房屋电热负荷需求响应模型的建模方法及装置与流程

1.本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种房屋电热负荷需求响应模型的建模方法及装置。


背景技术：

2.我国北方地区在冬季的供暖需求量很大，对热泵、电采暖等热源设备的依赖度非常高。然而，对热源供热功率调节的随意性容易引起房屋内用户体感的不适，并且，在热源、蓄热装置的无序用电下，用电负荷峰值急剧升高，浪费了负荷谷段电网的容量，导致电源和电网的投资低效，降低了能源系统资源配置的效率。
3.因此，为了合理安排电热负荷的有序充电，实现利用低谷负荷充电的目标，避免电源和电网的低效投资，迫切需要一种精细描述屋内热力平衡的电热负荷需求响应模型，来从根本上提高电热负荷的调度精度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种房屋电热负荷需求响应模型的建模方法及装置，其目的在于提供一种考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力的房屋电热负荷需求响应模型，以解决房屋内热力平衡描述粗糙而不能对电热负荷进行精确调度的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种房屋电热负荷需求响应模型的建模方法，包括：s1，由房屋形体系数、围护结构平均隔热系数、单位体积空气的热容、换气次数、室内高度、当前时刻室外温度和当前时刻室内温度，得到房屋单位面积的热力需求；s2，将上一时刻到当前时刻建筑物热容的变化设置为被动热力存储项，将上一时刻到当前时刻蓄热装置存储热量的变化设置为主动蓄热项；s3，基于热源输出功率、所述被动热力存储项、所述主动蓄热项和所述房屋单位面积的热力需求，以及热源输出功率、蓄热装置输出功率、蓄热装置容量和室内温度所满足的约束条件，构建房屋电热负荷需求响应模型。
6.更进一步地，所述房屋单位面积的热力需求为：其中，为所述房屋单位面积的热力需求，为所述房屋形体系数，为所述围护结构平均隔热系数，为所述单位体积空气的热容，为所述换气次数，为所述室内高度，为所述当前时刻室外温度，为所述当前时刻室内温度。
7.更进一步地，所述被动热力存储项为：
其中，为所述被动热力存储项，为围护结构总热容，为当前时刻建筑物热容，为上一时刻建筑物热容。
8.更进一步地，所述主动蓄热项为：其中，为所述主动蓄热项，为当前时刻蓄热装置存储热量，为上一时刻蓄热装置存储热量。
9.更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：更进一步地，所述房屋电热负荷需求响应模型包括：其中，为所述被动热力存储项，为所述主动蓄热项，为热源的供热输出功率，为所述房屋单位面积的热力需求，为热源的最大供热输出功率，为蓄热装置的供热输出功率，为蓄热装置的最大供热输出功率，为当前时刻蓄热装置存储热量，为上一时刻蓄热装置存储热量，为蓄热装置的最小存储热量，为蓄热装置的最大存储热量，为设定温度，为最大温度下降偏移量，为最大温度上升偏移量，为当前时刻室内温度。
10.更进一步地，构建所述房屋电热负荷需求响应模型之后还包括：基于所述房屋电热负荷需求响应模型进行热力优化，所述热力优化以用电峰值与用电谷值之间的差值最小为优化目标；根据优化结果控制房屋中电热负荷的充电。
11.按照本发明的另一个方面，提供了一种房屋电热负荷需求响应模型的建模装置，包括：热力需求模块，用于由房屋形体系数、围护结构平均隔热系数、单位体积空气的热容、换气次数、室内高度、当前时刻室外温度和当前时刻室内温度，得到房屋单位面积的热力需
求；主被动储热模块，用于将上一时刻到当前时刻建筑物热容的变化设置为被动热力存储项，将上一时刻到当前时刻蓄热装置存储热量的变化设置为主动蓄热项；模型构建模块，用于基于热源输出功率、所述被动热力存储项、所述主动蓄热项和所述房屋单位面积的热力需求，以及热源输出功率、蓄热装置输出功率、蓄热装置容量和室内温度所满足的约束条件，构建房屋电热负荷需求响应模型。
12.更进一步地，还包括：优化控制模块，用于基于所述房屋电热负荷需求响应模型进行热力优化，所述热力优化以用电峰值与用电谷值之间的差值最小为优化目标；根据优化结果控制房屋中电热负荷的充电。
