基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减方法与流程

本发明涉及电力系统自动化领域，尤其是一种夏季电网负荷大时的空调负荷削减方法。

背景技术：

近些年，空调负荷在总电力负荷中所占比重越来越大，直接导致了夏季负荷屡屡创下新高，峰谷差加剧。为解决该问题，从源侧调整机组出力的方法将增加发电机的损耗，且备用容量因使用时间太少将造成浪费，因此对于荷侧的调控技术得到了广泛的关注。目前对于空调负荷缺乏有效的建模手段，且在控制方法上多使用可中断控制直接关停。由于空调产生的制冷量可以存储在建筑楼宇中并维持一段时间，这种对于热能的存储能力可以联想到电池对于电能的存储。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减方法，能够在不影响用户舒适性的前提下，合理地进行负荷削减。本发明采用的技术方案是：

一种基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减方法，包括以下步骤：

步骤s1，在用户侧考虑包括空调机组的额定制冷功率、能效比、室内建筑热工参数构成的反映空调负荷、制冷机启停状态和室温变化规律的空调负荷-室温基本模型；

步骤s2，将空调虚拟转化为储能元件，并引入荷电状态参数的概念，建立基于荷电状态参数的空调元件的荷电参数储能模型；

步骤s3，在空调元件荷电参数储能模型的基础上，建立基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减模型；

步骤s4，当夏季电网发生容量缺额时，空调负荷参与需求响应，将期望削减的空调负荷值输入空调负荷削减模型当中，并确定空调负荷削减控制规定的室内温度上下限、负荷削减持续时间、提前制冷时间三个数据，计算出空调负荷能够削减的最大值。

进一步地，步骤s1中，空调负荷-室温基本模型包括：

室温变化规律用一阶等效热参数模型表示，如下式(1)：

prated为空调机组的额定制冷功率；η为空调能效比；ηprated为空调的额定制冷量；s(tk)为tk时刻制冷机的启停状态，1表示开启，0表示停机；c为室内等效热容；r为室内等效热阻；tout(tk)为tk时刻室外温度；tin(tk)为tk时刻室内温度；

假设室外温度在[tk,tk+1]时段内保持为tout(tk)不变，若已知该时段初始的tk时刻室内温度tin(tk)，则tk+1时刻室内温度tin(tk+1)的表达式为：

制冷机的启停状态与室温之间的关系表示为：

s(tk-1)为tk-1时刻制冷机的启停状态。

进一步地，步骤s2中，空调房间内任何时间段的储冷量变化值等于该时段空调的制冷量与房间热交换所增加的热量差：

其中，qstore(tk)、qstore(tk+1)分别为tk、tk+1时刻房间的储冷量；qrated为空调的额定制冷量；wcon为空调机组工况标志，取1为制冷工况；s(tk)为tk时刻制冷机的启停状态；δt为tk至tk+1时刻的时间间隔；qd(tk)为tk时刻由于室内外温差引起的房间散失冷量，即房间热交换所增加的热量；

将空调虚拟为充电电池，推导出空调房间等效储电量的递推关系：

其中，estore(tk)、estore(tk+1)分别为tk、tk+1时刻房间的等效储电量；prated为空调的额定功率；pd(tk)为tk时刻由于室内外温差引起的房间散失功率；

空调作为虚拟电池，其放电功率表示为：

tout(tk)为tk时刻的室外温度，tin(tk)为tk时刻的室内温度，r为房间的室内等效热阻；

设房间的温度在[tmin，tmax]内变化，则tk时刻房间的等效储电量为：

推导出estore(tk+1)的递推公式：

tk时刻的荷电状态参数定义为：

ccapacity为虚拟电池的储能容量；

tk+1时刻的荷电状态参数为：

进一步地，步骤s3中，将空调负荷削减潜力定义为聚合空调受控后任意时刻负荷削减量的最小值；空调负荷削减潜力的表达式如下：

ppot＝min(pbase(t)-preal(t))(12)

ppot表示空调的负荷削减潜力，pbase(t)表示聚合空调t时刻基线功率值，preal(t)表示t时刻空调受控后的运行功率；n’为聚合空调中空调数量，pone(k)表示第k台空调的制冷功率，s(k,t)为第k台空调t时刻的制冷机启停状态；

目标函数是使得空调负荷削减潜力ppot最大；即：

max(ppot)(13)

