姜婷玉，李亞平，江葉峰，周海強，鞠平

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

0 引言

碳排放問題是制約社會發(fā)展的全球性議題，2016 年全球178 個締約方共同簽署《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將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030 年前實現(xiàn)碳達峰，于2060 年前實現(xiàn)碳中和［1］（“雙碳”目標）?！半p碳”目標不僅為中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、可持續(xù)發(fā)展方向指明了道路方向，也體現(xiàn)了中國推動構(gòu)建人類命運共同體的大國擔(dān)當(dāng)［2］。

“雙碳”目標下的新型電力系統(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)濟運行等面臨發(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］。迫切需要引入負荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)運行，將電網(wǎng)調(diào)度模式由“源隨荷動”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸淳W(wǎng)荷儲協(xié)同互動”，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系統(tǒng)經(jīng)濟運行、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)實現(xiàn)“雙碳”目標的角度而言，利用溫控負荷向電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)具有重要意義。溫控負荷提供的輔助服務(wù)和傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的區(qū)別在于:發(fā)電調(diào)度嚴格遵循控制中心制定的發(fā)電計劃和指令，而溫控負荷提供輔助服務(wù)時不僅需要滿足控制中心下發(fā)的指令，還應(yīng)盡可能避免對用戶正常生活造成影響。因此，溫控負荷的控制策略更加靈活、復(fù)雜。合理的溫控負荷控制能夠經(jīng)濟地向電網(wǎng)提供各類輔助服務(wù)，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)運行效率；也能夠通過減少負荷側(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)濟效益和社會效益［5］，有利于“雙碳”目標的落實。

當(dāng)前，中國多個省市已出臺相關(guān)規(guī)則促進負荷側(cè)參與輔助服務(wù)市場，華北監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場規(guī)則（試行，2020 版）》，引入負荷側(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）市場交易規(guī)則（征求意見稿）》，交易主體擴大到儲能電站和綜合能源服務(wù)商［7］。多個規(guī)則的出臺表明將負荷側(cè)納入輔助服務(wù)的重要性和迫切性，下一步必然會將參與主體擴大至更多的負荷側(cè)資源，如溫控負荷。隨著輔助服務(wù)市場機制的發(fā)展、經(jīng)濟補償政策的完善以及高級測量體系和通信技術(shù)的發(fā)展，對溫控負荷提供輔助服務(wù)的研究將進一步深化，其控制規(guī)模也將進一步擴大。

本文在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從溫控負荷提供輔助服務(wù)的參與機制、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 個方面對溫控負荷提供電力系統(tǒng)輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進行綜述。最后，結(jié)合“雙碳”目標以及當(dāng)前研究現(xiàn)狀，對溫控負荷提供輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進行了展望。

1 參與機制

1.1 溫控負荷提供輔助服務(wù)的控制機制

了解溫控負荷提供輔助服務(wù)的控制機制對控制策略的構(gòu)建有重要影響。目前，各類文獻對溫控負荷提供輔助服務(wù)的控制機制分類不一，如文獻［8］將溫控負荷控制劃分為基于價格、基于拍賣和基于激勵3 種，而文獻［9］則將該控制機制劃分為直接負荷控制和基于價格控制2 類。這些文獻劃分控制機制的出發(fā)點不同，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)合美國聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）于2012 年發(fā)布的調(diào)查報告［10］，將溫控負荷提供輔助服務(wù)的機制分為2 類:基于價格的機制和基于激勵的機制。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］。具體控制機制分類如圖1所示，內(nèi)含不同機制對應(yīng)可提供的輔助服務(wù)類型（該分類僅描述常規(guī)對應(yīng)關(guān)系）。

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

1.1.1 基于價格的機制

基于價格的機制是指利用電價間接地引導(dǎo)用戶行為以實現(xiàn)預(yù)期的功率調(diào)整效果。通常利用實時電價（real-time pricing，RTP）對用戶行為進行引導(dǎo)，鼓勵用戶在電價高時減少消耗，在電價低時增加消耗。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)，反映了各時刻供應(yīng)與需求的變化關(guān)系，有利于市場風(fēng)險在供應(yīng)商與用戶之間進行合理分攤［12］，存在較大的規(guī)劃空間。因此，RTP 對大型工商業(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，對基礎(chǔ)設(shè)施要求較高；同時過高的通信需求也降低了居民用戶的參與積極性。

文獻［13］針對商業(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荷和用戶電費支出的同時保持用戶熱舒適度。然而這種控制效果建立在實時通信和準確的住宅建筑模型基礎(chǔ)之上。文獻［14］提出將RTP 和分時電價結(jié)合的定價機制，在最小化峰均比的基礎(chǔ)上，使定價政策的收益接近最優(yōu)。文獻［15］基于RTP 規(guī)劃了溫控負荷的用電模式以最小化用戶用電成本，在高峰時段可節(jié)約49%的電量。但是該方法需要通過WiFi 不斷地獲取溫控負荷狀態(tài)信息。由上述文獻可知，若要精確地利用RTP 引導(dǎo)溫控負荷實現(xiàn)預(yù)期控制目標，則對信息的收集、通信有較高的要求；而若不考慮以上需求，則很難準確實現(xiàn)期望的控制效果。