13.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：提供了一种考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力的电热负荷需求响应模型的建模方法，基于对房屋热力耗散、建筑物热容变化、热源和蓄热装置以及总体热量平衡进行精细建模，综合考虑建筑物围护结构、热源和蓄热装置等，建立考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力的电热负荷需求响应模型，解决屋内热力平衡描述粗糙而不能对电热负荷进行精确调度的问题，有助于合理安排电热负荷的有序充电，实现利用低谷负荷充电的目标，降低负荷峰值大小，从而避免来自电源和电网的低效投资，提升能源系统资源配置效率。
附图说明
14.图1为本发明实施例提供的房屋电热负荷需求响应模型的建模方法的流程图。
15.图2为本发明实施例提供的考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力的房屋结构图。
16.图3为本发明实施例提供的东北某地区典型气温曲线、风电容量因子曲线和负荷曲线图。
17.图4为本发明实施例提供的基准情景、被动式情景、被动+主动式情景下居民总用电负荷的曲线图。
18.图5为本发明实施例提供的房屋电热负荷需求响应模型的建模装置的框图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
20.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
21.图1为本发明实施例提供的房屋电热负荷需求响应模型的建模方法的流程图。参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中房屋电热负荷需求响应模型的建模方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s3。
22.操作s1，由房屋形体系数、围护结构平均隔热系数、单位体积空气的热容、换气次数、室内高度、当前时刻室外温度和当前时刻室内温度，得到房屋单位面积的热力需求。
23.本发明实施例中考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力的房屋结构如图2所示，
该房屋结构中，包括热源和蓄热装置。热源例如为热泵、电采暖等设备；蓄热装置可以将热源产生的暂时不用或多余的热量储存起来，并在需要时再释放出来加以利用。
24.北方冬季供暖时期，假设要求室内温度恒定，此时，房间处于热力平衡状态，热力耗散与热力需求相等。热力平衡下，房屋单位面积的热力需求由墙壁与环境间的热交换以及空气对流有关，可以表示为：其中，为房屋单位面积的热力需求；为房屋形体系数，表征建筑物外表面积与整体体积之比；为围护结构平均隔热系数，与房屋结构相关；为单位体积空气的热容；为换气次数；为室内高度；为当前时刻室外温度，为当前时刻室内温度。
25.操作s2，将上一时刻到当前时刻建筑物热容的变化设置为被动热力存储项，将上一时刻到当前时刻蓄热装置存储热量的变化设置为主动蓄热项。
26.建筑物的屋顶、地板和墙体等是良好的保温材料，可以作为被动的热力存储单元。当室内温度变化时，建筑物热容将会发生变化，变化量可以表示为：因此，被动的热力存储单元的被动热力存储项为：其中，为被动热力存储项，为围护结构总热容，为当前时刻建筑物热容，为上一时刻建筑物热容。
27.室内的供热由热源经蓄热装置提供，蓄热装置拥有主动蓄热的能力。蓄热装置的主动蓄热项为：其中，为主动蓄热项，为当前时刻蓄热装置存储热量，为上一时刻蓄热装置存储热量。
28.操作s3，基于热源输出功率、被动热力存储项、主动蓄热项和房屋单位面积的热力需求，以及热源输出功率、蓄热装置输出功率、蓄热装置容量和室内温度所满足的约束条件，构建房屋电热负荷需求响应模型。
29.热源与蓄热装置需要满足功率和容量的约束。当前时刻，热源的供热输出功率为，蓄热装置的供热输出功率为，它们需要满足以下约束：，它们需要满足以下约束：
当前时刻蓄热装置存储热量可以表示为：可以表示为：需要满足的容量约束可以表示为：综合考虑房屋的被动热力存储和主动蓄热能力，房屋总体的热量平衡可以表示为：为保证用户的舒适度，室内温度的波动需要在设定值附近的一定范围内，可以表示为：基于上述约束和热量平衡表达式，本发明实施例中构建的房屋电热负荷需求响应模型包括：模型包括：模型包括：模型包括：模型包括：模型包括：其中，为被动热力存储项；为主动蓄热项；为热源的供热输出功率，表示当前时刻热源的热力供应量；为房屋单位面积的热力需求，表示当前时刻由于室内外温差造成的热力耗散量；为热源的最大供热输出功率，为蓄热装置的供热输出功率，为蓄热装置的最大供热输出功率，为当前时刻蓄热装置存储热量，为上一时刻蓄热装置存储热量，为蓄热装置的最小存储热量，为蓄热装置的最大存储热量，为设定温度，为最大温度下降偏移量，为最大温度上升偏移量，为当前时刻室内温度。
