)度中心根據(jù)不同的控制要求對(duì)受控負(fù)荷進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合，研究其觸發(fā)控制方式并評(píng)估其可用調(diào)節(jié)量。

文獻(xiàn)［55］針對(duì)受控負(fù)荷提出一種轉(zhuǎn)換時(shí)間區(qū)間方法使其可自主切換運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)［78］提出了一種溫控負(fù)荷單元隨機(jī)選擇模型以擴(kuò)大需求響應(yīng)集群規(guī)模。文獻(xiàn)［55，78］中提到的方法簡(jiǎn)化了LA 和溫控負(fù)荷單元之間的通信過(guò)程，但是對(duì)負(fù)荷端處理數(shù)據(jù)的要求較高；且由于涉及概率判斷，在小規(guī)模負(fù)荷群中應(yīng)用時(shí)誤差較大。文獻(xiàn)［79］利用開(kāi)關(guān)控制平滑電力系統(tǒng)的功率變化，該文獻(xiàn)涉及的算法計(jì)算效率高、實(shí)用性強(qiáng)，但是需要大量的高頻用戶數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［80］利用開(kāi)關(guān)控制向系統(tǒng)提供快速頻率調(diào)整，調(diào)頻效果較好，但是負(fù)荷需要頻繁接收調(diào)度中心的信號(hào)，通信的壓力較大。上述文獻(xiàn)表明，開(kāi)關(guān)控制方法下溫控負(fù)荷的響應(yīng)速度雖然很快，但是控制持續(xù)的有效時(shí)間較短，非常依賴雙向通信和系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)發(fā)布控制指令。

開(kāi)關(guān)控制涉及負(fù)荷的反復(fù)開(kāi)斷，若負(fù)荷被頻繁調(diào)用，則可能會(huì)造成內(nèi)部元件的磨損。對(duì)溫控負(fù)荷設(shè)置閉鎖約束能夠避免短時(shí)間同一負(fù)荷被多次調(diào)用。文獻(xiàn)［81］在向系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)容量時(shí)，考慮了溫控負(fù)荷的閉鎖時(shí)間以減少對(duì)內(nèi)部元件的磨損。文獻(xiàn)［82］提出基于改進(jìn)溫度優(yōu)先序列的空調(diào)負(fù)荷集群控制策略，有效降低了空調(diào)的啟停次數(shù)。

4.1.2 溫度控制

溫度控制通過(guò)改變負(fù)荷的溫度設(shè)定值來(lái)改變負(fù)荷群的聚合功率，其研究重點(diǎn)在于建立溫度設(shè)定值變化和聚合功率變化之間的聯(lián)系。對(duì)于定頻類負(fù)荷，溫度控制改變了其運(yùn)行占空比，間接地改變了負(fù)荷群聚合功率；對(duì)于變頻類負(fù)荷，溫度控制改變了其運(yùn)行功率，直接地改變了負(fù)荷群聚合功率。利用溫度控制向系統(tǒng)提供輔助服務(wù)通常有2 種實(shí)現(xiàn)途徑:1）向不同的負(fù)荷群指派不同的溫度設(shè)定值改變量，通過(guò)負(fù)荷群之間的組合實(shí)現(xiàn)期望的功率調(diào)節(jié)［72］；2）向同一負(fù)荷群在不同時(shí)間指派不同溫度設(shè)定值改變量以提供期望的功率調(diào)節(jié)［54］。

文獻(xiàn)［51］對(duì)負(fù)荷的溫度調(diào)節(jié)值進(jìn)行安排為系統(tǒng)提供備用容量。文獻(xiàn)［83］基于模型預(yù)測(cè)控制，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整溫控負(fù)荷的溫度設(shè)定值平衡光伏發(fā)電波動(dòng)。該方案的追隨效果較好，但是依賴于調(diào)度中心實(shí)時(shí)發(fā)布指令且未考慮用戶舒適度。文獻(xiàn)［17，53］針對(duì)變頻空調(diào)，分別基于實(shí)現(xiàn)途徑1 和2 提出控制策略平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，具有較高的功率跟蹤精度，但是均依賴于高頻控制信號(hào)。

