基于开关控制的空调负荷参与电网调峰控制方法与系统与流程

本发明属于电力系统及电气工程，涉及电网的调峰控制，尤其涉及一种基于开关控制的空调负荷参与电网调峰控制方法及控制系统。

背景技术：

1、在我国，空调已经成为普遍的家用电器，尤其在夏季负荷高峰期，空调负荷占尖峰负荷的30％-40％，其已经成为负荷高峰不断攀升和高峰期电力供需紧张的重要原因，对电网的经济安全运行造成了严重的影响。如果单纯依靠增加装机容量来满足短时间的高峰负荷需求，则新增的发电机组在非高峰期处于闲置状态，这会造成极大的资源浪费。因此，可将空调负荷作为可调控资源纳入到电网调峰中，既可减缓用电负荷高峰的压力，提高电力系统的运行效率，又可降低投资成本，社会效益和经济效益优势显著。

2、空调负荷具有一定的储热特性，其可在对用户舒适度影响较小的基础上响应电网削峰填谷、负荷跟踪等目标，缓解电网供需平衡的压力。从统计学角度出发，选取空调负荷运行功率和室外温度两个特征，评估空调负荷的可调潜力区间。以负荷历史功率在不同温度出现的频率衡量负荷可削减的难易程度，建立用户激励成本模型与用户挑选模型。轮换选取不同用户参与需求侧响应。当前技术中现有技术文件(cncn105135623b)考虑空调负荷响应潜力的配电网电力弹性平衡方法。利用多因素耦合的空调聚合响应潜力评估方法定量分析空调负荷参与需求侧响应时的最大响应潜力；构建考虑源荷运行特性的双层优化模型，以求取配电网中新能源出力的可信容量。现有技术文件(cn103199555b)针对大规模空调负荷参与新能源电力系统的调频问题，提出了基于无模型自适应控制的频率调节方法。建立多区域互联电网模型，采用等效热力学参数模型构建了定频和变频空调模型与空调负荷调频模型，利用无模型自适应控制算法完全数据驱动抗干扰能力强等特点，设计了区域互联电网自动发电控制器以及空调控制器，实现大规模空调负荷参与新能源电力系统的频率控制。现有技术文件(cn 116260148 a)通过以配电网有功网损最小为目标求解配电网最优潮流模型，从而在实现调峰调度指令分配的同时降低了配电网的有功网损，因该方法及节点电压与可调度容量为约束，减少了配电网节点电压越限可能，提升了调度的安全性。然而，上述中或是仅考虑了某一个过程的多样性破坏或者仅能维持较短时间的响应质量，因此存在虽然研究了如何在满足系统调峰目标中响应时间和容量要求，忽略了应保证响应的质量应当不受到空调群负荷多样性缺失的影响，存在空调群负荷多样性缺失的问题。本发明提出一种基于可开启时间和可关断时间的改进优先序列调控方法，在该控制方法下研究了响应阶段和恢复阶段以空调负荷群总负荷最小为目标的空调负荷参与电网调峰的协调控制策略。通过统筹兼顾调峰的完整过程和每个单一空调的开启情况，本发明在满足系统调峰目标中响应时间和容量要求的同时，确保响应的质量应当不受到空调群负荷多样性缺失的影响。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于开关控制的空调负荷参与电网调峰控制方法及其控制系统，充分考虑了系统调峰目标中响应时间和容量要求的同时，又保证响应的质量不受到空调群负荷多样性缺失的影响。本发明研究了响应阶段和恢复阶段分别以空调负荷群总负荷最小为目标的空调负荷参与电网调峰的协调控制策略。

2、本发明具体采用以下技术方案：

3、一种基于开关控制的空调负荷参与电网调峰控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1，针对空调负荷群，建立等效热参数模型；