1.1.2 基于激勵的機制

在基于激勵的機制中，用戶提前和調(diào)度中心或負荷聚合商（load aggregator，LA）簽訂合約，并依據(jù)其在提供輔助服務(wù)過程中的表現(xiàn)獲取收益。基于激勵的機制可進一步分為經(jīng)典方案和基于市場的方案。在經(jīng)典方案中，用戶獲取的收益單價一般恒定；而在基于市場的方案下，用戶獲取的收益單價和實際控制情況有關(guān)。經(jīng)典方案包括直接負荷控制（direct load control，DLC）和可中斷/可削減（interruptible/curtailable，I/C）負荷，基于市場的方案包括緊急需求響應(yīng)（emergency demand response，EDR）和需求側(cè)競價（demand side bidding，DSB）。

在DLC 中，溫控負荷的功耗由調(diào)度中心通過中央控制器遠程控制［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［9］基于DLC 采用雙層魯棒控制框架控制溫控負荷，實現(xiàn)精確的負荷追隨。文獻［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)功率平衡問題。文獻［18］提出了基于能源信用分配的DLC 方法以降低系統(tǒng)高峰負荷。

I/C 負荷是指用戶通過接受停電概率而換取折扣電價補償或在實際停電后按合約賠償［19］。早期可中斷負荷主要針對大型工商業(yè)用戶，隨著第三產(chǎn)業(yè)和居民用電大幅增長，溫控負荷等智能可控家用電器可以作為I/C 負荷主要調(diào)控資源［20］。由于I/C負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［21］將可削減負荷引入多時間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度模型以消納風(fēng)電。文獻［22-23］建立了合適的可中斷負荷模型以降低高峰負荷并減少運行成本。文獻［24］指出可中斷負荷可用作非旋轉(zhuǎn)備用和事故備用。

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

DSB 適用于能夠參與市場調(diào)節(jié)容量競價的大用戶，電力需求方通過競價購得電能，用戶通過參與需求側(cè)競價使自身成為價格的決定者之一［27］。隨著市場機制的逐步發(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［28］根據(jù)耗電曲線對熱水器進行分類，并提出動態(tài)規(guī)劃策略以在關(guān)鍵時刻減少負荷峰值。文獻［29］針對不同類型的溫控負荷提出了基于虛擬價格的單獨需求曲線構(gòu)建策略以更好地提供調(diào)頻服務(wù)。文獻［30］利用非合作博弈描述不同類型用戶之間的互動，優(yōu)化了系統(tǒng)功率曲線。

1.2 溫控負荷參與輔助服務(wù)市場方式

參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場的溫控負荷主要采用的控制機制是EDR 和DSB。大用戶直接參與輔助服務(wù)市場交易，中小型用戶通過LA 聚合參與輔助服務(wù)市場交易。用戶在輔助服務(wù)市場中針對需要的輔助服務(wù)進行投標。若投標被接受，參與競標的用戶將因承諾隨時待命而獲得基礎(chǔ)報酬。在提供服務(wù)時，調(diào)度中心/LA 會通知用戶動作并支付相應(yīng)的經(jīng)濟補償。輔助服務(wù)市場下，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。

作為獨立的用戶單元，中小型用戶通過聚合的方式參與市場互動為自己爭取更多的收益，以克服自身無法對交易產(chǎn)生影響的弊端。

文獻［31］通過LA 聚合用戶負荷，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現(xiàn)設(shè)定的最優(yōu)控制目標，但是由于用戶行為會和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 溫控負荷聚合模型

溫控負荷通常以負荷群形式出現(xiàn)，集體向電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。若在控制過程中仍采用溫控負荷獨立模型進行計算，調(diào)度中心的計算和通信壓力會顯著增加。并且獨立模型難以反映負荷群的總體運行特性，這將導(dǎo)致負荷群控制難度增加。因而學(xué)者對溫控負荷聚合模型的關(guān)注超越了對獨立模型的關(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)級優(yōu)化和控制。本章對國內(nèi)外關(guān)于溫控負荷聚合模型建模的研究進行分類，從定頻類模型和變頻類模型的角度梳理了常見聚合模型的聚合思路與優(yōu)缺點。

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）建立溫控負荷用電功率與環(huán)境溫度、能效比、時間的關(guān)系，適用于居民或小型商業(yè)建筑的冷/熱負荷建模，其一階模型如式（1）［32］所示。

式中:CA為溫控負荷的等效熱容；θa(t)和θa，out(t)分別為t時刻的室內(nèi)溫度和室外溫度；RA為溫控負荷的等效熱阻；SA(t)為t時刻溫控負荷的開關(guān)狀態(tài)；QAC為溫控負荷的制冷/制熱功率；Δt為無窮小時滯；θ+和θ-分別為溫控負荷切換開關(guān)狀態(tài)時的室內(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負荷群參數(shù)進行抽樣建立，該模型原理簡單因而被廣泛使用［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)需要仿真的群體過大時，計算效率會受到影響。