溫度控制也存在一定的弊端，控制結(jié)束后負(fù)荷群聚合功率會(huì)產(chǎn)生較大的功率回彈。當(dāng)溫控負(fù)荷的溫度設(shè)定值發(fā)生變化后，負(fù)荷群處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的數(shù)量分布隨之變化，其溫度狀態(tài)分布的異質(zhì)性受到破壞［84］，因而聚合功率會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。減少此類功率回彈的核心在于恢復(fù)負(fù)荷群的運(yùn)行狀態(tài)至調(diào)控前，即保持控制前后的負(fù)荷群狀態(tài)分布一致。文獻(xiàn)［85-86］通過(guò)修改受控負(fù)荷的溫度上下限以近似恢復(fù)負(fù)荷群運(yùn)行狀態(tài)至受控前，從而避免在負(fù)荷恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生二次峰荷。

4.1.3 周期性啟停

周期性啟?？刂剖歉鶕?jù)用戶舒適度劃定溫度帶，改變負(fù)荷運(yùn)行溫度上下限，對(duì)負(fù)荷系統(tǒng)主機(jī)施以周期性啟停的控制［5］。文獻(xiàn)［87-88］基于高級(jí)測(cè)量體系，利用周期性啟?？刂粕虡I(yè)樓中央空調(diào)，顯著降低了電網(wǎng)高峰負(fù)荷。周期性啟停控制可與開(kāi)關(guān)控制相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)荷跟蹤效果［89］。相較而言，周期性啟停的策略設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因此該控制方法主要應(yīng)用于商業(yè)樓HVAC 系統(tǒng)。

4.1.4 控制手段比較

開(kāi)關(guān)控制的響應(yīng)速度很快，能夠瞬間改變負(fù)荷功率。但是開(kāi)關(guān)控制需要對(duì)負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)通信和計(jì)算能力的要求較高，且考慮到用戶舒適度，不適合長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用。溫度控制對(duì)用戶舒適度的影響較小，但是受控后負(fù)荷群的聚合功率變化速度較慢、變化過(guò)程較長(zhǎng)，且調(diào)節(jié)容量相對(duì)較小。周期性啟停控制兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)又有較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間尺度。不同控制方法間優(yōu)缺點(diǎn)的比較如表2 所示。

表2 溫控負(fù)荷的不同控制方法比較Table 2 Comparison among different control methods of thermostatically controlled loads

4.2 控制架構(gòu)

4.2.1 集中控制

集中控制指控制中心直接將控制信號(hào)發(fā)送到受控負(fù)荷。集中控制的控制精度很高，對(duì)通信的速度和安全性要求也較高，當(dāng)在大容量系統(tǒng)中應(yīng)用集中控制時(shí)需建設(shè)大量的通信通道。文獻(xiàn)［90］提出一種負(fù)荷集群控制策略引導(dǎo)用戶在系統(tǒng)正常運(yùn)行調(diào)度過(guò)程中改變負(fù)荷消耗。但是該文獻(xiàn)所提方案需要頻繁地向受控負(fù)荷發(fā)布指令。為降低集中控制過(guò)程中的通信量，文獻(xiàn)［91］設(shè)定調(diào)控策略，采取一次性下發(fā)模式以減少調(diào)度中心與受控負(fù)荷間的交互次數(shù)。

4.2.2 分散控制

分散控制將負(fù)荷控制的判斷機(jī)制下放到本地控制端，預(yù)先在本地控制終端設(shè)定一定的程序或者閾值，當(dāng)安裝于負(fù)荷側(cè)的繼電器檢測(cè)到重要參數(shù)變化時(shí)，負(fù)荷根據(jù)提前設(shè)定的策略動(dòng)作。分散控制的判斷過(guò)程通常在本地端口進(jìn)行，因而對(duì)通信的需求較低，響應(yīng)速度很快。但是分散控制的效果很大程度上受到用戶行為和檢測(cè)裝置誤差的影響，可能存在過(guò)響應(yīng)或欠響應(yīng)的情況。

文獻(xiàn)［92］設(shè)計(jì)了分散滑?？刂破鱽?lái)提供一次頻率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［93］利用分散控制在不產(chǎn)生功率回彈的情況下提供一次調(diào)頻服務(wù)。上述文獻(xiàn)中采用的均為開(kāi)環(huán)控制，未考慮分散控制過(guò)程中存在的控制偏差?；诖?，文獻(xiàn)［94］利用多目標(biāo)優(yōu)化方法優(yōu)化各負(fù)荷設(shè)置以最大程度地減少需要的負(fù)荷響應(yīng)量，并基于頻率響應(yīng)指標(biāo)觸發(fā)負(fù)荷的分散控制。該文獻(xiàn)所提方案有效提高了系統(tǒng)的閉環(huán)性能和穩(wěn)定裕度。

