一种聚合空调需求响应直接负荷控制方法和系统

本发明属于电力系统需求响应控制领域，更具体地，涉及一种聚合空调需求响应直接负荷控制方法和系统。

背景技术：

随着电力系统的不断发展，需求响应在平衡电网供需平衡、维持电网安全稳定运行等方面具有日渐重要的作用。需求响应是指当电力批发市场价格升高或系统可靠性受威胁时，电力用户接收到供电方发出的诱导性减少负荷的直接补偿通知或者电力价格上升信号后，改变其固有的习惯用电模式，达到减少或者推移某时段的用电负荷而响应电力供应，从而保障电网稳定，并抑制电价上升的短期行为。随着经济水平的不断提高，空调负荷的数量不断增多，负荷量日渐增大。在部分城市的夏季正午用电高峰之中空调负荷甚至占比50％以上。空调负荷作为温控性负荷的代表，具有极好的热储存能力，控制灵活，参与需求响应削峰潜力巨大，因此成为参与需求响应的重要资源。

空调负荷参与需求响应的方式主要为直接负荷控制，调整其在负荷高峰时段的设定温度，从而达到降低空调负荷运行功率、削减负荷的目的。但是在直接负荷控制实施过程之中，若不能合理设置各空调在需求响应时段的设定温度，便不能达到预期的需求响应目标；若不能合理控制各空调参与需求响应的起止时刻，就会造成各用户无序回调空调设定温度，造成极高的负荷反弹，对电网造成巨大冲击。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种聚合空调需求响应直接负荷控制方法和系统，其目的在于通过在需求响应中间时段采取满足负荷削减目标的需求响应控制策略进行负荷削减，在需求响应起止时段采取负荷反弹抑制策略进行设定温度回调，使其在保证目标负荷削减要求的前提下，合理控制空调参与需求响应的起止时刻与设定温度，从而抑制负荷反弹现象对于电网的巨大冲击。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种聚合空调需求响应直接负荷控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

s1.根据电网公司提出的需求响应削峰填谷要求，评估目标需求响应量与预期需求响应时段；

s2.在每个预期需求响应时段内，通过以下约束条件确定各个空调的实际需求响应开始时刻、结束时刻以及需求响应设定温度的最优解集合，使得满足所有约束条件后，每个被控空调负荷单机能够在需求响应开始时刻将空调的设定温度从初始值提升至需求响应设定值，在需求响应结束时刻将空调的设定温度从需求响应设定值回调至初始值，同时满足目标需求响应量：

约束条件1：各空调的需求响应开始时刻应在聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间之间，即预期需求开始时段；

约束条件2：各空调的需求响应结束时刻应在聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间之间，即预期需求结束时段；

约束条件3：当各空调室内温度高于设定温度死区上界，空调处于制冷状态；当各空调室内温度低于设定温度死区下界，空调处于待机状态；当各空调室内温度位于设定温度死区范围内，空调维持上一运行状态；

约束条件4：各空调所在室内温度由上一时刻室内温度、空调降温和升温速率、空调上一时刻运行状态决定；

约束条件5：各空调处于制冷状态时，运行功率为各自制冷功率；各空调处于待机状态时，运行功率为各自待机功率；

约束条件6：聚合空调总功率由各空调单机求和得到；

约束条件7：聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量为需求响应时段内负荷基线功率与聚合空调总功率差值的积分；