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（簡稱狀態(tài)隊列模型）將溫度死區(qū)劃分為多個溫度狀態(tài)，通過對各個溫度狀態(tài)的概率求解獲得負荷群聚合功率的變化過程［34］。式（2）計算了當(dāng)溫控負荷在各溫度狀態(tài)間均勻分布時負荷群的聚合功率。狀態(tài)隊列模型的計算獨立于負荷數(shù)量，因而計算量大大減少，實用性較強［35］；但是該模型過于簡化，難以精確描述功率演變過程?；诖耍墨I［36］建立了變狀態(tài)數(shù)狀態(tài)隊列模型，提升了模型描述負荷群功率演變過程的精度。文獻［37］基于狀態(tài)隊列模型對聚合負荷群的功率反彈特性進行了研究。

式中:E(·)表示求期望函數(shù)；Pagg為溫控負荷群的聚合功率；Non為開狀態(tài)的溫控負荷數(shù)量；P為溫控負荷功率；non為開狀態(tài)數(shù)量；nT為總狀態(tài)數(shù)量；N為溫控負荷數(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)負荷運行過程中的電功率變化及熱傳遞過程，基于能量守恒原則，通過解析方法求解負荷群的運行特性［38］。式（3）—式（4）描述了制冷模式下負荷群開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)下的動態(tài)演化過程［39］。該模型具有物理依據(jù)且能夠描述具有隨機分布的負荷群功率特性，但是仍存在2 個弊端: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）求解方程時須在時間和空間上對其進行離散化，離散化時會丟失一部分信息［40］。文獻［41］利用Fokker-Planck 偏微分方程求解空調(diào)群的演變過程。文獻［42-43］提出耦合Fokker-Planck 描述負荷群的有功控制特性。

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

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荷在開關(guān)狀態(tài)下的運行視為虛擬電池的充放電模式，并根據(jù)負荷參數(shù)和外界變量確定電池的容量［44］。該模型結(jié)構(gòu)簡單、相關(guān)參數(shù)易于推導(dǎo)，且能較好地表征負荷群整體運行特性，因而近年來學(xué)者對其的研究逐漸深入。文獻［45］將溫控負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u（t）的集合，u（t）需要滿足式（5）。文獻［46-47］根據(jù)負荷群不同的運行特性將溫控負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不變系統(tǒng)模擬負荷群變化。該模型能夠準確地捕捉長時間預(yù)測范圍內(nèi)負荷的瞬態(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)雜且不易移植的問題，同時對控制策略的要求也較高［48］。文獻［49］提出了考慮負荷異質(zhì)性的二階population-bin模型以更準確地描述負荷集體響應(yīng)的動態(tài)瞬間。

6）基于馬爾可夫鏈的聚合模型

溫控負荷在運行過程中的溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有馬爾可夫性，即未來只與現(xiàn)在有關(guān)，與過去無關(guān)。因而學(xué)者常將集群中負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)間溫控負荷數(shù)量變遷的動態(tài)過程［50］。基于馬爾可夫鏈的聚合模型能夠?qū)酆夏Ｐ偷臓顟B(tài)進行預(yù)測，計算精度較高。但是常規(guī)馬爾可夫模型的應(yīng)用存在若干限制，例如需要收集負荷的模型參數(shù)和用戶偏好，只能針對參數(shù)相同的同類型溫控負荷。針對該限制，文獻［51］提出可用于異構(gòu)溫控負荷群的擴展馬爾可夫模型為電力系統(tǒng)提供支持?；隈R爾可夫鏈的模型建模過程較為復(fù)雜且不同文獻中的建模思路區(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］?？紤]到計算和實踐的約束，這些模型的使用頻率有限，因而不對其進行詳細介紹。

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，其市場占有率逐年升高，因而對利用變頻空調(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運行產(chǎn)生，壓縮機運行功率和其運行頻率相關(guān)［53］。式（6）—式（7）分別描述了變頻空調(diào)運行功率、制冷量與運行頻率的關(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作為確定壓縮機運行頻率的依據(jù)，ΔT較大時變頻空調(diào)以較高頻率運行，提高排氣量，增加空調(diào)制冷能力；接近設(shè)定溫度時則低頻運行［54］。其常規(guī)變頻策略如下:

式中:ft為t時刻的運行頻率；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)廣泛投入使用的時間不久，因而對其聚合模型的研究較少，通常采用蒙特卡洛法［55］和虛擬電池模型進行聚合［56］。文獻［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。

