含規模化空氣源熱泵的電網穩定性分析與風險評估*

丁屹峰， 宮 成， 馬龍飛， 徐 蕙， 邵文君

(國網北京市電力公司 電源中心， 北京 100075)

近年來，為了實現冬季清潔供暖、改善空氣質量，北京市率先開展了“煤改電”工程[1].北京市政府首先在農村地區推廣使用空氣源熱泵[2]一類分布式電采暖設備，該類設備能效較高，單位面積供暖所需的負荷密度較低[3-5].但由于傳統空氣源熱泵采用異步電動機驅動，啟動電流大，因而，目前正在逐步推廣使用變頻空氣源熱泵替換定頻熱泵[6].

空氣源熱泵是一種將空氣、土壤、水中不能直接利用的低位熱能轉化為可以利用的高位熱能的節能裝置[7-8].眾多學者和專家重點研究了空氣源熱泵的啟動、穩態和室內外氣溫波動時的暫態特性，并主要關注能量轉換效率與加熱效果[9-10].文獻[11]與[12]針對現有空氣源熱泵的工作對象主要是居民建筑與寫字樓的問題，研究了需要考慮保溫與通風因素時空氣源熱泵的加熱效率；文獻[13]考慮到能源的綜合利用效率和供熱成本，提出了一種太陽能輔助加熱或光伏供電加熱的互補運行模式，力圖減少電能使用.

北京地區為了減小分布式電采暖規模化應用對電網電量平衡的影響，實施了峰谷電價，在21點開始實施優惠電價，但由于此時大量空氣源熱泵同時啟動，對電網的穩定性造成沖擊，影響了電網的安全穩定運行[14-16].本文基于單體定頻空氣源熱泵和變頻直流空氣源熱泵的啟動特性，使用非序貫蒙特卡洛方法研究了規模化空氣源熱泵啟動對電網穩定性的影響，并結合風險理論分析了電網風險，為分析規模化空氣源熱泵對配電網穩定帶來的影響提供了有效的手段.

1 單空氣源熱泵啟動特性

空氣源熱泵主要由室內外風機電機和換熱器構成，可以將空氣、土壤、水中不能直接利用的低位熱能轉化為可利用的高位熱能.空氣源熱泵包括定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵，其中定頻空氣源熱泵始終以固定頻率運行，并在達到設定溫度后自動停機；而變頻空氣源熱泵在運行時可通過改變交流電頻率的方式實現交流電控制，并可根據環境溫度自動切換制冷、除濕和制熱等運行方式[17-18].為了準確模擬規模化空氣源熱泵的啟動特性，本節分別分析了單體定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動特性.

1.1 定頻空氣源熱泵啟動特性

定頻空氣源熱泵所連接的機械設備為谷輪空氣壓縮機，電機類型為異步電動機.其機械特性與電氣特性分別表示為

(1)

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1.2 變頻空氣源熱泵啟動特性

變頻空氣源熱泵的一般驅動結構如圖1所示.變頻空氣源熱泵的功率一般為4 kW，由低壓電網單相供電，通過交直交驅動器為伺服電機提供電能.在交直變換中一般采用全橋布控整流，通過直流電容來穩定脈動直流電壓；而在直交轉換中，通過基于IGBT的全控三相功率變換器來直接控制輸出電壓的幅值與頻率，并間接控制電機轉速.當室內溫度與設定溫度偏差較大時，可通過提高轉速增大制冷或制熱功率；反之則降低轉速，減少制冷或制熱功率.其中，制冷或制熱功率的控制根據用戶需求與室內外溫差的變化而定.相對于定頻空氣源熱泵斷續工作的方式，變頻空氣源熱泵的工作方式減少了電機的啟停次數，從而有利于減少電能損耗，增加設備的使用壽命.

圖1 變頻直流空氣源熱泵驅動器拓撲Fig.1 Topology of driver of DC air source heat pump with variable frequency

功率所需無功功率由直流電容器提供，而所需有功功率計算表達式為

(3)

式中：U1和U2分別為啟動前與啟動時的直流母線電壓；Im為電機側電流；IR為整流器側電流；T為工作時間；t0為啟動時間.變頻空氣源熱泵所采用的伺服電機為電壓源型驅動器驅動，由直流電壓可控的特點可知，通過降低短暫啟動時間內的功率需求能夠有效抑制啟動電流.

1.3 空氣源熱泵啟動特性定性分析

在對前述兩種類型空氣源熱泵啟動特性定量分析的基礎上，為了更為準確地量化啟動特性，對定頻和變頻空氣源熱泵工作特性進行了定性分析.