5、步骤2，将参与调峰控制的空调负荷聚合，建立在设定温度范围内周期性运行的空调负荷群定频空调功率模型；

6、步骤3，根据空调负荷指令，设计基于温度的定频空调开关控制排序策略；

7、步骤4，计及消除等效热参数对基于温度的定频空调开关控制排序的影响，设置基于可开启时间和可关断时间的优先排序序列；

8、步骤5，以参与调峰控制的空调负荷群总负荷最小为控制目标建立空调负荷群调控目标函数，建立房间室温和空调负荷聚合功率的约束函数；

9、步骤6，在响应阶段，求解步骤5中的目标函数，获取最优的空调负荷聚合功率pset取值，获得空调开关状态控制集合aturn实现对电网的调峰控制。

10、本发明进一步包括以下优选方案。

11、在步骤1中，针对空调负荷建立等效热参数模型包括：

12、在忽略内墙与外墙之间的温度差异和室内空气温度与固体温度之间的温度差的情况下，基于空调负荷群建立电路模拟的一阶等效热参数模型。

13、所述空调负荷等效热参数模型中的参数典型值按照如下方式选取：

14、等效热容在3299.3～3899.3j/℃内均匀分布，等效热阻在0.1008～0.1408℃/w内均匀分布。

15、在步骤2中，定频空调功率模型包括：

16、

17、其中，ptagg为空调负荷群t时刻的聚合功率，为空调i在t时刻的功率，piac,rated为定频空调i的额定制冷量，ui,t为空调i在t时刻的开关状态，1表示开，0表示关；pac,ave为定频空调i的平均功率，tion、tioff分别为定频空调i的开状态时间、关状态时间，n为空调负荷群中的空调数量。

18、在步骤3中，基于温度的定频空调开关控制排序策略，是指当接收到需要削减负荷的调度指令时，按照以下方式实现对空调负荷的有序关断：

19、步骤3.1，根据空调i开关状态ui进行分组，形成开组集合aon和关组集合aoff，分类判据如下：

20、

21、其中，n为空调负荷群中的空调数量；

22、步骤3.2，,对室温进行归一化的处理；第i台空调空调mi，mi当前室温温度调节目标上限值温度调节下限值timin，则第i台空调的归一化室温tinor为：

23、

24、0≤tinor≤1

25、式中，tinor为第i台空调的归一化室温；

26、步骤3.3，根据空调开组集合和关组集合中空调所处房间的室温进行排序，对于开组集合中的空调，按照归一化后的室温递增的顺序排序，即越接近调节目标温度下限的空调更有可能被关闭；对于关组中的空调，则按照归一化后的室温递减的顺序排序，即越接近调节目标温度上限的关状态空调越有可能被开启。

27、所述步骤4中，空调当前可开启/关断以及最大可开启/关断时间可表示为：

28、

29、

30、

31、

32、其中，i表示第i台空调，和为第i台空调的当前可开启时间和可关断时间；和为第i台空调的最大可开启时间和可关断时间，ci和ri分别为第i台空调等效热参数模型中的等效热容和等效热阻，qac,rated为定频空调额定功率，为室内温度，tout为室外温度，timax和timin为室内温度变化的上下边界，aon表示打开的空调集合，aoff表示关闭的空调集合。

33、在步骤5中参与调峰控制的空调负荷群调控目标函数，以及房间室温和空调负荷聚合功率的约束函数具体如下：

34、minpset

35、

36、

37、式中，t1为响应阶段的时段数，pset为最优的空调负荷聚合功率，ptagg为空调负荷群t时刻的聚合功率，第i台空调在t时刻室温，timax和timin为室内温度变化的上下边界。

38、在步骤6中，采用以下方式获取最优的空调负荷聚合功率pset取值，获得空调开关状态控制集合aturn实现对电网的调峰控制。

39、具体步骤为：

40、6.1，设定搜索区间的初值，左边界初值pleft＝0，右边界初值，即所有空调的额定制冷量之和pright＝∑piac,rated，设迭代次数初值ksearch＝1；piac,rated为定频空调i的额定制冷量；