通过调高空调房间的设定温度以达到降低空调负荷的目的；

约束条件包括：室温上下限约束、停机期时长约束、空调最小运行时间约束、决策变量取值范围约束。

更进一步地，室温上下限约束包括：

设空调受控后的设定温度为tset′，则室温从初始温度[tmin,tmax]缓慢提升至tset′的某一值域内[tmin′,tmax′]，即在负荷削减的事件结束时刻tend时，室内温度/荷电状态参数应满足以下约束：

tmin′≤tin(tend)≤tmax′(或0≤soc(tend)≤1)

且tin(tk)≤tmax′，k＝0,1,2…end(14)

tin(tend)为负荷削减事件结束时刻tend时室内温度，soc(tend)为负荷削减事件结束时刻tend时荷电状态参数。

更进一步地，停机期时长约束包括：

ton-last、toff-last分别为空调受控后实际运行时制冷机的开启和关闭时间，t^on、t^off分别是未受控时一个工作周期内制冷机的最小开启时间和最小停机时间；

其中，

tout为室外温度。

更进一步地，空调最小运行时间约束包括：

式(18)中，s(k,t)表示t时刻第k台空调的启停状态；tp_cool表示表示提前制冷的起始时刻；te_end表示空调负荷削减事件的结束时刻，m代表某m时刻；utk表示第k台空调的最小保持运行时长；s(k,0)分别表示刚开始的零时刻时，第k台空调在运行状态的时长和启停状态。

更进一步地，决策变量取值范围约束包括：

s(k,t)为第k台空调t时刻的制冷机启停状态；pbase(t)表示聚合空调t时刻基线功率值，pair表示单台空调平均功率；tp_cool表示表示提前制冷的起始时刻；te_start表示空调负荷削减事件的起始时刻，te_end表示空调负荷削减事件的结束时刻；num_pot表示空调负荷削减控制期间的开机数。

本发明的优点在于：

1、原理可靠，与直接关闭空调相比，能够平滑地控制空调设备能耗。

2、方法清晰，以温度调节为控制手段，提前设定室内温度上下限，不会因负荷削减而影响用户舒适。

3、目标函数为空调负荷削减量最大，且给出了具体的约束条件，根据虚拟荷电状态参数的变化来控制空调设备运行从而实现负荷调节，负荷削减精度高。

4、工程现场实际应用价值高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的实现结构图。

图3为本发明的空调制冷机工作特性图。

图4为本发明的空调负荷削减模型实现方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出一种基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤s1，在用户侧考虑包括空调机组的额定制冷功率、能效比、室内建筑热工参数构成的反映空调负荷、制冷机启停状态和室温变化规律的空调负荷-室温基本模型；

步骤s2，将空调虚拟转化为储能元件，并引入荷电状态参数的概念，建立基于荷电状态参数的空调元件的荷电参数储能模型；

步骤s3，在空调元件荷电参数储能模型的基础上，建立基于温度调节手段和荷电状态参数建模的空调负荷削减模型；

步骤s4，当夏季电网发生容量缺额时，空调负荷参与需求响应，将期望削减的空调负荷值输入空调负荷削减模型当中，并确定空调负荷削减控制规定的室内温度上下限、负荷削减持续时间、提前制冷时间三个数据，计算出空调负荷能够削减的最大值。

一种典型中央空调系统的结构，包括制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔；其中制冷机和风机占到空调能耗的90％以上，因此，本发明在建模时仅考虑这两个主要用电设备。风机将冷/热空气输送到室内，并保证房间内的空气质量。制冷机的工作状态包括停机期和开启期两阶段，当制冷机工作时，由于空调本体内部的热交换产生的制冷量通过风机的吹送使得室温降低；而在制冷停止工作的时期，中央空调系统仍将会利用送风机和制冷剂的余冷量为室内供冷，但受太阳辐射、室内外温度差引起的热交换、室内照明及其他电器发热、人体活动散热等因素影响，室内温度将缓慢上升，同时空调能耗下降。这个过程会持续到达到制冷机芯片所设定的室内温度上限后，制冷机将重新启动，空调恢复制冷，能耗上升。

步骤s1中，室温变化规律反映了由于室内外温差而导致的室内温度动态变化；其热动力学过程可用一阶等效热参数模型表示，如下式(1)：

prated为空调机组的额定制冷功率；η为空调能效比；ηprated为空调的额定制冷量，单位为w；s(tk)为tk时刻制冷机的启停状态，1表示开启，0表示停机；c为室内等效热容，单位为j/℃；r为室内等效热阻，即空气热损失系数的倒数，单位为℃/w；tout(tk)为tk时刻室外温度；tin(tk)为tk时刻室内温度；其中r和c均是室内建筑热工参数；