定頻空氣源熱泵的銘牌參數如表1所示，其啟動特性如圖2所示.圖2中的曲線較好地反映了式(1)與式(2)的模型特性.在定頻空氣源熱泵啟動時有功功率與無功功率均出現了較大的沖擊電流，一方面用于建立磁場，另一方面反映了電機旋轉前的堵轉電流.由于啟動時同時具有有功功率與無功功率的沖擊，使用串聯電阻、降壓或星三角變換等常規手段難以應對.

表1 定頻空氣源熱泵基本參數Tab.1 Basic parameters for air source heat pump with fixed frequency

圖2 定頻空氣源熱泵啟動特性Fig.2 Actual measurement of startup characteristic of air source heat pump with fixed frequency

變頻空氣源熱泵的銘牌參數如表2所示，其啟動特性如圖3所示.圖3表明變頻空氣源熱泵在電力電子功率變換設備的驅動下能平滑啟動，有功功率與無功功率均未出現越限情況.

表2 變頻空氣源熱泵基本參數Tab.2 Basic parameters for air source heat pump with variable frequency

圖3 變頻空氣源熱泵啟動特性實測Fig.3 Actual measurement of startup characteristics of air source heat pump with variable frequency

2 規模化空氣源熱泵啟動特性模擬

通過兩類型空氣源熱泵啟動過程的定量和定性分析可知，空氣源熱泵啟動的瞬時功率與空氣源熱泵的電動機特性有著較大關系.如定頻空氣源熱泵所采用的異步電機，其瞬時有功功率可達到額定功率的4倍，總電流值可達到額定電流的7倍.因此，在同一變壓器臺區下，若多臺設備同時啟動可能造成變壓器的瞬時過載與電壓跌落.同時，在北京市大規模推廣的城郊“煤改電”工程中，考慮到煤改電負荷的季節性變化與日變化，多采用非晶變壓器，其空載損耗低，但過載能力不足，增加了電網的風險隱患.

針對規模化空氣源熱泵接入配電網，對變壓器低壓側啟動支撐能力的評估需求，并考慮到未來配電網增容改造的合理評估與運行控制的安全要求，本文以單體空氣源熱泵啟動特性為基礎，采用非貫序蒙特卡洛模擬計算得到兩種類型多臺空氣源熱泵共同工作時的啟動特性.

2.1 非貫序蒙特卡洛模擬

非貫序蒙特卡洛模擬的基本思想是利用各空氣源熱泵運行狀態之間的獨立性，抽樣判斷出某一熱泵的運行狀態，從而得到電網系統的整體狀態.該種評估方法被廣泛應用到電力系統風險評估中，本文使用該方法并假設某一空氣源熱泵存在運行和停機兩種狀態，并用Si表示第i個設備的狀態，1，0分別表示運行與停機狀態，Pi表示停機概率，則有

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式中，Ri為在[0，1]區間上隨機抽取的值.

對一個含有M個空氣源熱泵的低壓配電網隨機重復抽取N次，可以得到電網的整體運行狀態集合為S=(S1，S2，…，Sk，…，SN).當抽取次數N足夠大時，可以近似確定某一狀態Sk的概率為

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式中，m(Sk)為狀態Sk出現的次數.

本文將抽樣次數的閾值作為終止條件，并在達到閾值時，檢驗方差系數.若滿足則結束模擬；否則增加抽樣閾值并繼續抽樣.

2.2 空氣源熱泵概率模型

常用的蒙特卡洛模擬法有連續模型和離散模型兩種.連續模型使用正態分布來近似模擬空氣源熱泵運行狀態的不確定性；而離散模型則使用空氣源熱泵的功率及其對應的概率來描述.

由于離散模型并不能準確反映規模化空氣源熱泵運行過程中的不確定性和負荷變化，因此本文使用連續模型進行模擬.在模擬中假設定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動同步率p和啟動延遲時間q分別服從正態分布，即

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(7)

式中：μp、σp和μq、σq分別為p和q的均值和方差；f(p)和f(q)為分布函數.

2.3 電網風險指標與評估流程

根據空氣源熱泵的定性和定量分析，本文定義了系統失穩損失風險和電流越限風險來評估電網穩定性.

1) 系統失穩損失風險.空氣源熱泵的運行狀態按照某一概率函數抽樣時，某些抽樣值可能失穩，從而產生失穩損失，系統失穩風險值可表示為

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式中：n為抽樣次數；Pl為第i個失穩抽樣值的次數占總抽樣次數的比例；λ為失穩導致相應的經濟損失.

2) 電流越限風險.該風險指標的表達式為

(9)

式中：PSk為第k個空氣`源熱泵狀態Sk運行的概率；D為電流越限狀態的集合；βSk為電流越限嚴重程度評價參數.