41、6.2，根据当前搜索区间的左右界限确定当前迭代次数下的空调负荷聚合功率值

42、6.3，控制空调负荷群中空调的开关状态，使聚合功率在整个响应期间均不超过值，并判断整个响应阶段内空调所处房间的室温是否出现越限，以表示，若各空调所在房间均没有发生温度越限，则值为1，否则值为0；

43、6.4，根据的数值更新搜索区间的左右边界，若值为1，则更新右边界为若值为0，则更新左边界为

44、6.5，若则迭代收敛并终止，此时的即为最优的空调负荷聚合功率pset值；若则ksearch＝ksearch+1并转到6.2继续迭代，其中，tol为设定的迭代阈值。

45、在步骤6.3中，进一步包括：

46、6.3.1根据值确定响应阶段内各台空调的开关状态控制状态：

47、在响应阶段内，对所有空调根据可关断时间从小到大进行排序，并从可关断时间最小的空调开始选择，对于每一台空调，若满足以下两个条件，则确定选中的空调进行关断操作：

48、(a)当该时段处于开启状态时，空调的可关断时间不会超过其最大值；(b)已选择空调的功率之和未超过值，则该台空调被选择开启，继续选择直至再多选一台空调则所有被选择空调的总功率就超过值；

49、6.3.2根据响应阶段内各台空调的开关状态及所处房间的室温情况，判断是否出现了超过温度上下限的情况：

50、由响应前的室温初值以及响应阶段每个时段的空调开关状态，计算出整个响应阶段内空调所处房间的室温变化情况，若各空调所在房间均没有发生温度越限，则值为1，否则值为0。

51、所述方法还包括步骤7，即调峰结束后，采用恢复至响应前开关状态的方式，实现空调负荷响应结束后的有序恢复，包括：

52、采用恢复至响应前开关状态的方式，即先记录下响应阶段开始的前一时刻各空调的开关状态，待响应结束后则将各空调的开关状态恢复至记录值。

53、本技术还同时保护一种利用前述调峰控制方法的空调负荷参与电网调峰控制系统，包括空调等效热参数模型模块、空调负荷群定频空调功率模型模块、空调可开启时间/可关断时间计算及排序模块、空调负荷群目标函数及约束函数建立模块、目标函数求解模块以及空调负荷群恢复模块，其特征在于：

54、空调等效热参数模型模块根据空调负荷参数，基于电路模拟建立空调一阶等效热参数模型；

55、空调负荷群定频空调功率模型模块建立在设定温度范围内周期性运行的空调负荷群定频空调功率模型；

56、空调可开启时间/可关断时间计算及排序模块计算空调当前可开启/关断以及最大可开启/关断时间，并按照可关断时间从小到大进行排序；

57、空调负荷群目标函数及约束函数建立模块，用于建立空调负荷群调控目标函数，以及房间室温和空调负荷聚合功率的约束函数；

58、目标函数求解模块在约束函数的约束条件下对空调负荷群调控目标函数进行求解，得到空调负荷群的聚合功率控制目标值，实现对空调负荷群的开合控制；

59、在调峰控制结束后，空调负荷群恢复模块实现空调负荷响应结束后的有序恢复。

60、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，借由上述技术方案，本发明的有益技术效果至少包括：

61、1)本发明的开关控制下空调负荷参与电网调峰的协调控制策略，在保证用户舒适度的同时满足了总负荷最小等目标，且基于响应前开关状态记录值的恢复策略也实现了响应结束后空调负荷群功率水平的平稳恢复。

62、2)通过统筹兼顾调峰的完整过程和每个单一空调的开启情况，本发明在满足系统调峰目标中响应时间和容量要求的同时，确保响应的质量应当不受到空调群负荷多样性缺失的影响。

63、3)这个控制策略相交现有技术相比有着大的适用范围，能够更为全面的评估空调群负荷对系统调峰过程中的影响，有着更好的普适性。