3 溫控負荷響應(yīng)特性分析

溫控負荷獨特的響應(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)控時間尺度3 個方面對溫控負荷的響應(yīng)特性進行分析。由于分析過程中涉及第4 章的部分概念，為便于讀者閱讀，在此對其做簡要介紹，具體的概念介紹和比較詳見第4 章。終端層指的是落實溫控負荷控制策略的負荷層面，在此層面上用于控制溫控負荷的方法分為開關(guān)控制、溫度控制和周期性啟停；用于控制溫控負荷的架構(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。控制策略中考慮的約束條件越復(fù)雜，負荷群在受控過程中保持的溫度狀態(tài)異質(zhì)性越高，其響應(yīng)潛力越低。如考慮負荷的鎖定時間［58］和臨界狀態(tài)［26］均會不同程度地降低負荷群響應(yīng)潛力。負荷群的規(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，還包括相對濕度、風(fēng)速、云層分布以及氣溫的累積效應(yīng)等。

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

3.2 響應(yīng)速度分析

溫控負荷的響應(yīng)速度從毫秒級到秒級不等，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)中的排序為: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)接收的信號自主決策，避免了通信延遲和控制中心計算并下達指令引起的延遲，因而響應(yīng)速度最快。集中控制架構(gòu)下溫控負荷的響應(yīng)速度最慢，因為受控負荷需要等待控制中心作出決策并下發(fā)指令，響應(yīng)時間中包含了決策時間和通信時間。文獻［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為:開關(guān)控制?周期性啟停?溫度控制。當(dāng)改變負荷的溫度設(shè)定值后，部分負荷需要再運行一段時間才會發(fā)生功率的改變。在下達控制指令和控制目標實現(xiàn)的過程中存在一定的延時，因此響應(yīng)速度最慢。

3.3 調(diào)控時間尺度及匹配的輔助服務(wù)

溫控負荷參與電網(wǎng)調(diào)控的時間尺度靈活，從實時（秒級）、分鐘級、小時級不等，不同時間尺度的溫控負荷控制能針對性地提供不同的輔助服務(wù)。

3.3.1 實時（秒級）溫控負荷控制

秒級溫控負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法對功率進行長時間的調(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。利用溫控負荷提供調(diào)頻服務(wù)能夠減少系統(tǒng)對發(fā)電側(cè)備用容量的要求，且價格低廉的溫控負荷控制有利于進一步提升控制的經(jīng)濟性。

文獻［32］依據(jù)頻率偏差值觸發(fā)溫控負荷提供一次調(diào)頻服務(wù)。該文獻所提方案的響應(yīng)速度很快，但是需要給負荷設(shè)置不同的頻率觸發(fā)閾值，可能會造成觸發(fā)閾值小的負荷被頻繁調(diào)用?；诖耍墨I［55］提出自動觸發(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)，通過隨機觸發(fā)負荷動作保證負荷觸發(fā)的公平性。文獻［63］協(xié)調(diào)多個LA 及受控負荷向系統(tǒng)提供秒級二次調(diào)頻服務(wù)，有效解決了負荷聚合器的擾動問題，但是對調(diào)度中心發(fā)布信號的及時性和可靠性要求較高。文獻［64］利用HVAC 系統(tǒng)進行控制，可在室內(nèi)環(huán)境幾乎沒有變化的情況下快速提供大量頻率調(diào)節(jié)容量。

3.3.2 分鐘級溫控負荷控制

分鐘級溫控負荷控制通常用于改變負荷側(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、減少系統(tǒng)過載、提供旋轉(zhuǎn)備用和節(jié)點電壓調(diào)整［65］等。

文獻［66］提出基于溫控負荷多時間尺度協(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，而且考慮了用戶隱私和調(diào)度經(jīng)濟性。文獻［67］通過改變聚合的電熱水器的溫度設(shè)定值消納風(fēng)能。文獻［68-69］建立了不同的能量管理策略，利用溫控負荷的調(diào)節(jié)潛力平抑了新能源發(fā)電產(chǎn)生的功率波動。文獻［68-69］所提方案均考慮了調(diào)節(jié)成本，有利于該服務(wù)長期施行，但是文獻［69］沒有考慮調(diào)節(jié)過程中溫控負荷具體的控制策略。

3.3.3 小時級溫控負荷控制

小時級溫控負荷控制對控制信號的響應(yīng)速度較慢，但是控制維持的時間較長［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［73-74］分別通過設(shè)置負荷的溫度控制區(qū)間和以整數(shù)形式改變負荷溫度設(shè)定值的方法降低夏季尖峰時刻用電量。文獻［71］依據(jù)用戶意愿將負荷群按照不同的溫度設(shè)定值改變幅度分組，并建立優(yōu)化模型以實現(xiàn)功率曲線調(diào)整。該文獻所提方案充分考慮了用戶意愿，且考慮了調(diào)度中心和LA 層級的收益。文獻［75］針對工業(yè)溫控負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，但是對數(shù)據(jù)的需求較高，需要收集多個組成部分的數(shù)據(jù)。文獻［76］提出基于分時電價的調(diào)峰機制，進一步減少了居民用戶用電成本并降低其負荷峰值。該文獻所提方案控制效果顯著，但是需要對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，對通信和設(shè)施的要求均較高。

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

表1 不同調(diào)控時間尺度的溫控負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)