4.2.3 混合控制

混合控制結(jié)合了集中控制與分散控制的特征，其典型框架是“集中參數(shù)設(shè)置-分散決策”，如圖4 所示。其中LA 扮演了重要角色，LA 是協(xié)調(diào)大量中小規(guī)模用戶和電網(wǎng)控制中心的中間機(jī)構(gòu)［12］。LA 從調(diào)度中心獲取參數(shù)設(shè)定和調(diào)節(jié)要求，并將該要求發(fā)送給受控負(fù)荷，調(diào)整受控負(fù)荷的設(shè)定參數(shù)以使負(fù)荷能夠在不同的要求下實(shí)現(xiàn)期望的調(diào)節(jié)效果。LA 的存在使調(diào)度中心和受控負(fù)荷之間存在更多協(xié)調(diào)的可能性，并且減少了受控負(fù)荷群的體量，降低了控制難度。

圖4 混合控制模式Fig.4 Hybrid control mode

居民用戶一般直接通過(guò)LA 聚合。商業(yè)樓內(nèi)的HVAC 系統(tǒng)耗電可達(dá)建筑總能耗的40%～60%，通過(guò)合理規(guī)劃可使HVAC 系統(tǒng)的耗電量在指定時(shí)間和區(qū)間內(nèi)變化。此時(shí)商業(yè)樓扮演的就是LA 的角色，同樣也可以將多個(gè)樓宇的HVAC 系統(tǒng)通過(guò)LA聚合后進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控［95］。工業(yè)用戶中的大型HVAC 系統(tǒng)同理，既可以獨(dú)立承擔(dān)LA 的責(zé)任，也可以通過(guò)聚合參與調(diào)控。此外，溫控負(fù)荷相關(guān)的家電生產(chǎn)廠商可成為天然的LA。目前，生產(chǎn)廠商正在積極構(gòu)建服務(wù)云平臺(tái)，居民用戶提供輔助服務(wù)時(shí)，需將所轄溫控負(fù)荷通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接至對(duì)應(yīng)品牌的服務(wù)云平臺(tái)［96］。該模式既能整合大量溫控負(fù)荷資源，又能使生產(chǎn)廠商以及用戶獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。文獻(xiàn)［97］基于混合控制建立了兩階段控制模型參與能源市場(chǎng)交易。文獻(xiàn)［98］基于混合控制利用溫控負(fù)荷緩解微網(wǎng)社區(qū)光伏和負(fù)荷的變化。但是上述方案均存在較大的信息傳輸量，需要在控制中心與所有聚合體間建立通信網(wǎng)絡(luò)。基于此，文獻(xiàn)［99］提出以部分LA 間的本地通信替代控制中心與所有LA 間的上下層通信，從而降低對(duì)通信系統(tǒng)的要求。不同控制架構(gòu)間優(yōu)缺點(diǎn)的比較如表3 所示。

表3 溫控負(fù)荷的控制架構(gòu)比較Table 3 Comparison among different control architecture of thermostatically controlled loads

5 電網(wǎng)層控制策略制定

溫控負(fù)荷獨(dú)特的響應(yīng)特性是調(diào)度中心構(gòu)建不同控制策略的研究基礎(chǔ)，終端層控制方法是落實(shí)電網(wǎng)層控制策略的手段。不同的輔助服務(wù)衍生了多種控制策略，控制策略的多樣性發(fā)展能夠促進(jìn)能源供應(yīng)側(cè)成本上升與需求側(cè)成本較低矛盾的緩解，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，有利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本章從控制和優(yōu)化2 種制定策略的角度出發(fā)對(duì)溫控負(fù)荷的控制策略進(jìn)行總結(jié)與分析。

5.1 控制角度

從控制角度出發(fā)制定的策略應(yīng)用范圍較廣，因?yàn)樵擃惪刂撇呗灾贫ㄡ槍?duì)的目標(biāo)是某類受控群體或控制理論/技術(shù)。因此，在面對(duì)不同的負(fù)荷群時(shí)，只需要對(duì)控制策略做一些具體的改變，就可獲得較好效果。