约束条件8：聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量应在需求响应的预期最小负荷削减目标和最大负荷削减目标之间；

s3.将得到的每个各空调需求响应设定温度和需求响应起止时刻的最优解集合中任一个最优解下发至各空调单机负荷。

优选地，约束条件1～约束条件8的公式如下：

其中，tst,i和ted,i分别为第i台空调参与需求响应的起始时刻和结束时刻；tst1和tst2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间；ted1和ted2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间；si(t)为第i台空调在t时刻的运行状态，si(t)＝1表示空调处于制冷状态，si(t)＝0表示空调处于待机状态；tin,i(t)为第i台空调在t时刻所处的室内温度；tdr,i为第i台空调在需求响应时段的设定温度；δti为第i台空调的死区温度；rdown,i(t)和rup,i(t)分别为第i台空调t时刻的降温和升温速率；pi(t)为第i台空调在t时刻的实时电功率；pon,i和poff,i分别为第i台空调的制冷功率和待机功率；n为聚合空调负荷之中的空调单机总台数；p(t)为t时刻聚合空调需求响应总功率；δw为聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量；p0(t)为t时刻的负荷基线功率；δwmin和δwmax分别为需求响应的预期最小负荷削减目标和最大负荷削减目标。

优选地，在步骤s2结束后、步骤s3开始前，所述方法还包括：

对于最优解集合，通过以下约束条件进一步确定各个空调的实际需求响应开始时刻、结束时刻以及需求响应设定温度的更优最优解集合，并将更优最优解集合更新最优解集合：

约束条件9：在需求响应开始时段，聚合空调总功率的变化率不超过需求响应开始时段的最大功率变化率；

约束条件10：在需求响应结束始时段，聚合空调总功率的变化率不超过需求响应结束时段的最大功率变化率；

约束条件11：在需求响应结束之后，聚合空调总功率相较于负荷基线功率的反弹倍数不超过最大负荷反弹倍数。

优选地，约束条件9～约束条件11的公式如下：

其中，为聚合空调需求响应总功率的变化量；kst和ked分别为需求响应开始时段和结束时段的最大功率变化率；tst和tst2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间；ted和ted2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间。

优选地，约束条件中的所有运行参数是通过安装在各空调负荷单机上的智能控制器提取得到。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种聚合空调需求响应直接负荷控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的聚合空调需求响应直接负荷控制方法。

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：

本发明在需求响应的起止阶段考虑了对于负荷突变的抑制，采用排队法对于各空调需求响应起止时刻进行控制，各空调负荷需求响应起止时刻交错排列，从而避免负荷瞬时集体进入制冷或待机状态，引起负荷尖峰；又保证聚合商可以通过安装于空调负荷终端的智能控制器实现对于终端空调的聚合控制，达到最终需求响应期望目标值的要求。本发明在需求响应中间时段采取满足负荷削减目标的需求响应控制策略进行负荷削减，各空调设定温度由初始设定温度提升至需求响应设定温度，运行状态由制冷状态进入待机状态，最终导致聚合空调总功率降低，起到了削减负荷高峰的作用。

附图说明

图1为本发明提供的聚合空调需求响应直接负荷控制策略示意图；

图2为本发明提供的各空调在参与需求响应的开始与结束时段相互交错排列示意图。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种聚合空调需求响应直接负荷控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤s1.根据电网公司提出的需求响应削峰填谷要求，评估目标需求响应量与预期需求响应时段。

需求响应削峰填谷要求用[δwmin,δwmax]表示，δwmin和δwmax分别为需求响应的预期最小负荷削减目标和最大负荷削减目标。

步骤s2.在每个预期需求响应时段内，通过以下约束条件确定各个空调的实际需求响应开始时刻、结束时刻以及需求响应设定温度的最优解集合，使得满足所有约束条件后，每个被控空调负荷单机能够在需求响应开始时刻将空调的设定温度从初始值提升至需求响应设定值，在需求响应结束时刻将空调的设定温度从需求响应设定值回调至初始值，同时满足目标需求响应量：

约束条件1：各空调的需求响应开始时刻应在聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间之间，即预期需求开始时段；

约束条件2：各空调的需求响应结束时刻应在聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间之间，即预期需求结束时段；

约束条件3：当各空调室内温度高于设定温度死区上界，空调处于制冷状态；当各空调室内温度低于设定温度死区下界，空调处于待机状态；当各空调室内温度位于设定温度死区范围内，空调维持上一运行状态；

