[论文解读] Aggregate capacity of TCLs with cycling constraints

Austin R. Coffman, Neil Cammardella+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 30被引用 13

一句话总结

本文提出了一种凸的、与算法无关的容量表征方法，用于热泵控制负荷（TCLs）的聚合，该方法考虑了温度、循环和能耗约束。通过建模部分负荷状态以消除整数循环约束，该方法使电网运营商能够规划出可行且可优化的参考轨迹，确保高跟踪精度并满足单个TCL服务质量（QoS）限制，在忽略循环约束时，其跟踪误差相比先前方法降低了两个数量级。

ABSTRACT

Thermostatically Controlled Loads (TCLs) such as air conditioners and water heaters typically maintain their temperature within a preset range using on/off actuation. These types of loads are inherently flexible: many different power consumption trajectories exist that can keep the temperature within range. Decades of research has shown that flexible loads can provide valuable grid services. Quantifying the power and energy capacities of a collection of TCLs is a well-studied problem. However, most works focus on temperature constraints. In this work, we present a characterization of the capacity of a collection of TCLs that considers not only temperature, but also cycling and energy constraints. The characterization leads to a set of convex constraints. A grid operator can use this characterization to compute a feasible power consumption trajectory for an ensemble of TCLs that comes closest to what the operator needs to maintain demand-supply balance. Unlike prior attempts at capacity characterizations incorporating cycling constraints, our results are independent of the algorithm used to coordinate the TCLs.

研究动机与目标

• 解决现有容量表征方法中忽略TCL集合循环约束的问题。
• 开发一种电网运营商可用的方法，用于规划TCL集合的可行、高保真度参考功率轨迹。
• 确保参考信号与单个TCL服务质量（QoS）约束兼容，包括温度、循环频率和能耗。
• 构建一个与协调算法无关的凸优化框架，用于参考规划。
• 在异构TCL条件和真实气象剖面下，展示该方法的鲁棒性和有效性。

提出的方法

• 该方法通过建模处于开启/关闭状态的TCL比例，将离散的整数循环约束转化为对聚合行为的连续凸约束。
• 将聚合容量表述为一组由单个TCL参数（包括COP、温度边界、最小开/关时间以及能耗限制）导出的凸约束。
• 将参考规划问题建模为一个凸优化问题，以最小化与目标功率轨迹的偏差，同时遵守推导出的聚合约束。
• 该方法假设TCL近似同质，但数值实验表明其对异质性具有鲁棒性。
• 通过闭环仿真验证该方法，将跟踪性能与忽略循环约束的基线方法进行比较。
• 该框架可确保任何设计良好的协调算法在不违反单个TCL QoS的前提下跟踪参考信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为包含循环约束的TCL集合开发一种凸的、与算法无关的容量表征方法？
• RQ2 在参考规划中忽略循环约束会对跟踪性能和QoS合规性产生何种影响？
• RQ3 该提出的容量表征方法在真实TCL群体中偏离近似同质性假设时的鲁棒性如何？
• RQ4 该方法能否在尊重所有单个TCL约束的前提下确保高保真度的参考轨迹跟踪？
• RQ5 当不考虑循环约束时，参考信号的激进程度与TCL循环频率之间的权衡是什么？

主要发现

• 在闭环仿真中，所提方法将参考轨迹跟踪误差降低至0.06%，而使用忽略循环约束的先前方法时误差高达24%。
• 采用所提方法规划的参考信号更具保守性，避免了过高的爬坡率，从而防止违反TCL的循环限制。
• 仿真中所有TCL均满足其各自的循环约束（循环间隔≤10分钟），大多数运行在约20分钟的周期附近。
• 该方法对TCL参数异质性具有鲁棒性，表现为在不同负载分布下性能保持一致。
• 凸公式确保了所生成的任何可行参考信号均可被任何遵守三项QoS约束的协调算法跟踪。
• 数值结果证实，忽略循环约束将导致不可行或跟踪效果差的参考信号，从而损害电网可靠性与用户满意度。