5.1.1 均質(zhì)性控制和異質(zhì)性控制策略

溫控負(fù)荷控制既可以針對(duì)單一負(fù)荷群進(jìn)行，也可以拓展到多種負(fù)荷協(xié)同控制，其控制策略可以依據(jù)不同的控制群體分為異質(zhì)性控制和均質(zhì)性控制。不同種類的溫控負(fù)荷在運(yùn)行特性以及運(yùn)行時(shí)間分布等方面有所區(qū)別，合理協(xié)調(diào)不同種類的溫控負(fù)荷進(jìn)行控制能夠使受控負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)從而實(shí)現(xiàn)更有效的控制效果。相較而言，異質(zhì)性負(fù)荷控制的調(diào)節(jié)潛力更大、調(diào)節(jié)靈活性更強(qiáng)。此處提到的異質(zhì)性負(fù)荷針對(duì)的是負(fù)荷種類，而第3 章提到的負(fù)荷群溫度狀態(tài)異質(zhì)性中的異質(zhì)性針對(duì)的是同一負(fù)荷群內(nèi)不同負(fù)荷的溫度狀態(tài)，二者概念有所不同。

廣義的異構(gòu)負(fù)荷概念主要包含設(shè)備、用戶和社區(qū)（代理）3 個(gè)層面，狹義的概念主要指設(shè)備層面，即異構(gòu)設(shè)備。異構(gòu)設(shè)備又被區(qū)分為類型和參數(shù)2 種異構(gòu)方式，通常不同種類的負(fù)荷構(gòu)成類型異構(gòu)，相同種類但固有參數(shù)不同的負(fù)荷構(gòu)成參數(shù)異構(gòu)。但是當(dāng)不同種類的負(fù)荷被描述成同一模型時(shí)，類型異構(gòu)的負(fù)荷構(gòu)成等效群體，此時(shí)表現(xiàn)為參數(shù)異構(gòu)。例如熱水器、空調(diào)等溫控負(fù)荷在同階物理模型描述下僅體現(xiàn)為參數(shù)上的差異性，而通常熱水器與HVAC 系統(tǒng)無(wú)法用同一模型描述，體現(xiàn)為類型異構(gòu)［100］。

均質(zhì)性控制的控制對(duì)象常局限于同一種負(fù)荷，在調(diào)節(jié)潛力和靈活性方面弱于異質(zhì)性控制。但是對(duì)均質(zhì)性控制的研究必不可少:1）不同的溫控負(fù)荷擅長(zhǎng)提供不同的輔助服務(wù)，針對(duì)特定負(fù)荷群研究相應(yīng)的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)事半功倍的控制效果；2）均質(zhì)性控制難度低于異質(zhì)性控制，對(duì)異質(zhì)性控制的研究可在均質(zhì)性控制研究的基礎(chǔ)上衍生得到。

文獻(xiàn)［48］分析了基于均質(zhì)性控制和異質(zhì)性控制的溫控負(fù)荷受控潛力。文獻(xiàn)［101］將異構(gòu)群體劃分為多個(gè)同構(gòu)集群，并采用狀態(tài)空間模型進(jìn)行建模。文獻(xiàn)［48，101］所提方案中將異質(zhì)性負(fù)荷按照參數(shù)近似分為不同的均質(zhì)性負(fù)荷組進(jìn)行研究從而降低研究難度。文獻(xiàn)［32，55］協(xié)調(diào)了2 種類型的溫控負(fù)荷參與調(diào)頻，利用不同負(fù)荷之間的功率分布互補(bǔ)特性向系統(tǒng)提供更多的頻率調(diào)節(jié)備用。文獻(xiàn)［102］提出了一種針對(duì)中央空調(diào)和電熱水器的聯(lián)合調(diào)控策略對(duì)新能源進(jìn)行消納。該策略避免了溫控負(fù)荷在消納新能源后的閑置現(xiàn)象，但是在研究過(guò)程中需要使用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型且需要對(duì)負(fù)荷控制優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，對(duì)數(shù)據(jù)采集和通信的需求較大。文獻(xiàn)［47］建立了面向異構(gòu)溫控負(fù)荷群的聯(lián)合調(diào)控方法，該方法可以被直接集成到系統(tǒng)調(diào)度工具中。

5.1.2 依托于計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的其他控制策略

當(dāng)前溫控負(fù)荷控制研究面臨著2 個(gè)難題，一是控制體量較大，實(shí)際控制中存在一定的控制偏差；二是控制效果和用戶行為緊密相關(guān)，存在一定的隨機(jī)性。成熟的控制理論和控制方法雖然能夠處理這些難題，但是控制效果有限。若要進(jìn)一步提高當(dāng)前控制精度，需要用更智能的方法識(shí)別并預(yù)測(cè)用戶響應(yīng)行為。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等對(duì)高維數(shù)據(jù)有著較強(qiáng)處理能力的手段是解決上述困難的新思路。

