基于虚拟荷电状态优先的定速空调控制策略的制作方法

本发明涉及需进行空调负荷集群调度的领域，主要包括优化控制、负荷转移、需求侧响应，温控负荷，虚拟储能等领域，更具体的说，是涉及一种基于虚拟荷电状态优先的定速空调控制策略。

背景技术：

需求侧响应是一种用户主动接受电网信号进行互动的用电模式。高级量测体系的推广使得温控负荷控制策略和集群调度规模化应用的成为可能。定速压缩机在家庭中主要应用于空调中，也是空调的核心元件。定速空调具有快速的响应速度以及较大的响应潜力。从可削减度、可控度和可接受度三个指标认为普通定速空调作为定速压缩机式温控负荷的参与需求侧响应的典型代表。

定速空调一般采用单相异步电机作为压缩机，电网频率决定了其稳定运行状态下的转速。电网的频率波动较小，这直接导致压缩机只能以固定转速转动，故称定速空调。为了维持室内温度在一个特定温度值附近，就需要控制压缩机不断地通断实现对温度的控制。这种调节方式称为启停调节。

在电网不同的电压、频率下，定速空调功率绝对值略有波动，但是相对值基本不变。即在电网运行情况允许的阈值范围内，定速空调是一种恒功率负载。在动态特性上，电网的电压闪变和频率变动直接影响到空调启动降温、恒温运行和堵转停机等过程，易引起用户舒适度不满，同时也容易对空调造成损伤。在压缩机启动时，压缩机转子从静止到额定转速会产生巨大的转动惯量，导致启动力矩远大于运行力矩。对于空调自身，频繁的启停会加剧空调机械运动部件的磨损；对于电网侧，频繁的启停会导致更大的尖峰冲击电流和能量损失。因此定速空调要避免频繁的启停。

温控负荷的主流模型是灰箱模型(简化物理结构模拟建筑能量流动模型)。目前国内外普遍认可灰箱模型的建模方法有2种：基于电路模拟的等效热参数模型(equivalentthermalparameter，etp)建模方法和基于冷热负荷计算的建模方法。etp模型较为经典的是三阶状态空间的热力学模型，但模型参数众多，计算繁琐。为了在工程领域进行大规模的实际应用，忽略影响较小的参数推导出一阶热力学等效热参数模型。

美国先进电池联合会(usabc)在其《电动汽车电池实验手册》中定义为荷电状态(stateofcharge，soc)：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。本专利仿照其定义提出虚拟储能荷电状态(virtualstateofcharge，vsoc)：虚拟储能在一定的充放电功率下，剩余能量与相同条件下额定容量的比值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，基于虚拟储能控制策略，建立定速压缩机式温控负荷的虚拟储能模型，提出一种针对定速压缩机式空调负荷的vsoc优先虚拟储能控制策略，即一种基于虚拟荷电状态优先的定速空调控制策略，充分挖掘定速压缩机式温控负荷参与需求侧响应的潜力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明基于虚拟荷电状态优先的定速空调控制策略，包括以下步骤：

第一步：基于等效热参数模型(equivalentthermalparameter，etp)建模方法，以此为基础提出虚拟储能模型的热力参数部分，并设立推导相关指标，基于温控负荷运行特性，对电力参数部分指标进行数学描述，综合电力参数部分和热力参数部分形成温控负荷虚拟储能模型；

a)假设房间(箱体)内气体温度等于房间(箱体)内固体温度，引入etp模型，其一般形式为：

式中，pelectrical表示制冷或制热率，kw，除特殊说明外，均以制热举例，故以下简称制热率；ce表示房间(箱体)内等效热容，j/℃；r1表示房间(箱体)内与外部环境的能量传递热阻，℃/w；tin、tout分别表示室内、室外温度；

b)将etp模型等效变化得到虚拟储能模型热力参数部分，并设立推导以下指标：

充放电功率为：

式中，pbase为控制权转移之前的功率，pdisc为放电功率，pchar为充电功率；

充放电时间为：

设初始状态t0时刻为tin(t0)＝c，求解式(2)得式(4)所示：

式中，tin^t表示t时刻的房间(箱体)内温度，℃。s表示开关状态，断开为0，闭合(受控)为1；由闭合到断开或受控的动作认为是放电状态的开始，由断开或受控到闭合的动作认为是充电状态的开始；