溫控負荷參與輔助服務(wù)調(diào)控策略貫穿了策略目標的分解、策略制定、策略落實。首先，調(diào)度中心根據(jù)期望的策略控制目標可以確定控制機制（基于價格的機制和基于激勵的機制）和終端層方法（控制方法和控制架構(gòu)）。其次，調(diào)度中心制定策略時會提出對應(yīng)的控制信號，如價格信號、頻率信號、直接指令等，控制信號的選擇往往和控制機制的類型有關(guān)。當(dāng)調(diào)度中心執(zhí)行策略時，會將生成的控制信號發(fā)送給負荷；負荷接收信號后動作，從而落實控制策略的執(zhí)行。

本章介紹針對負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

開關(guān)控制、溫度控制以及周期性啟?？刂剖强刂茰乜刎摵傻闹饕椒ā乜刎摵傻目刂茩C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［77］中的策略既屬于DLC，也應(yīng)用了開關(guān)控制。控制機制和控制方法的區(qū)別在于:控制方法直接應(yīng)用于每一個受控負荷，是負荷層面的。不管采取何種控制策略/控制機制，最后都需要通過這3 種控制方法落實到設(shè)備執(zhí)行。

4.1.1 開關(guān)控制

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

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

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

4.1.2 溫度控制

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

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

溫度控制也存在一定的弊端，控制結(jié)束后負荷群聚合功率會產(chǎn)生較大的功率回彈。當(dāng)溫控負荷的溫度設(shè)定值發(fā)生變化后，負荷群處于開關(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］，因而聚合功率會出現(xiàn)較大的波動。減少此類功率回彈的核心在于恢復(fù)負荷群的運行狀態(tài)至調(diào)控前，即保持控制前后的負荷群狀態(tài)分布一致。文獻［85-86］通過修改受控負荷的溫度上下限以近似恢復(fù)負荷群運行狀態(tài)至受控前，從而避免在負荷恢復(fù)過程中產(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，改變負荷運行溫度上下限，對負荷系統(tǒng)主機施以周期性啟停的控制［5］。文獻［87-88］基于高級測量體系，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)高峰負荷。周期性啟停控制可與開關(guān)控制相結(jié)合以實現(xiàn)精確的負荷跟蹤效果［89］。相較而言，周期性啟停的策略設(shè)計較為復(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

開關(guān)控制的響應(yīng)速度很快，能夠瞬間改變負荷功率。但是開關(guān)控制需要對負荷狀態(tài)進行評估，對通信和計算能力的要求較高，且考慮到用戶舒適度，不適合長時間應(yīng)用。溫度控制對用戶舒適度的影響較小，但是受控后負荷群的聚合功率變化速度較慢、變化過程較長，且調(diào)節(jié)容量相對較小。周期性啟?？刂萍婢叨叩膬?yōu)點，既能實現(xiàn)快速響應(yīng)又有較長的調(diào)節(jié)時間尺度。不同控制方法間優(yōu)缺點的比較如表2 所示。

表2 溫控負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發(fā)送到受控負荷。集中控制的控制精度很高，對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)用集中控制時需建設(shè)大量的通信通道。文獻［90］提出一種負荷集群控制策略引導(dǎo)用戶在系統(tǒng)正常運行調(diào)度過程中改變負荷消耗。但是該文獻所提方案需要頻繁地向受控負荷發(fā)布指令。為降低集中控制過程中的通信量，文獻［91］設(shè)定調(diào)控策略，采取一次性下發(fā)模式以減少調(diào)度中心與受控負荷間的交互次數(shù)。

4.2.2 分散控制

分散控制將負荷控制的判斷機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)安裝于負荷側(cè)的繼電器檢測到重要參數(shù)變化時，負荷根據(jù)提前設(shè)定的策略動作。分散控制的判斷過程通常在本地端口進行，因而對通信的需求較低，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裝置誤差的影響，可能存在過響應(yīng)或欠響應(yīng)的情況。

文獻［92］設(shè)計了分散滑模控制器來提供一次頻率調(diào)節(jié)。文獻［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)。上述文獻中采用的均為開環(huán)控制，未考慮分散控制過程中存在的控制偏差。基于此，文獻［94］利用多目標優(yōu)化方法優(yōu)化各負荷設(shè)置以最大程度地減少需要的負荷響應(yīng)量，并基于頻率響應(yīng)指標觸發(fā)負荷的分散控制。該文獻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)送給受控負荷，調(diào)整受控負荷的設(shè)定參數(shù)以使負荷能夠在不同的要求下實現(xiàn)期望的調(diào)節(jié)效果。LA 的存在使調(diào)度中心和受控負荷之間存在更多協(xié)調(diào)的可能性，并且減少了受控負荷群的體量，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LA 聚合。商業(yè)樓內(nèi)的HVAC 系統(tǒng)耗電可達建筑總能耗的40%～60%，通過合理規(guī)劃可使HVAC 系統(tǒng)的耗電量在指定時間和區(qū)間內(nèi)變化。此時商業(yè)樓扮演的就是LA 的角色，同樣也可以將多個樓宇的HVAC 系統(tǒng)通過LA聚合后進行統(tǒng)一調(diào)控［95］。工業(yè)用戶中的大型HVAC 系統(tǒng)同理，既可以獨立承擔(dān)LA 的責(zé)任，也可以通過聚合參與調(diào)控。此外，溫控負荷相關(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，居民用戶提供輔助服務(wù)時，需將所轄溫控負荷通過互聯(lián)網(wǎng)連接至對應(yīng)品牌的服務(wù)云平臺［96］。該模式既能整合大量溫控負荷資源，又能使生產(chǎn)廠商以及用戶獲得可觀的經(jīng)濟收益。文獻［97］基于混合控制建立了兩階段控制模型參與能源市場交易。文獻［98］基于混合控制利用溫控負荷緩解微網(wǎng)社區(qū)光伏和負荷的變化。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)?；诖?，文獻［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，從而降低對通信系統(tǒng)的要求。不同控制架構(gòu)間優(yōu)缺點的比較如表3 所示。