文獻(xiàn)［92］基于在線深度學(xué)習(xí)提出了需求響應(yīng)特性模型以提供一次調(diào)頻服務(wù)，所提模型在面對(duì)空調(diào)群內(nèi)部隨機(jī)性時(shí)展示了較好的調(diào)節(jié)性能。文獻(xiàn)［103］基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)建了包含LA 和樓宇級(jí)控制的調(diào)度架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了削峰能力和控制經(jīng)濟(jì)性的雙重提升，但是需要大量的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。文獻(xiàn)［104］提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫控負(fù)荷控制策略，能夠有效減小負(fù)荷追隨誤差。文獻(xiàn)［105］利用聚類算法對(duì)需求響應(yīng)效果進(jìn)行了充分挖掘，從而提升了需求響應(yīng)的效率并降低了電網(wǎng)側(cè)的計(jì)算量。但是該文獻(xiàn)中要求加裝智能家居管理終端且對(duì)雙向通信有較高的要求。由上述文獻(xiàn)可知，依托于新的計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展制定的策略能夠識(shí)別用戶行為并提升提供的輔助服務(wù)質(zhì)量，但是在學(xué)習(xí)過(guò)程中尚存在樣本不足以及學(xué)習(xí)效率不高等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)雙向通信也有較高的要求。

5.2 優(yōu)化角度

從優(yōu)化角度出發(fā)制定的控制策略具備一定的特殊性，通常是針對(duì)特定的控制要求制定相應(yīng)的控制策略。本節(jié)涉及的概念較多，為便于讀者理解，在圖5中對(duì)這些概念進(jìn)行初步的比較。

圖5 概念比較Fig.5 Concept comparison

5.2.1 單一時(shí)段優(yōu)化

單一時(shí)段優(yōu)化控制指的是在該時(shí)段內(nèi)盡全力實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果而不考慮其他時(shí)段因素，所得結(jié)果即為該時(shí)段最優(yōu)解。溫控負(fù)荷的單一時(shí)段優(yōu)化主要關(guān)注提供的輔助服務(wù)效果，其評(píng)價(jià)指標(biāo)包括頻率偏差、波動(dòng)偏差平均值、削峰比例等。

單一時(shí)段優(yōu)化控制的優(yōu)勢(shì)在于能最大限度地實(shí)現(xiàn)期望的控制效果；但是其缺點(diǎn)在于控制過(guò)程中僅考慮了部分因素，當(dāng)前時(shí)段的優(yōu)化結(jié)果可能會(huì)對(duì)其余時(shí)段的控制效果產(chǎn)生負(fù)面影響。且為了保證控制效果，控制策略的執(zhí)行通常依托于高級(jí)測(cè)量裝置和通信設(shè)施，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求較高。

文獻(xiàn)［42］以溫控負(fù)荷受控后產(chǎn)生的功率波動(dòng)最小為目標(biāo)，協(xié)調(diào)溫控負(fù)荷群穩(wěn)定地參與傳統(tǒng)緊急切負(fù)荷控制體系。文獻(xiàn)［83］提出模型預(yù)測(cè)控制方案控制溫控負(fù)荷平抑可再生能源發(fā)電波動(dòng)。文獻(xiàn)［106］以保障微網(wǎng)頻率穩(wěn)定為目標(biāo)，將溫控負(fù)荷控制和低頻減載結(jié)合，以較少的控制代價(jià)保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

5.2.2 長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化

長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制的目標(biāo)是找到一組滿足約束的變量使指定的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)，可分為一方主導(dǎo)性優(yōu)化和多方主導(dǎo)性優(yōu)化。長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化和單一時(shí)段優(yōu)化控制的區(qū)別在于更注重整體的協(xié)調(diào)，可能會(huì)犧牲部分控制精度以實(shí)現(xiàn)整體控制目標(biāo)最優(yōu)。例如單一時(shí)段優(yōu)化控制中提供的新能源平波服務(wù)通?？紤]的是精確的功率追隨，而長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化則會(huì)在較長(zhǎng)的控制時(shí)間段上對(duì)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分配，以實(shí)現(xiàn)整體較為精確的功率追隨效果。

1）一方主導(dǎo)性優(yōu)化

一方主導(dǎo)性優(yōu)化指的是僅根據(jù)某一方的控制需求制定最優(yōu)控制策略。該類型優(yōu)化常出現(xiàn)在主導(dǎo)交易的一方（購(gòu)買服務(wù)側(cè)）。一方主導(dǎo)性優(yōu)化一般應(yīng)用于控制時(shí)間較長(zhǎng)、控制量較大的輔助服務(wù)，通過(guò)在控制精度上的妥協(xié)獲得整體控制目標(biāo)的最優(yōu)。這類輔助服務(wù)具有較為寬裕的優(yōu)化空間且所涉及的調(diào)節(jié)容量較大，具有一定的優(yōu)化意義。