假设室外温度在[tk,tk+1]时段内保持为tout(tk)不变，若已知该时段初始的tk时刻室内温度tin(tk)，则tk+1时刻室内温度tin(tk+1)的表达式为：

当空调制冷机开启时，空调向室内供冷，室温下降直至温控器设定的室内温度下限tmin后，制冷机停机；接着送风系统仍保持正常工作，利用制冷剂的余冷继续向房间制冷，但此时的制冷效果变差；由于炎热天气开空调时室内外的温差、室内电器的散热、人类活动散热等因素，使得房间内外一直在进行热交换，室温会不断上升，直至室内温度达到温控器设定的温度上限tmax时，制冷机又重新工作，开始制冷，空调房间的温度开始下降，如此循环。tmax、tmin一般由空调内置的温差控制模块按照遥控器的设定温度tset，再加上固定的控制偏差δ来决定，tmax、tmin分别为tset±δ/2；如图3所示；

由图3可知，若将制冷机开启时的状态s计为1，停机时的状态s记为0，则制冷机的启停状态与室温之间的关系表示为：

s(tk-1)为tk-1时刻制冷机的启停状态；

步骤s2中，荷电状态参数是一个虚拟的参数，由于空调及其所在房间有一定的储热特性，因此可将空调看作虚拟的储能元件(例如充电电池)进行相应的建模；将空调制冷机开启，室内制冷、温度降低视为充电状态；制冷机停机，室内温度升高视为放电状态；

根据能量守恒定率，空调房间内任何时间段的储冷量变化值等于该时段空调的制冷量与房间热交换所增加的热量差：

其中，qstore(tk)、qstore(tk+1)分别为tk、tk+1时刻房间的储冷量，单位为j；qrated为空调的额定制冷量，单位为w；wcon为空调机组工况标志，1为制冷工况，-1为制热工况，本文主要研究夏季空调制冷的情况，因此工况标志取1；s(tk)为tk时刻制冷机的启停状态；δt为tk至tk+1时刻的时间间隔；qd(tk)为tk时刻由于室内外温差引起的房间散失冷量，即房间热交换所增加的热量，单位为w；

由于qrated＝prated·η，即空调制冷量等于制冷电功率乘以能效比，依据此倍比关系，在上式(4)两边同除以能效比η，能够推导出空调房间等效储电量的递推关系：

其中，estore(tk)、estore(tk+1)分别为tk、tk+1时刻房间的等效储电量，单位为wh；prated为空调的额定功率，单位为w；pd(tk)为tk时刻由于室内外温差引起的房间散失功率，单位为w；

根据上式，可将空调等效为类似电池的可充放电元件：

1)当制冷机开启，认为元件处于充电状态，充电功率为即为额定功率prated，且此时s(tk)＝1，反之，当制冷机关闭，元件放电，s(tk)＝0；

2)不论制冷机是何工作状态，由于室内外温差引起的热交换都会使得房间存在自放电行为，pd(tk)为放电功率，可表示为：

tout(tk)为tk时刻的室外温度，tin(tk)为tk时刻的室内温度，r为房间的室内等效热阻；

设房间的温度在[tmin，tmax]内变化，在tmax认为空调元件的荷电参数储能模型处于完全失电状态，则tk时刻房间的等效储电量为：

由式(5)～(7)可推导出estore(tk+1)的递推公式：

空调能够将电网的电能通过制冷机的运行转化为热能存储于建筑楼宇的房间中，类似于一块虚拟蓄电池，因此本文定义空调房间能量存储的荷电状态参数soc，表征当前虚拟电池的电能容量与完全充满电时容量的比值(即当前室温设定值时的空调房间储冷量与室温达到用户接受的最低温度tmin时空调房间储冷量的比值)：

ccapacity为虚拟电池的储能容量，也就是用户接受的最低温度tmin时空调房间储冷量；

由此可得tk+1时刻的荷电状态参数soc(tk+1)的递推公式：

由上，可以通过充放电控制实现对空调元件荷电参数储能模型的负荷侧调度。

步骤s3中，需要建立空调负荷削减模型；

将空调负荷削减潜力定义为聚合空调受控后任意时刻负荷削减量的最小值；聚合空调是指需要调控的多个空调的集合；聚合空调的负荷削减量有的时刻例如可以削减3万瓦，有的时刻可以削减2.5万瓦，有的时刻可以削减2万万，取其中的最小值，可保证任意时刻都不影响空调房间内的舒适性；