表3 溫控負荷的控制架構(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

溫控負荷獨特的響應(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”目標的實現(xiàn)。本章從控制和優(yōu)化2 種制定策略的角度出發(fā)對溫控負荷的控制策略進行總結(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，因為該類控制策略制定針對的目標是某類受控群體或控制理論/技術(shù)。因此，在面對不同的負荷群時，只需要對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

溫控負荷控制既可以針對單一負荷群進行，也可以拓展到多種負荷協(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。不同種類的溫控負荷在運行特性以及運行時間分布等方面有所區(qū)別，合理協(xié)調(diào)不同種類的溫控負荷進行控制能夠使受控負荷的優(yōu)勢進行互補從而實現(xiàn)更有效的控制效果。相較而言，異質(zhì)性負荷控制的調(diào)節(jié)潛力更大、調(diào)節(jié)靈活性更強。此處提到的異質(zhì)性負荷針對的是負荷種類，而第3 章提到的負荷群溫度狀態(tài)異質(zhì)性中的異質(zhì)性針對的是同一負荷群內(nèi)不同負荷的溫度狀態(tài)，二者概念有所不同。

廣義的異構(gòu)負荷概念主要包含設(shè)備、用戶和社區(qū)（代理）3 個層面，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，通常不同種類的負荷構(gòu)成類型異構(gòu)，相同種類但固有參數(shù)不同的負荷構(gòu)成參數(shù)異構(gòu)。但是當(dāng)不同種類的負荷被描述成同一模型時，類型異構(gòu)的負荷構(gòu)成等效群體，此時表現(xiàn)為參數(shù)異構(gòu)。例如熱水器、空調(diào)等溫控負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)性控制的控制對象常局限于同一種負荷，在調(diào)節(jié)潛力和靈活性方面弱于異質(zhì)性控制。但是對均質(zhì)性控制的研究必不可少:1）不同的溫控負荷擅長提供不同的輔助服務(wù)，針對特定負荷群研究相應(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［48］分析了基于均質(zhì)性控制和異質(zhì)性控制的溫控負荷受控潛力。文獻［101］將異構(gòu)群體劃分為多個同構(gòu)集群，并采用狀態(tài)空間模型進行建模。文獻［48，101］所提方案中將異質(zhì)性負荷按照參數(shù)近似分為不同的均質(zhì)性負荷組進行研究從而降低研究難度。文獻［32，55］協(xié)調(diào)了2 種類型的溫控負荷參與調(diào)頻，利用不同負荷之間的功率分布互補特性向系統(tǒng)提供更多的頻率調(diào)節(jié)備用。文獻［102］提出了一種針對中央空調(diào)和電熱水器的聯(lián)合調(diào)控策略對新能源進行消納。該策略避免了溫控負荷在消納新能源后的閑置現(xiàn)象，但是在研究過程中需要使用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型且需要對負荷控制優(yōu)先級進行排序，對數(shù)據(jù)采集和通信的需求較大。文獻［47］建立了面向異構(gòu)溫控負荷群的聯(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 依托于計算機科學(xué)發(fā)展的其他控制策略

當(dāng)前溫控負荷控制研究面臨著2 個難題，一是控制體量較大，實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。若要進一步提高當(dāng)前控制精度，需要用更智能的方法識別并預(yù)測用戶響應(yīng)行為。隨著計算機科學(xué)的蓬勃發(fā)展，機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等對高維數(shù)據(jù)有著較強處理能力的手段是解決上述困難的新思路。

