一种空调负荷主动控制参与电力调峰的方法与流程

本发明涉及需求侧响应控制领域，尤其涉及一种基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的方法。

背景技术：

传统意义上，发电机的控制方式相比于负荷的控制方式比较容易，通常视电力系统负荷为被动的物理终端，采用发电跟踪负荷变化的控制方式来实现电力系统有功功率的平衡控制，控制对象始终在电源侧。然而，电力系统的负荷变化是引起系统有功功率不平衡的主要原因之一。

随着环境污染问题的日益严重，大力开发风能、太阳能等可再生能源，减少化石能源的消耗和排放，是我国能源发展的必然趋势。随着可再生能源的进一步发展，传统电力系统的发电结构发生变化，煤耗高的燃煤机组装机容量所占比例将会大幅下降，而清洁无污染的风能和太阳能等可再生资源发电机组的装机容量在电力系统总装机容量中所占的比例将大幅上升。

传统电力系统的发电结构在新时期发生巨大变化，新时期的有功平衡控制不再局限于控制燃煤机组的传统控制方式。原因如下：一方面，为了提高燃煤机组的运行效率，并降低运行成本和减少污染物的排放，燃煤机组向着大容量超临界方向发展，因此应减少其跟踪负荷变化和提供备用的比例；另一方面，由于可再生能源具有的随机性和波动性特点，尤其是风电还具有的一定程度上的反调峰特性，随着这些可再生能源装机比例的逐年升高，使得电源跟踪负荷变化的能力下降，同时可再生能源的大规模并网使得对系统备用容量的要求显著提高。综上所述，依靠电源侧调整跟踪负荷变化的有功平衡的传统控制方式受到了极大的挑战。

随着智能电网以及通信网络的发展完善，增强了负荷的可控性，奠定了源侧和荷侧协调控制实现有功平衡的基础，负荷由传统意义上的被动控制变成了主动参与有功平衡控制。

随着国民经济的增长，电力需求成直线上升的态势，电力供应经常处于紧张状态，给电力系统有功平衡控制带来巨大挑战。特别是近年来极端气候的频繁出现，使得空调使用量逐年增多，空调负荷的急剧增长已成为夏季电网负荷特性恶化和电力紧缺的重要原因。为满足不断增长的空调负荷的需求，建设高成本的调峰电厂或者遇到负荷高峰简单地对用户采用拉闸限电等负荷管理措施，这些都不能满足形式发展的需要。

空调负荷作为温控负荷的一种，可以将电能转化为储存在房间内的热能，该能量转化及储存的特性使得空调成为最具需求响应潜力的负荷。另外，建筑物的围护结构具有很好的保温作用，室内与室外的热交换非常缓慢，建筑物具有极大的热惰性。因此可以利用空调和建筑物的这种热惯性，在负荷高峰时段，并在不影响用户舒适性的前提下，采取合适方式控制空调的启停时间，降低空调负荷高峰。

文献“Ramanathan B,Vittal V.A framework for evaluation of advanced direct load control with minimum disruption[J].IEEE Transactions on Power Systems,2008,23(4):1681-1688.”提出一种直接负荷控制构架，建立了优化调度模型，目标是对负荷用电负面影响以及所控制负荷的总量做到最小化。文献“Ruiz N,Cobelo I,Oyarzabal J.A direct load control model for virtual power plant management[J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24(2):959-966.”利用仿真工具EnergyPlus对空调等具有热惯性的负荷进行建模，可以得到不同控制输入下的负荷终端温度曲线，即室内温度曲线。文献“高赐威,李倩玉,李扬.基于DLC的空调负荷双层优化调度和控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(10):1546-1554.”在电力系统经济调度中考虑了空调负荷，提出针对空调负荷的双层优化调度和控制模型。文献“周磊,李扬,高赐威.聚合空调负荷的温度调节方法改进及控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(31):5579-5589.”基于一种改进的空调聚合负荷温度调节方法，能够实现在长时间范围，小幅度变化的情况下实现负荷增减，减小对用户舒适度的影响。