一方主導(dǎo)性優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于充分考慮了主導(dǎo)交易方的需求，并且其目標(biāo)函數(shù)可以包含多個(gè)目標(biāo)（例如控制效果和控制代價(jià)），所得策略解更具有實(shí)際意義。其弊端在于未考慮提供服務(wù)側(cè)的意愿，因而在實(shí)際執(zhí)行中可能會(huì)因?yàn)樘峁┓?wù)側(cè)的參與積極性不定而造成欠/過(guò)控制。

文獻(xiàn)［76］在綜合考慮用電成本、舒適度和調(diào)峰激勵(lì)的基礎(chǔ)上建立了居民用戶用電優(yōu)化策略。文獻(xiàn)［107］以最小化配電公司結(jié)算成本為目標(biāo)，統(tǒng)籌多時(shí)段運(yùn)行重構(gòu)和溫控負(fù)荷控制決策。文獻(xiàn)［108］根據(jù)用戶參與需求響應(yīng)的成本效益生成用戶的需求響應(yīng)函數(shù)并開(kāi)展投資優(yōu)化決策。文獻(xiàn)［107-108］分別從配電公司和用戶側(cè)進(jìn)行決策，沒(méi)有考慮其他參與主體對(duì)所制定策略的反應(yīng)。文獻(xiàn)［109］以最小化全系統(tǒng)運(yùn)行成本和主網(wǎng)下網(wǎng)絡(luò)功率波動(dòng)量為目標(biāo)，協(xié)調(diào)溫控負(fù)荷和電氣綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)［110］建立了參與調(diào)頻輔助服務(wù)的備用優(yōu)化與實(shí)時(shí)調(diào)度模型，在實(shí)時(shí)階段實(shí)現(xiàn)了LA 內(nèi)各用戶的功率優(yōu)化分配。

2）多方主導(dǎo)性優(yōu)化

多方主導(dǎo)性優(yōu)化指在充分考慮各個(gè)參與者目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上制定策略。電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場(chǎng)的參與者眾多，每一個(gè)參與者都希望實(shí)現(xiàn)自身目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)，因而傳統(tǒng)的一方主導(dǎo)性優(yōu)化在實(shí)際執(zhí)行中未必會(huì)達(dá)到理想效果。

多方主導(dǎo)性優(yōu)化通過(guò)協(xié)調(diào)多個(gè)主體優(yōu)化決策實(shí)現(xiàn)整體共贏。博弈論認(rèn)為參與者之間的決策互相影響，且能夠提供對(duì)參與者互動(dòng)時(shí)觀察到的現(xiàn)象的理解，因而適合求解多方主導(dǎo)性優(yōu)化?，F(xiàn)階段，針對(duì)電力需求側(cè)的博弈建模理論多是基于非合作博弈、合作博弈、Stackelberg 博弈，其次還有考慮不完全信息的貝葉斯博弈以及有限理性的演化博弈［111］。多方主導(dǎo)性優(yōu)化在各參與者的效用策略之間進(jìn)行博弈以優(yōu)化效用函數(shù)，而最優(yōu)效用函數(shù)則是問(wèn)題的解決方案。溫控負(fù)荷的博弈行為如圖6 所示。

圖6 溫控負(fù)荷參與電力市場(chǎng)的博弈行為Fig.6 Game behavior of thermostatically controlled loads in electricity market

多方主導(dǎo)性優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分滿足各個(gè)參與者的需求，實(shí)現(xiàn)多贏，對(duì)參與者的積極性有正面影響。但是該類優(yōu)化涉及博弈問(wèn)題，不一定每個(gè)建立的博弈問(wèn)題都有最優(yōu)解；同時(shí)由于參與者較多，求解難度較大。