定义提出虚拟储能荷电状态(virtualstateofcharge，vsoc)：虚拟储能在一定的充放电功率下，剩余能量与相同条件下额定容量的比值。虚拟荷电状态vsoc如式(5)-(7)：

qcapacity＝ce(tmax-tmin)(5)

式中，qcapacity为额定容量，q(t)为t时刻剩余时刻的容量，tmax、tmin分别为协议最高、最低温度；

c)虚拟储能模型电力参数部分：

充分考虑定速空调启动特性，用式(8)表示定速压缩机电功率

式中，η表示定速空调的能效比，取决于空调型号；μ表示定速压缩机的冲击功率倍数，主要取决于压缩机的参数；prated表示定速压缩机的额定功率，kw；ε为趋近于0的值，表示极短的时间，lim(ε)＝0；s(t)表示定速空调的开关状态，但需要区别制冷、制热工况；

第二步：对虚拟储能模型进行预处理，包括对模型进行离散化和线性化；

a)模型离散化：

定速压缩机是间歇式的，得pelectrical是离散变量，tin(t)作为连续变量对通信流量要求较大，式(4)无法描述实际数据传输中的tin(t)，故对虚拟储能模型进行离散化；

式中，tin^t表示t时刻房间(箱体)内部温度，℃；tin^t+1表示t+1时刻房间(箱体)内部温度，℃；tout^t+1表示t+1时刻外部环境温度，℃；s表示开关函数根据运行工况取值为0或1；δt表示通信时间间隔；

b)模型线性化：

当参与需求侧响应时间较短时，认为外部环境不发生变化，即tout^t＝tout^t+1；设定房间(箱体)温度变化范围为[tmin，tmax]，其中电功率输入的时间为ton，无电功率输入的时间为toff；将tmin、tmax带入式(9)进行迭代计算得：

tcyc＝ton+toff(10)

通过时间间隔δt占总开关时间ton、toff的比例描述每次迭代温度变化，如(12)式所示：

第三步：定速压缩机式虚拟储能主要是指以定速压缩机为核心工作部件的电器设备，启动电流可达额定电流的2～3倍，当定速空调参与需求侧响应需要频繁启动时，相关社区电力网络出现明显的冲击功率，根据其特点提出vsoc优先定速压缩机式控制策略；具体步骤如下：

a)设定以下假设，

控制权让渡时外部环境不发生变化；能量所示只存在于房间与外部温度的差异上；压缩机关停不存在反向尖峰电流；通信数据刷新时间间隔为δt；

b)设定开关函数s＝1表示充电，s＝0表示放电；某一时刻t某个定速压缩机式虚拟储能如(13)所示：

上标j表示第j个虚拟储能；p^jfac_rated表示定速空调j的额定功率；μ表示定速压缩机的冲击功率倍数；则某一时刻t第j个定速压缩机式虚拟储能vsoc^j为：

c)定速压缩机式虚拟储能经过离散化和线性化的预处理得到vsoc^j的递推公式为：

式中，i表示启动序列中的第i个定速空调；ti表示第i个启动的时间点；k表示在时间间隔δt中一共需要有k个定速压缩机启动；

d)确定定速压缩机虚拟储能控制模型：

综上，以放电为例，则定速压缩机式虚拟储能控制模型如：

t^joff表示编号j定速压缩机式虚拟储能t时刻剩余放电时间；^joff_max表示第j个定速压缩机式虚拟储能最大放电时间；t^jon_max表示第j个定速压缩机式虚拟储能最大充电时间；t^jon表示第j个定速压缩机式虚拟储能t时刻剩余充电时间。vsoc^jmax、vsoc^jmin分别表示某一时刻t第j个定速压缩机式虚拟储能最大值和最小值；