3) 綜合風險指標.該指標由系統失穩損失風險和電流越限風險的加權和表示，基于多次交叉實驗，本文設置權值分別為0.28和0.72，其表達式為

Rcom=0.28Rl+0.72PLSV

(10)

規模化空氣源熱泵啟動時，電網風險評估流程主要包括以下兩步：

1) 使用非貫序蒙特卡洛法對空氣源熱泵運行狀態隨機抽樣，并根據式(6)、(7)計算此時各熱泵的功率；

2) 計算電網各項風險發生的概率，并計算各項指標，從而分析規模化空氣源熱泵啟動時對電網的影響.

3 算例分析

為了驗證所提模擬方法的有效性，本文以北京某郊區以空氣源熱泵為主要設備的村落臺區低壓配電網為研究對象，同時，設定每戶接入空氣源熱泵分為定頻與變頻兩種情況.

臺區低壓電網的拓撲結構如圖4所示，臺區下共有低壓用戶20戶，每個用戶為農家院，居住面積200 m2，變壓器容量400 kW.其中，3、4、5、6、8、9、10、11、12、17、19、20號節點處安裝定頻空氣源熱泵，其他節點處安裝變頻空氣源熱泵.

圖4 煤改電村落臺區低壓電網拓撲結構

Fig.4Topologicalstructureoflowvoltagepowergridinvillageterrace(T)areawithchangefromcoaltoelectricity

在模擬中定頻空氣源熱泵由于采用斷續啟停的工作方式，在優惠電價開始時刻同步率較高；而變頻空氣源熱泵由于采用閉環控制，根據各個居室條件控制輸出功率，所以同步率相對較低.又由于二者均采用微控制器，時間精度驅動，故延遲時間均值設定在0.5 s.本文以定頻及變頻兩種類型空氣源熱泵實測曲線為基礎，設定定頻空氣源熱泵的啟動同步率與啟動延遲時間分別服從(0.8，0.4)，(0.5，0.2)的正態分布；而變頻空氣源熱泵的啟動同步率與啟動延遲時間分別服從(0.6，0.4)，(0.5，0.2)的正態分布.

針對兩種空氣源熱泵設定的啟動同步率與啟動延時的分布規律，對所選臺區內空氣源熱泵的啟動過程進行了模擬.定頻空氣源熱泵模擬情況如圖5所示；變頻空氣源熱泵模擬情況如圖6所示.由圖5和圖6的蒙特卡洛模擬結果可知，定頻空氣源熱泵雖價格較為低廉，但啟動沖擊較大；而變頻空氣源熱泵的啟動過程更為平坦.

圖5 臺區定頻空氣源熱泵模擬Fig.5 Simulation of air source heat pump with fixed frequency in T area

圖6 臺區變頻空氣源熱泵模擬Fig.6 Simulation of air source heat pump with variable frequency in T area

為了評估不同類型的空氣源熱泵對電網的影響，本文計算了部分節點的各種風險指標.系統失穩損失風險指標、電流越限風險指標及綜合風險指標結果如圖7～9所示.

圖7 部分節點系統失穩損失風險指標Fig.7 Risk index of system instability loss of partial nodes

圖8 部分節點電流越限風險指標Fig.8 Risk index of over-limit current for partial nodes

圖9 各節點綜合風險指標Fig.9 Comprehensive risk index of each node

從圖7可以看出，節點5的系統失穩損失風險值最大，而節點7的值最小，這表明節點7的可靠程度對電網的穩定性影響較大，而節點5的可靠程度對電網的穩定性影響較小，因此，在規模化空氣源熱泵同步啟動時應格外關注節點7；從圖8可看出，3、6、17、19、20節點發生電流越限的風險較高，這些節點極易發生電流沖擊并影響電網的穩定性；從圖9可以看出，節點6的綜合風險指標最大，即該點極易導致電網的不穩定.

通過對臺區兩種類型空氣源熱泵啟動特性的蒙特卡洛模擬結果可知，定頻空氣源熱泵雖價格較為低廉，但啟動沖擊大，且對電網的影響更大；而變頻空氣源熱泵則啟動平緩，在未來推廣中應綜合考慮配電設施投資費用與運行安全，逐步增加變頻空氣源熱泵所占比例.

4 結 論

大量空氣源熱泵同時啟動，會沖擊電網的穩定性，并影響電網的安全運行.本文使用定性和定量的方法分析了定頻空氣源熱泵和變頻空氣源熱泵的啟動特性.仿真結果表明，定頻空氣源熱泵在啟動時有功功率與無功功率均出現了較大的沖擊電流；而變頻空氣源熱泵不僅能減少啟動次數，且啟動更加平滑.本文提出的評估方法能有效評估規模化空氣源熱泵啟動時電網的穩定性和風險指標，為分析規模化空氣源熱泵對配電網穩定性帶來的影響提供了有效的分析手段.