文獻(xiàn)［31］在電力市場(chǎng)、LA 和用戶之間建立博弈以增加控制收益。文獻(xiàn)［112］協(xié)調(diào)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和負(fù)荷側(cè)參與者就資源交易進(jìn)行博弈使采購(gòu)總成本最小。文獻(xiàn)［113］提出了博弈的分層優(yōu)化模型，在RTP 情況下增加了LA 的收益。文獻(xiàn)［114］中提出的博弈模型能夠在保障居民用戶利益的前提下，有效降低售電公司的購(gòu)電成本及居民用戶負(fù)荷峰值。上述文獻(xiàn)針對(duì)市場(chǎng)參與者之間的互動(dòng)做出了最優(yōu)決策，但是在博弈過(guò)程中會(huì)涉及效用函數(shù)的定義問(wèn)題。博弈中設(shè)置的效用函數(shù)階數(shù)通常較低，未必能夠準(zhǔn)確描述參與者行為；且博弈模型可能存在不能收斂的問(wèn)題，因而無(wú)法得到最優(yōu)解。

6 未來(lái)的研究方向

許多學(xué)者對(duì)利用溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的研究已取得一定的成果，但是結(jié)合“雙碳”目標(biāo)，還有進(jìn)一步研究的空間。“雙碳”目標(biāo)提出后，國(guó)家電網(wǎng)有限公司指出源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)需共同發(fā)力以落實(shí)電力系統(tǒng)碳減排。本章結(jié)合“雙碳”目標(biāo)探討負(fù)荷側(cè)利用溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的未來(lái)研究方向。

6.1 完善溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制

“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)建設(shè)呈現(xiàn)高比例新能源特性，存在發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)能力受限、電網(wǎng)平衡能力不足的問(wèn)題。利用溫控負(fù)荷向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)能夠向系統(tǒng)提供一定的調(diào)節(jié)能力。目前，國(guó)內(nèi)已有部分省市制定了輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則，相關(guān)規(guī)則中明確指出市場(chǎng)交易主體包含提供綜合能源服務(wù)的第三方［7］。交易市場(chǎng)的參與主體已從傳統(tǒng)發(fā)電逐步擴(kuò)大到負(fù)荷側(cè)，因此應(yīng)加快研究利用LA 聚合溫控負(fù)荷資源參與輔助服務(wù)。利用LA 聚合溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)市場(chǎng)既能夠整合負(fù)荷側(cè)可調(diào)資源向系統(tǒng)提供更大的調(diào)節(jié)能力，又能以靈活的價(jià)格機(jī)制提升用戶參與調(diào)控的積極性，從而促進(jìn)溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的施行和持續(xù)。

6.2 建設(shè)溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)

目前溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)并不完善，而在未來(lái)的發(fā)展中綜合輔助服務(wù)、多類型負(fù)荷協(xié)調(diào)、跨區(qū)域輔助服務(wù)支援將成為必然趨勢(shì)，對(duì)雙向通信、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算服務(wù)提出了較高的需求，因此應(yīng)構(gòu)建溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)，包含完整的代理體系和完善的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)，中央相關(guān)會(huì)議多次提出大力推進(jìn)新基建，因此技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)可依據(jù)新基建的推進(jìn)而進(jìn)行。此外，該技術(shù)平臺(tái)應(yīng)具備與調(diào)控系統(tǒng)、市場(chǎng)交易系統(tǒng)的接口，與調(diào)控系統(tǒng)交互溫控負(fù)荷資源的可調(diào)潛力、調(diào)度中心下發(fā)的控制指令等信息，與市場(chǎng)交易系統(tǒng)交互市場(chǎng)申報(bào)、出清信息等。

6.3 適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的溫控負(fù)荷控制

落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的過(guò)程伴隨著新能源快速發(fā)展和新型用能設(shè)備廣泛接入。目前，對(duì)溫控負(fù)荷在高比例電力電子裝備環(huán)境下提供輔助服務(wù)的研究較少。高比例電力電子系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定性問(wèn)題和高比例可再生能源系統(tǒng)有所不同，若直接在不同系統(tǒng)間移植溫控負(fù)荷控制策略未必能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果。因此，溫控負(fù)荷控制需要考慮更多的應(yīng)用場(chǎng)景并在不同的場(chǎng)景下適應(yīng)性地做出改變。

此外，電力系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定問(wèn)題不唯一，當(dāng)前溫控負(fù)荷制定的控制策略通常僅提供一種類型的輔助服務(wù)，解決問(wèn)題的能力有限。考慮利用溫控負(fù)荷在同一控制框架下提供多種輔助服務(wù)不僅有利于全面維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)能夠避免不成體系的不同控制策略在執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)問(wèn)題。因此，如何控制負(fù)荷群在不同環(huán)境下提供多種輔助服務(wù)值得展開(kāi)研究。