30.根据本发明的实施例，在构建房屋电热负荷需求响应模型之后还包括：基于房屋电热负荷需求响应模型进行热力优化，热力优化以用电峰值与用电谷值之间的差值最小为优化目标；根据优化结果控制房屋中电热负荷的充电。
31.进一步地，选取东北某地区典型气温曲线、典型风电容量因子曲线和典型负荷曲
线，如图3所示。设置温度设定值为10℃，波动范围为
±
1℃，设置蓄热装置容量为30kwh，热源和蓄热装置最大热力输出功率为8kwh。比较在考虑房屋被动热力存储、主动蓄热前后，居民总用电负荷的峰值与谷值大小。
32.为了比较考虑房屋被动热力存储、主动蓄热前后，居民总用电负荷的峰值与谷值变化的效果，采用控制变量法，设置三种仿真的情景。第一种为“基准情景”，不考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力；第二种为“被动式情景”，考虑房屋被动热力存储，但不考虑主动蓄热能力；第三种为“被动+主动式情景”，同时考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力，即本发明实施例所对应情景。负荷、风电出力以及其余约束条件在基准情景、被动式情景和被动+主动式情景中均相同。通过仿真分析得到了基准情景、被动式情景和被动+主动式情景下居民总用电负荷的曲线，如图4所示。
33.参阅图4，基准情景下，居民用户总用电负荷峰值出现在第13个时间段，达到了11.1kw，总用电负荷谷值出现在第4个时间段，为2.3kw。基准情景下，居民用户总用电负荷峰值与谷值的差值为8.8kw。
34.参阅图4，被动式情景下，居民用户总用电负荷峰值出现在第14个时间段，达到了10.7kw，总用电负荷谷值出现在第4个时间段，为3.4kw。被动式情景下，居民用户总用电负荷峰值与谷值的差值为7.3kw。
35.参阅图4，被动+主动式情景下，居民用户总用电负荷峰值出现在第11至24时间段，保持在8.6kw，总用电负荷谷值出现在第1个时间段，为5.8kw。被动+主动式情景下，居民用户总用电负荷峰值与谷值的差值为2.8kw。
36.由此，可以得到，房屋被动热力存储能有效降低用电峰值、提升用电谷值，而房屋被动热力存储和主动蓄热能力能使这种变化更加明显，与基准情景相比，总用电负荷峰值降低22.5%，总用电负荷谷值提升152.2%，总用电负荷峰值与谷值的差值缩小68.2%。
37.本发明实施例中，考虑房屋被动热力存储和主动蓄热能力，能够在保证用户体感舒适度的情况下进行电热负荷的有序充电，实现利用低谷负荷充电的目标，降低负荷峰值大小，从而避免来自电源和电网的低效投资，提升能源系统资源配置效率。
38.图5为本发明实施例提供的房屋电热负荷需求响应模型的建模装置的框图。参阅图5，该房屋电热负荷需求响应模型的建模装置500包括热力需求模块510、主被动储热模块520以及模型构建模块530。
39.热力需求模块510例如执行操作s1，用于由房屋形体系数、围护结构平均隔热系数、单位体积空气的热容、换气次数、室内高度、当前时刻室外温度和当前时刻室内温度，得到房屋单位面积的热力需求。
40.主被动储热模块520例如执行操作s2，用于将上一时刻到当前时刻建筑物热容的变化设置为被动热力存储项，将上一时刻到当前时刻蓄热装置存储热量的变化设置为主动蓄热项。
41.模型构建模块530例如执行操作s3，用于基于热源输出功率、被动热力存储项、主动蓄热项和房屋单位面积的热力需求，以及热源输出功率、蓄热装置输出功率、蓄热装置容量和室内温度所满足的约束条件，构建房屋电热负荷需求响应模型。
42.根据本发明的实施例，房屋电热负荷需求响应模型的建模装置500还包括优化控制模块。优化控制模块用于基于房屋电热负荷需求响应模型进行热力优化，热力优化以用
电峰值与用电谷值之间的差值最小为优化目标；并根据优化结果控制房屋中电热负荷的充电。
43.房屋电热负荷需求响应模型的建模装置500用于执行上述图1-图4所示实施例中的房屋电热负荷需求响应模型的建模方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图4所示实施例中的房屋电热负荷需求响应模型的建模方法，此处不再赘述。
44.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。