文獻［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)，所提模型在面對空調(diào)群內(nèi)部隨機性時展示了較好的調(diào)節(jié)性能。文獻［103］基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)建了包含LA 和樓宇級控制的調(diào)度架構(gòu)，實現(xiàn)了削峰能力和控制經(jīng)濟性的雙重提升，但是需要大量的數(shù)據(jù)對模型進行訓(xùn)練。文獻［104］提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫控負荷控制策略，能夠有效減小負荷追隨誤差。文獻［105］利用聚類算法對需求響應(yīng)效果進行了充分挖掘，從而提升了需求響應(yīng)的效率并降低了電網(wǎng)側(cè)的計算量。但是該文獻中要求加裝智能家居管理終端且對雙向通信有較高的要求。由上述文獻可知，依托于新的計算機科學(xué)發(fā)展制定的策略能夠識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)過程中尚存在樣本不足以及學(xué)習(xí)效率不高等問題，同時對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中對這些概念進行初步的比較。

圖5 概念比較Fig.5 Concept comparison

5.2.1 單一時段優(yōu)化

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

單一時段優(yōu)化控制的優(yōu)勢在于能最大限度地實現(xiàn)期望的控制效果；但是其缺點在于控制過程中僅考慮了部分因素，當(dāng)前時段的優(yōu)化結(jié)果可能會對其余時段的控制效果產(chǎn)生負面影響。且為了保證控制效果，控制策略的執(zhí)行通常依托于高級測量裝置和通信設(shè)施，對基礎(chǔ)設(shè)施的要求較高。

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

5.2.2 長時間尺度優(yōu)化

長時間尺度優(yōu)化控制的目標是找到一組滿足約束的變量使指定的目標函數(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。長時間尺度優(yōu)化和單一時段優(yōu)化控制的區(qū)別在于更注重整體的協(xié)調(diào)，可能會犧牲部分控制精度以實現(xiàn)整體控制目標最優(yōu)。例如單一時段優(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，而長時間尺度優(yōu)化則會在較長的控制時間段上對調(diào)節(jié)能力進行分配，以實現(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（購買服務(wù)側(cè)）。一方主導(dǎo)性優(yōu)化一般應(yīng)用于控制時間較長、控制量較大的輔助服務(wù)，通過在控制精度上的妥協(xié)獲得整體控制目標的最優(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)勢在于充分考慮了主導(dǎo)交易方的需求，并且其目標函數(shù)可以包含多個目標（例如控制效果和控制代價），所得策略解更具有實際意義。其弊端在于未考慮提供服務(wù)側(cè)的意愿，因而在實際執(zhí)行中可能會因為提供服務(wù)側(cè)的參與積極性不定而造成欠/過控制。

文獻［76］在綜合考慮用電成本、舒適度和調(diào)峰激勵的基礎(chǔ)上建立了居民用戶用電優(yōu)化策略。文獻［107］以最小化配電公司結(jié)算成本為目標，統(tǒng)籌多時段運行重構(gòu)和溫控負荷控制決策。文獻［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)并開展投資優(yōu)化決策。文獻［107-108］分別從配電公司和用戶側(cè)進行決策，沒有考慮其他參與主體對所制定策略的反應(yīng)。文獻［109］以最小化全系統(tǒng)運行成本和主網(wǎng)下網(wǎng)絡(luò)功率波動量為目標，協(xié)調(diào)溫控負荷和電氣綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化。文獻［110］建立了參與調(diào)頻輔助服務(wù)的備用優(yōu)化與實時調(diào)度模型，在實時階段實現(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參與者目標函數(shù)的基礎(chǔ)上制定策略。電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場的參與者眾多，每一個參與者都希望實現(xiàn)自身目標函數(shù)的最優(yōu)，因而傳統(tǒng)的一方主導(dǎo)性優(yōu)化在實際執(zhí)行中未必會達到理想效果。

多方主導(dǎo)性優(yōu)化通過協(xié)調(diào)多個主體優(yōu)化決策實現(xiàn)整體共贏。博弈論認為參與者之間的決策互相影響，且能夠提供對參與者互動時觀察到的現(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行博弈以優(yōu)化效用函數(shù)，而最優(yōu)效用函數(shù)則是問題的解決方案。溫控負荷的博弈行為如圖6 所示。

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

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

文獻［31］在電力市場、LA 和用戶之間建立博弈以增加控制收益。文獻［112］協(xié)調(diào)電網(wǎng)運營商和負荷側(cè)參與者就資源交易進行博弈使采購總成本最小。文獻［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［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電成本及居民用戶負荷峰值。上述文獻針對市場參與者之間的互動做出了最優(yōu)決策，但是在博弈過程中會涉及效用函數(shù)的定義問題。博弈中設(shè)置的效用函數(shù)階數(shù)通常較低，未必能夠準確描述參與者行為；且博弈模型可能存在不能收斂的問題，因而無法得到最優(yōu)解。

6 未來的研究方向

許多學(xué)者對利用溫控負荷提供輔助服務(wù)的研究已取得一定的成果，但是結(jié)合“雙碳”目標，還有進一步研究的空間?！半p碳”目標提出后，國家電網(wǎng)有限公司指出源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)需共同發(fā)力以落實電力系統(tǒng)碳減排。本章結(jié)合“雙碳”目標探討負荷側(cè)利用溫控負荷提供輔助服務(wù)的未來研究方向。