第四步：获得参与调度的各定速空调用户的设备参数和运行状态，设定电网功率缺额和控制权让渡时长，具体控制函数如式所示：

其中，p^ts表示t时刻的功率缺额；q集合表示按照vsoc从大到小排列后的集合；jn是q集合的元素，n表示j在新集合中的位置。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

当空调负荷资源有效利用并参与调度时，本发明将能够解决和缓解电力系统的功率缺额问题，从而显著提高系统的用电效率。vsoc优先虚拟储能控制模型的可用性为需求侧空调负荷参与电力系统运行提供了方法支持。同时，为其他形式电采暖参与需求侧响应提供了控制基础。这对于新能源消纳和智能用电具有重要意义，有望推动节能减排工作的进展。

附图说明

图1是一阶etp模型；

图2是虚拟储能热参数部分模型简图；

图3是虚拟储能模型；

图4是线性化温度曲线、vsoc曲线与热功率之间的关系图；

图5中(a)是120min的响应功率变化图；

图5中(b)是100台定速压缩机式虚拟储能vsoc变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明基于虚拟荷电状态优先的定速空调控制策略，包括以下步骤：

第一步：温控负荷能量转换的模型是控制策略精确实现的基础。基于等效热参数模型(equivalentthermalparameter，etp)建模方法，以此为基础提出虚拟储能模型的热力参数部分，并设立推导相关指标。基于温控负荷运行特性，对电力参数部分指标进行数学描述。综合电力参数部分和热力参数部分形成温控负荷虚拟储能模型。具体步骤如下：

a)假设房间(箱体)内气体温度等于房间(箱体)内固体温度，引入etp模型，如图1所示，其一般形式为：

式中，pelectrical表示制冷或制热率，kw，除特殊说明外，均以制热举例，故以下简称制热率；ce表示房间(箱体)内等效热容，j/℃；r1表示房间(箱体)内与外部环境的能量传递热阻，℃/w；tin、tout分别表示室内、室外温度。

b)将图1etp模型等效变化得到图2虚拟储能模型热力参数部分：

tin^t表示t时刻的房间(箱体)内温度，℃。s表示开关状态，断开为0，闭合(受控)为1。由闭合到断开或受控的动作认为是放电状态的开始，由断开或受控到闭合的动作认为是充电状态的开始。r∞表示外部环境的能量耗散。

充放电功率为：

式中，pbase为控制权转移之前的功率，pdisc为放电功率，pchar为充电功率。

充放电时间为：

设初始状态t0时刻为tin(t0)＝c，求解式(2)得式(4)所示：

定义提出虚拟储能荷电状态(virtualstateofcharge，vsoc)：虚拟储能在一定的充放电功率下，剩余能量与相同条件下额定容量的比值。虚拟荷电状态vsoc如式(5)-(7)：

qcapacity＝ce(tmax-tmin)(5)

式中，qcapacity为额定容量，q(t)为t时刻剩余时刻的容量，tmax、tmin分别为协议最高、最低温度。

c)虚拟储能模型电力参数部分：

充分考虑定速空调启动特性，用式(8)表示定速压缩机电功率

式中，η表示定速空调的能效比，取决于空调型号；μ表示定速压缩机的冲击功率倍数，主要取决于压缩机的参数；prated表示定速压缩机的额定功率，kw；ε为趋近于0的值，表示极短的时间，lim(ε)＝0；s(t)表示定速空调的开关状态，但需要区别制冷、制热工况。

d)综上得虚拟储能模型，如图3所示。

第二步：对虚拟储能模型进行预处理，主要包括对模型进行离散化和线性化。具体步骤如下：

a)模型离散化：

定速压缩机是间歇式的，可得pelectrical是离散变量。tin(t)作为连续变量对通信流量要求较大，式(4)无法描述实际数据传输中的tin(t)，故对虚拟储能模型进行离散化。