6.4 多類型溫控負(fù)荷協(xié)調(diào)控制

國(guó)家電網(wǎng)有限公司在制定落實(shí)“雙碳”目標(biāo)行動(dòng)方案中多次提及要挖掘用戶側(cè)資源參與需求響應(yīng)的潛力［115］。目前，對(duì)溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的研究主要集中在同類負(fù)荷控制，對(duì)溫控負(fù)荷整體調(diào)節(jié)潛力的利用率不高。不同種類的溫控負(fù)荷存在運(yùn)行時(shí)間和分布空間上的互補(bǔ)特性，合理協(xié)調(diào)多種溫控負(fù)荷參與控制有利于進(jìn)一步挖掘溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的潛力。但是在協(xié)調(diào)多類型溫控負(fù)荷的過(guò)程中面臨控制責(zé)任和收益的分配問(wèn)題。因此，如何從控制方式、控制效果和控制效益上協(xié)調(diào)多類負(fù)荷提供輔助服務(wù)還需要進(jìn)一步研究。此外，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等多能流協(xié)調(diào)共存，多類型溫控負(fù)荷協(xié)調(diào)可和氣、煤等能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)供能，緩解電網(wǎng)平衡資源不足的壓力。

6.5 有限信息和隨機(jī)因素下的控制策略研究

隨著中國(guó)電力市場(chǎng)的發(fā)展，電力市場(chǎng)售電主體、交易模式逐漸多元化，控制策略的構(gòu)建需要考慮更多因素。在決策過(guò)程中，制定的優(yōu)化目標(biāo)通常會(huì)涉及各參與者的效用函數(shù)。然而，參與者準(zhǔn)確的效用函數(shù)都屬于隱私，一般不會(huì)給出。并且實(shí)際系統(tǒng)中難以獲取的未知信息不僅限于效用函數(shù)，還包括用電數(shù)據(jù)、負(fù)荷參數(shù)等。若仍采取以往的決策方式，帶入偏差數(shù)據(jù)后實(shí)際控制結(jié)果會(huì)與預(yù)期控制結(jié)果產(chǎn)生一定的偏離。隨著用戶隱私意識(shí)的加強(qiáng)，獲取大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的難度增加。因而，需在有限信息下實(shí)現(xiàn)控制策略的構(gòu)建，制定策略時(shí)如何準(zhǔn)確評(píng)估參與者的效用函數(shù)，如何考慮交易中存在的多種未知信息成為下一步的研究重點(diǎn)。

此外，數(shù)據(jù)量的減少使得用戶行為模式的辨識(shí)難度增加，用戶行為的隨機(jī)性增強(qiáng)。而新型電力系統(tǒng)建設(shè)下新能源占比的提高增強(qiáng)了發(fā)電隨機(jī)性。以往的控制策略在這種情況下很難發(fā)揮預(yù)期的控制效果。因而，如何在多種隨機(jī)因素下制定合適的控制策略是溫控負(fù)荷控制需要進(jìn)一步延伸的技術(shù)內(nèi)容。

7 結(jié)語(yǔ)

利用溫控負(fù)荷向電力系統(tǒng)提供多種輔助服務(wù)能夠有效緩解新型電力系統(tǒng)存在的平衡能力不足問(wèn)題。不僅提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，還加快了構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，能夠持續(xù)深化碳減排實(shí)施，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效手段之一。此外，多省出臺(tái)的輔助服務(wù)相關(guān)規(guī)則也表明了國(guó)家電網(wǎng)有限公司準(zhǔn)備深入挖掘負(fù)荷側(cè)提供輔助服務(wù)潛力的決心。本文從溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的參與機(jī)制、聚合模型、響應(yīng)特性、終端層控制方法及架構(gòu)、電網(wǎng)層控制策略制定5 個(gè)方面詳細(xì)梳理了溫控負(fù)荷在提供電力輔助服務(wù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)發(fā)展技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期為溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)提供技術(shù)支撐并為后續(xù)研究推進(jìn)提供參考。結(jié)合國(guó)內(nèi)目前的研究情況，本文提出以下建議。

1）結(jié)合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)化進(jìn)程完善溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，并發(fā)展建設(shè)溫控負(fù)荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)。

2）針對(duì)不同的場(chǎng)景開(kāi)發(fā)成體系的溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的控制策略。

3）結(jié)合綜合能源互聯(lián)網(wǎng)，協(xié)調(diào)多類型負(fù)荷控制以進(jìn)一步挖掘溫控負(fù)荷提供輔助服務(wù)的潛力。

4）加強(qiáng)對(duì)有限信息和考慮隨機(jī)因素下的溫控負(fù)荷控制策略研究。