因此，非常有必要研究建筑物的热惯性，利用建筑物的热惯性对空调负荷进行适当控制，实现空调负荷主动控制参与电力调峰的目的。

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的方法，该方法基于建筑物的热惯性，其特征在于：通过控制空调的启停，实现主动参与电力调峰。

在电负荷低峰时段，空调增加开启时间，超过建筑物制冷需求的制冷量存储在建筑物中；在电负荷高峰时段，空调增加关闭时间，不满足建筑物制冷需求的部分，通过储存在建筑物中的冷量来释放弥补，以控制室内温度在一定范围内。

该方法包括以下步骤：

S1：分析空调制冷建筑物的热动态特性以及空调的占空比工作方式，并分别对其进行建模；

S2：基于所述空调制冷建筑物的热动态特性模型，对空调负荷进行协调控制，得出空调负荷主动控制参与电力调峰的具体方案。

所述步骤S1中具体包括以下步骤：

S21：对空调制冷建筑物的热动态特性进行建模，建立以温度为控制变量的多个数学表达式；

S22：分析空调占空比工作方式，得出占空比工作方式的控制周期与启停时间。

所述空调制冷建筑物的热动态特性的建模过程如下：

对于t时刻的制冷房间i来说，其瞬态的热平衡方程式为：

(∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i)(T_out,i,t-T_in,i,t)dt

+{∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k)+[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)]}dt

+I_idT＝Q_ac,i,tX_i,tdt

其中，δ_i,j为房间i第j面围护结构的温差修正系数；K_i,j为房间i第j面围护结构的传热系数；F_i,j为房间i第j面围护结构的面积；T_out,i,t为房间i在时刻t的室外空气温度；T_in,i,t为房间i在时刻t的室内空气温度；q_f,k为外窗k的日射得热量最大值；F_c,k为外窗k的面积；C_s,k为外窗k的玻璃类型修正系数；C_n,k为外窗k的内遮阳的遮阳系数；C_cl,k为外窗k的外窗玻璃冷负荷系数；n₁为用电设备的安装系数；n₂为用电设备的负荷系数；n₃为用电设备的同时使用率；n₄为照明设备的蓄热系数；n₅为整流器消耗功率的系数；n₆为照明设备的安装系数；n₇为照明设备的同时使用率；P_e,i为房间i中用电设备的安装功率；P_l,i为房间i中照明设备的安装功率；C_r为人体显热散热冷负荷系数；n_p,i为房间i中的总人数；φ_i为房间i中男子、女子和儿童折合成成年男子的散热比例群集系数；q_r为每个成年男子的显热散热量；q_q为每个成年男子的潜热散热量；I_i为房间i的总热容量；T为温度变量符号；c_a为室外热空气的定压比热；ρ_a为室外计算温度下的空气密度；G_nw,i为房间i的新风量；X_j,t为房间j的空调开关状态变量，0或1；X_j,t＝1表示空调处于开启状态，X_j,t＝0表示空调处于关闭状态；i、j、k为自然数，Q_ac,i,τ为空调恒定制冷量；

在此，令

A_i＝∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i

θ_i,t＝T_out,i,t-T_in,i,t

T_i＝I_i/A_i

Q_so,i,t＝∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k)

Q_eq,i＝[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)]

进而可得

其中，θ_i,t为房间i在时刻t的室外与室内空气相对温度；A_i为房间i的单位温差传热功率；T_i为房间i的热储备系数；X_i,t为房间i的空调开关状态变量，0或1；X_i,t＝1表示空调处于开启状态，X_i,t＝0表示空调处于关闭状态。