6.1 完善溫控負荷參與輔助服務(wù)的市場機制

“雙碳”目標下的新型電力系統(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)平衡能力不足的問題。利用溫控負荷向電網(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，國內(nèi)已有部分省市制定了輔助服務(wù)市場規(guī)則，相關(guān)規(guī)則中明確指出市場交易主體包含提供綜合能源服務(wù)的第三方［7］。交易市場的參與主體已從傳統(tǒng)發(fā)電逐步擴大到負荷側(cè)，因此應(yīng)加快研究利用LA 聚合溫控負荷資源參與輔助服務(wù)。利用LA 聚合溫控負荷參與輔助服務(wù)市場既能夠整合負荷側(cè)可調(diào)資源向系統(tǒng)提供更大的調(diào)節(jié)能力，又能以靈活的價格機制提升用戶參與調(diào)控的積極性，從而促進溫控負荷提供輔助服務(wù)的施行和持續(xù)。

6.2 建設(shè)溫控負荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺

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

6.3 適應(yīng)不同應(yīng)用場景的溫控負荷控制

落實“雙碳”目標的過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，對溫控負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)間移植溫控負荷控制策略未必能實現(xiàn)預(yù)期的控制效果。因此，溫控負荷控制需要考慮更多的應(yīng)用場景并在不同的場景下適應(yīng)性地做出改變。

此外，電力系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定問題不唯一，當(dāng)前溫控負荷制定的控制策略通常僅提供一種類型的輔助服務(wù)，解決問題的能力有限?？紤]利用溫控負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系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時能夠避免不成體系的不同控制策略在執(zhí)行時產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)問題。因此，如何控制負荷群在不同環(huán)境下提供多種輔助服務(wù)值得展開研究。

6.4 多類型溫控負荷協(xié)調(diào)控制

國家電網(wǎng)有限公司在制定落實“雙碳”目標行動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，對溫控負荷提供輔助服務(wù)的研究主要集中在同類負荷控制，對溫控負荷整體調(diào)節(jié)潛力的利用率不高。不同種類的溫控負荷存在運行時間和分布空間上的互補特性，合理協(xié)調(diào)多種溫控負荷參與控制有利于進一步挖掘溫控負荷提供輔助服務(wù)的潛力。但是在協(xié)調(diào)多類型溫控負荷的過程中面臨控制責(zé)任和收益的分配問題。因此，如何從控制方式、控制效果和控制效益上協(xié)調(diào)多類負荷提供輔助服務(wù)還需要進一步研究。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，多類型溫控負荷協(xié)調(diào)可和氣、煤等能源協(xié)調(diào)互補供能，緩解電網(wǎng)平衡資源不足的壓力。

6.5 有限信息和隨機因素下的控制策略研究

隨著中國電力市場的發(fā)展，電力市場售電主體、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。在決策過程中，制定的優(yōu)化目標通常會涉及各參與者的效用函數(shù)。然而，參與者準確的效用函數(shù)都屬于隱私，一般不會給出。并且實際系統(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)后實際控制結(jié)果會與預(yù)期控制結(jié)果產(chǎn)生一定的偏離。隨著用戶隱私意識的加強，獲取大量準確數(shù)據(jù)的難度增加。因而，需在有限信息下實現(xiàn)控制策略的構(gòu)建，制定策略時如何準確評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。

此外，數(shù)據(jù)量的減少使得用戶行為模式的辨識難度增加，用戶行為的隨機性增強。而新型電力系統(tǒng)建設(shè)下新能源占比的提高增強了發(fā)電隨機性。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，如何在多種隨機因素下制定合適的控制策略是溫控負荷控制需要進一步延伸的技術(shù)內(nèi)容。

7 結(jié)語

利用溫控負荷向電力系統(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題。不僅提高了電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性，還加快了構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，能夠持續(xù)深化碳減排實施，是實現(xiàn)“雙碳”目標的有效手段之一。此外，多省出臺的輔助服務(wù)相關(guān)規(guī)則也表明了國家電網(wǎng)有限公司準備深入挖掘負荷側(cè)提供輔助服務(wù)潛力的決心。本文從溫控負荷提供輔助服務(wù)的參與機制、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 個方面詳細梳理了溫控負荷在提供電力輔助服務(wù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究進展，并對發(fā)展技術(shù)要點進行了分析，以期為溫控負荷參與輔助服務(wù)提供技術(shù)支撐并為后續(xù)研究推進提供參考。結(jié)合國內(nèi)目前的研究情況，本文提出以下建議。

1）結(jié)合國內(nèi)市場化進程完善溫控負荷參與輔助服務(wù)市場機制，并發(fā)展建設(shè)溫控負荷參與輔助服務(wù)的技術(shù)平臺。

2）針對不同的場景開發(fā)成體系的溫控負荷提供輔助服務(wù)的控制策略。

3）結(jié)合綜合能源互聯(lián)網(wǎng)，協(xié)調(diào)多類型負荷控制以進一步挖掘溫控負荷提供輔助服務(wù)的潛力。

4）加強對有限信息和考慮隨機因素下的溫控負荷控制策略研究。