式中，tin^t表示t时刻房间(箱体)内部温度，℃；tin^t+1表示t+1时刻房间(箱体)内部温度，℃；tout^t+1表示t+1时刻外部环境温度，℃；s表示开关函数根据运行工况取值为0或1；δt表示通信时间间隔。

b)模型线性化：

当参与需求侧响应时间较短时，认为外部环境不发生变化，即tout^t＝tout^t+1。设定房间(箱体)温度变化范围为[tmin，tmax]，其中电功率输入的时间为ton，无电功率输入的时间为toff。将tmin、tmax带入式(9)进行迭代计算可得：

tcyc＝ton+toff(10)

通过时间间隔δt占总开关时间ton、toff的比例描述每次迭代温度变化，如(12)式所示：

第三步：定速压缩机式虚拟储能主要是指以定速压缩机为核心工作部件的电器设备，启动电流可达额定电流的2～3倍，当定速空调参与需求侧响应需要频繁启动时，相关社区电力网络出现明显的冲击功率。根据其特点提出vsoc优先定速压缩机式控制策略。具体步骤如下：

a)设定以下假设，

控制权让渡时外部环境不发生变化；能量所示只存在于房间与外部温度的差异上；压缩机关停不存在反向尖峰电流；通信数据刷新时间间隔为δt。

b)设定开关函数s＝1表示充电，s＝0表示放电。某一时刻t某个定速压缩机式虚拟储能如(13)所示：

上标j表示第j个虚拟储能；p^jfac_rated表示定速空调j的额定功率；μ表示定速压缩机的冲击功率倍数；则某一时刻t第j个定速压缩机式虚拟储能vsoc^j为：

c)定速压缩机式虚拟储能经过离散化和线性化的预处理可得到vsoc^j的递推公式为：

式中，i表示启动序列中的第i个定速空调；ti表示第i个启动的时间点；k表示在时间间隔δt中一共需要有k个定速压缩机启动。

d)确定定速压缩机虚拟储能控制模型：

图4表示线性化温度曲线、vsoc曲线与电功率和热功率的关系。阴影部分表示暂不考虑未达到稳态温度的虚拟储能设备。t^joff表示编号j定速压缩机式虚拟储能t时刻剩余放电时间；joff_max表示第j个定速压缩机式虚拟储能最大放电时间；t^jon_max表示第j个定速压缩机式虚拟储能最大充电时间；t^jon表示第j个定速压缩机式虚拟储能t时刻剩余充电时间。vsoc^jmax、vsoc^jmin分别表示某一时刻t第j个定速压缩机式虚拟储能最大值和最小值。

综上，以放电为例，则定速压缩机式虚拟储能控制模型如：

第四步：通过高级量测体系获得参与调度的各定速空调用户的设备参数和运行状态，设定电网功率缺额和控制权让渡时长。具体控制函数如式所示：

其中，p^ts表示t时刻的功率缺额；q集合表示按照vsoc从大到小排列后的集合；jn是q集合的元素，n表示j在新集合中的位置。

实施例

定速压缩机式控制策略主要思路是基于vsoc的大小对开关状态进行控制，优先关闭运行中vsoc较高的虚拟储能。

以matlab为仿真平台，程序的实现步骤主要包括：数据状态刷新，处理vsoc越限问题，基于vsoc大小产生控制队列q，计算是否满足功率缺额，基于冲击功率产生开启队列，处理相关开启队列，虚拟储能状态迭代更新。

设定功率缺额为30kw，协议控制时长180min。以100台定速压缩机式空调作为调度对象。具体参数为：100台定速空调，起始状态vsoc为0～1均匀分布；开关函数为0～1整数分布；通信时间间隔1min；定速空调设备额定功率2～3kw均匀分布；每台定速空调最大充电为10～15min均匀分布；每台定速空调最大放电时间为20～30min均匀分布；每台定速空调协议最小温度为24～25℃均匀分布；每台定速空调协议最大温度为27～28℃均匀分布；每台定速空调冲击系数为2～3均匀分布；每台定速空调启动电流持续时间3～5s均匀分布。可得最大响应潜力为128.25kw。假设功率缺额30kw，协议控制时长120min，相关控制结果如下图5所示。协议控制时间内，响应功率基本满足缺额功率。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。