所述控制周期与启停时间的计算方法如下：

设置建筑物室内温度的范围为[T_i,min,T_i,max]，当空调开启，即X_i,t＝1的时间段内，室内温度由T_i,max下降到T_i,min，这段时间为，

当空调关闭，即X_i,t＝0的时间段内，室内温度由T_i,min上升到T_i,max，这段时间为，

则空调的控制周期为，

t_c＝t_on+t_off；

在控制周期t_c内，空调机组按照恒定制冷量Q_ac,i,t运行t_on时间并停止运行t_off时间的占空比方式进行工作，使得室内温度在T_i,min与T_i,max之间循环变化；T_out为室外温度；T_i,min为房间i的最低温度，T_i,max为房间i的最高温度。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的方法具有以下优点：1、集中控制后的空调负荷数量可观，调度方式灵活，参与系统调峰的潜力巨大，是电力公司重要的需求响应资源，可纳入到常态化的电力系统调度中；2、建筑物面积巨大，围护结构保温效果显著，具有很好的热惯性，相当于一种非常优质的储能设备，储能量巨大，而且无需投资；3、通过合理的直接负荷控制手段，对空调和建筑物负荷进行合理控制，不仅能够快速响应电网侧的调度，降低高峰时段的电力需求，有效缓解电力供需矛盾，而且与发电装机容量的投资相比，需求响应的成本较低，对用户用电舒适度的影响很小。

附图说明

图1是空调制冷建筑物的热量平衡示意图。

图2是某空调占空比工作方式下的室内温度及空调开关状态。

图3是一定条件下，空调启停规律以及空调逐小时的平均耗电功率。

图4是一定条件下，建筑物室内温度变化规律及逐小时的平均室内温度。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的方法，提出基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的实现思路。空调和建筑物等具有能量储存特性的负荷，短时间内关断或者改变运行参数，不会对终端用户的使用特性造成明显的影响。这类负荷具有主动改变运行状态，积极参与电力调峰的潜能。空调负荷是一种典型的温控负荷，可以将电能转换为热能储存在建筑物房间中，这种能量转换特性使得空调具有较大的需求响应潜力。

另外，建筑物的围护结构具有很好的保温作用，室内与室外的热交换非常缓慢，建筑物具有极大的热惰性。也就是说对于装有空调的房间，在一定的室外温度下，开启空调之后，室内温度在空调的制冷作用下逐渐降低，当空调关闭以后，室外空气热量通过建筑物的门窗和围护结构与室内空气进行热交换，室内空气温度逐渐升高，这个热交换的过程比较缓慢，因此可以利用空调和建筑物的这种热惯性，负荷高峰时段在不影响用户舒适性的前提下，适当关停空调一段时间，降低空调负荷高峰。通过合理控制空调的启停，实现主动参与电力调峰。具体步骤为：

S1：分析制冷建筑物的热动态特性以及空调的占空比工作方式，并分别对其进行建模。这里包括制冷建筑物的热动态特性分析及建模，与空调占空比工作方式分析与建模。

1-1)对空调制冷建筑物的热动态特性进行建模，建立以温度为控制变量的多个数学表达式。

如图1所示，为空调制冷建筑物的热量平衡示意图。从该图中可以看出，夏季空调制冷建筑物的热量平衡是一个动态过程，其中建筑物得冷途径为空调的制冷量，建筑物的失冷途径为：太阳辐射造成的冷损失、新风负荷造成的冷损失、室外空气通过建筑物门窗和墙体与室内空气进行热交换造成的冷损失以及室内的用电照明设备及人体的散热造成的冷损失。

对于t时刻的制冷房间i来说，其瞬态的热平衡方程式为：

其中，δ_i,j为房间i第j面围护结构的温差修正系数；K_i,j为房间i第j面围护结构的传热系数(W/(m²·℃))；F_i,j为房间i第j面围护结构的面积(m²)；T_out,i,t为房间i在时刻t的室外空气温度(℃)；T_in,i,t为房间i在时刻t的室内空气温度(℃)；q_f,k为外窗k的日射得热量最大值(W/m²)；F_c,k为外窗k的面积(m²)；C_s,k为外窗k的玻璃类型修正系数；C_n,k为外窗k的内遮阳的遮阳系数；C_cl,k为外窗k的外窗玻璃冷负荷系数；n₁为用电设备的安装系数；n₂为用电设备的负荷系数；n₃为用电设备的同时使用率；n₄为照明设备的蓄热系数；n₅为整流器消耗功率的系数；n₆为照明设备的安装系数；n₇为照明设备的同时使用率；P_e,i为房间i中用电设备的安装功率(W)；P_l,i为房间i中照明设备的安装功率(W)；C_r为人体显热散热冷负荷系数；n_p,i为房间i中的总人数；φ_i为房间i中男子、女子和儿童折合成成年男子的散热比例群集系数；q_r为每个成年男子的显热散热量(W)；q_q为每个成年男子的潜热散热量(W)；I_i为房间i的总热容量(J/℃)；T为温度变量符号；c_a为室外热空气的定压比热(kJ/(kg·℃))；ρ_a为室外计算温度下的空气密度(kg/m³)；G_nw,i为房间i的新风量(kg/s)；X_j,t为房间j的空调开关状态变量，0或1；X_j,t＝1表示空调处于开启状态，X_j,t＝0表示空调处于关闭状态。