空调负荷削减潜力的表达式如下：

ppot＝min(pbase(t)-preal(t))(12)

ppot表示空调的负荷削减潜力，pbase(t)表示聚合空调t时刻基线功率值，preal(t)表示t时刻空调受控后的运行功率；n’为聚合空调中空调数量，pone(k)表示第k台空调的制冷功率，s(k,t)为第k台空调t时刻的制冷机启停状态；

本发明的目标函数是使得空调负荷削减潜力ppot最大，即：

max(ppot)(13)

本发明采取通过调高空调房间的设定温度以达到降低空调负荷的目的；

目标函数的约束条件包括：

1)室温上下限约束；

预设的空调设定温度tset，设空调受控后的设定温度为tset′，则室温从初始温度[tmin,tmax]缓慢提升至tset′的某一值域内[tmin′,tmax′]，即在负荷削减的事件结束时刻tend时，室内温度/荷电状态参数应满足以下约束：

tmin′≤tin(tend)≤tmax′(或0≤soc(tend)≤1)

且tin(tk)≤tmax′，k＝0,1,2…end(14)

tin(tend)为负荷削减事件结束时刻tend时室内温度，soc(tend)为负荷削减事件结束时刻tend时荷电状态参数；

2)停机期时长约束

为避免频繁启停制冷机而对其造成磨损甚至损害空调寿命，计入制冷机启/停的一次时间约束，也即空调储能元件的充放电持续时间，分别大于正常工作时(设定温度为tset时)一个工作周期内制冷机的启停时间；

ton-last、toff-last分别为空调受控后实际运行时制冷机的开启和关闭时间，t^on、t^off分别是未受控时一个工作周期内制冷机的最小开启时间和最小停机时间；

其中，

tout为室外温度；

3)空调最小运行时间约束

同样地，为了保证受控空调及其元件的使用寿命，设定制冷机启动后最小运行时间为3min；

式(18)中，s(k,t)表示t时刻第k台空调的启停状态；tp_cool表示表示提前制冷的起始时刻；te_end表示空调负荷削减事件的结束时刻，m代表某m时刻；utk表示第k台空调的最小保持运行时长；s(k,0)分别表示刚开始的零时刻时，第k台空调在运行状态的时长和启停状态；设置第三个公式是为了保证空调机组在负荷削减任务结束前时刻的开断状态保持连续，避免在降负荷任务结束前进行多余的开断动作。gk则表示空调在接受降负荷调控后的零时刻，因启动后最小运行时间约束的缘故，不能立即改变运行状态，还需要将原状态维持一段时间；

4)决策变量取值范围约束：

s(k,t)为第k台空调t时刻的制冷机启停状态；pbase(t)表示聚合空调t时刻基线功率值，pair表示单台空调平均功率；tp_cool表示表示提前制冷的起始时刻；te_start表示空调负荷削减事件的起始时刻，te_end表示空调负荷削减事件的结束时刻；num_pot表示空调负荷削减控制期间的开机数；

式(19)中第一个公式表示空调的制冷机启停状态s(k,t)为0-1变量，时间范围包括空调负荷削减事件开始前的提前制冷时间(从tp_cool时刻至te_start时刻)，和开始空调负荷削减后的持续时间(从te_start时刻至te_end时刻)；提前制冷的含义是在负荷高峰期到来之前开足用户的空调，让室内温度降到比较低的程度，等到负荷高峰到来时，再关闭用户空调，或者将温度设定点调高，从而达到在较长一段时间降低空调负荷的目的；第二个式子中表示聚合空调的负荷削减的能力来自关闭的空调制冷机的数量，为了在高峰期间实现降负荷，控制期间的开机数num_pot要小于不控制时原空调的基线负荷的最小制冷机运行数量，即负荷削减量小于不控制时的最低基线负荷；

步骤s4中，在迎峰度夏期间电网用电紧张，当夏季电网发生容量缺额时，空调负荷参与需求响应，将期望削减的空调负荷值输入空调负荷削减模型当中，并确定空调负荷削减控制规定的室内温度上下限[tmin′,tmax′]、负荷削减持续时间(从te_start时刻至te_end时刻)、提前制冷时间(从tp_cool时刻至te_start时刻)三个数据，计算出空调负荷能够削减的最大值。

基于温度调节手段和荷电状态参数的空调负荷削减模型的实现方法如图4所示。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。