在此，令

A_i＝∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i (2)

θ_i,t＝T_out,i,t-T_in,i,t (3)

T_i＝I_i/A_i (4)

Q_so,i,t＝∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k) (5)

Q_eq,i＝[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)] (6)

进而可得

其中，θ_i,t为房间i在时刻t的室外与室内空气相对温度(℃)；A_i为房间i的单位温差传热功率(W/℃)；T_i为房间i的热储备系数(s)。

由于最优经济调度模型是离散化模型，因此假设在每一个调度时段内，空调制冷量与室外温度均保持不变，不同调度时段间的空调制冷量与室外温度可能不同，按照调度时段间隔Δt对公式(7)进行离散化求解，得到：

θ_i,t+1＝T_out,i,t+1-T_in,i,t+1 (9)

1-2)分析空调占空比工作方式，得出占空比工作方式的控制周期与启停时间。

传统意义上，无论电力系统负荷是否处于高峰期，用户都会根据室外温度和自己的需求，控制空调的开关状态，整体上呈现一种无序状态。但是，夏季室外温度较高的时段，用户呈现集中开启空调的状态，这就会造成空调用电负荷高峰。若利用建筑物的热惯性，并将分散的空调负荷进行集中控制，使得建筑物室内温度可以在不影响用户舒适度的情况下在一定的范围内变化，在电负荷低峰时段，空调可以适当开启较长时间，超过建筑物制冷需求的制冷量可以存储在建筑物中；在电负荷高峰时段，空调可以适当增加关闭时间，不满足建筑物制冷需求的部分，可以通过储存在建筑物中的冷量来释放弥补，以控制室内温度在一定范围内。

设置建筑物室内温度的范围为[T_i,min,T_i,max]，当空调开启，即X_i,τ＝1的时间段内，室内温度由T_i,max下降到T_i,min，这段时间为

当空调关闭，即X_i,τ＝0的时间段内，室内温度由T_i,min上升到T_i,max，这段时间为

则空调的控制周期为

t_c＝t_on+t_off (12)

如图2所示，为某空调占空比工作方式下的室内温度及空调开关状态。空调开启时，室内温度逐渐降低；空调关闭时，室内温度逐渐升高。在控制周期t_c内，空调机组按照恒定制冷量Q_ac,i,t运行t_on时间并停止运行t_off时间的占空比方式进行工作时，可以使得室内温度在T_i,min与T_i,max之间循环变化，适当控制这个温度范围，可以不影响用户的舒适性。

S2：基于空调制冷建筑物的热动态特性模型，对空调负荷进行协调控制，得出空调负荷主动控制参与电力调峰的具体方案。

如图3和图4所示，分别为一定条件下，空调启停规律和空调逐小时的平均耗电功率，以及建筑物室内温度变化规律和逐小时的平均室内温度。从这两个图中可以看出，通过合理控制空调的启停，使得室内温度在最高允许温度和最低允许温度范围内往复变化。一般地，夏季电负荷的高峰时段有两个，可以在每个高峰时段内，基于建筑物的热惯性对空调负荷进行有序控制，然后针对相应的调度时段求取平均值，得到高峰时段内，每个调度时段的空调负荷平均耗电功率以及建筑物房间的平均室内温度。通过这种有序控制，使得室内温度在电负荷高峰时段不再维持在满足人体舒适度的最低温度，而是有一定的波动范围，使得总的空调负荷在电负荷高峰时段有所降低，缓解由于空调集中用电造成的电负荷高峰。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。