约束条件4：各空调所在室内温度由上一时刻室内温度、空调降温和升温速率、空调上一时刻运行状态决定；

约束条件5：各空调处于制冷状态时，运行功率为各自制冷功率；各空调处于待机状态时，运行功率为各自待机功率；

约束条件6：聚合空调总功率由各空调单机求和得到；

约束条件7：聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量为需求响应时段内负荷基线功率与聚合空调总功率差值的积分；

约束条件8：聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量应在需求响应的预期最小负荷削减目标和最大负荷削减目标之间；

s3.将得到的每个各空调需求响应设定温度和需求响应起止时刻的最优解集合中任一个最优解下发至各空调单机负荷。

优选地，约束条件1～约束条件8的公式如下：

其中，tst,i和ted,i分别为第i台空调参与需求响应的起始时刻和结束时刻；tst1和tst2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间；ted1和ted2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间；si(t)为第i台空调在t时刻的运行状态，si(t)＝1表示空调处于制冷状态，si(t)＝0表示空调处于待机状态；tin,i(t)为第i台空调在t时刻所处的室内温度；tdr,i为第i台空调在需求响应时段的设定温度；δti为第i台空调的死区温度；rdown,i(t)和rup,i(t)分别为第i台空调t时刻的降温和升温速率；pi(t)为第i台空调在t时刻的实时电功率；pon,i和poff,i分别为第i台空调的制冷功率和待机功率；n为聚合空调负荷之中的空调单机总台数；p(t)为t时刻聚合空调需求响应总功率；δw为聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量；p0(t)为t时刻的负荷基线功率；δwmin和δwmax分别为需求响应的预期最小负荷削减目标和最大负荷削减目标。

约束条件7，本发明采用积分量表示聚合空调负荷参与需求响应的负荷削减总量，更能反映需求响应整个过程的整体负荷削减情况，而不针对特定峰值点的负荷削减。

优选地，在步骤s2结束后、步骤s3开始前，所述方法还包括：

对于最优解集合，通过以下约束条件进一步确定各个空调的实际需求响应开始时刻、结束时刻以及需求响应设定温度的更优最优解集合，并将更优最优解集合更新最优解集合：

约束条件9：在需求响应开始时段，聚合空调总功率的变化率不超过需求响应开始时段的最大功率变化率；

约束条件10：在需求响应结束始时段，聚合空调总功率的变化率不超过需求响应结束时段的最大功率变化率；

约束条件11：在需求响应结束之后，聚合空调总功率相较于负荷基线功率的反弹倍数不超过最大负荷反弹倍数。

优选地，约束条件9～约束条件11的公式如下：

其中，为聚合空调需求响应总功率的变化量；kst和ked分别为需求响应开始时段和结束时段的最大功率变化率；tst和tst分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早起始时间和最晚起始时间；ted和ted2分别为聚合空调负荷参与需求响应的最早结束时间和最晚结束时间。

约束条件10，在结束时段聚合空调总功率的变化率反映聚合空调总功率的波动性，即负荷反弹。

优选地，约束条件中的所有运行参数是通过安装在各空调负荷单机上的智能控制器提取得到。

从图1中可以看出，在需求响应中间时段，各空调设定温度由初始设定温度提升至需求响应设定温度，运行状态由制冷状态进入待机状态，最终导致聚合空调总功率降低，起到了削减负荷高峰的作用。可以看出，需求响应的总负荷削减量是由功率削减量与需求响应持续时长的积分决定。由此，构建了满足负荷削减目标的需求响应控制策略。其中，(约束条件1-2)限制了需求响应的开始与结束时间段，以满足特定的需求响应要求；(约束条件3-8)结合空调运行功率与设定温度、室内温度及运行状态间的关系，限制聚合空调总负荷削减量在一定的目标约束范围之内，从而达到了满足负荷削减目标的要求。此外，考虑若在需求响应开始与结束阶段使得各个空调集中同时调整设定温度，如若在tst1时刻集中控制各空调设定温度上升至需求响应设定温度，在ted1时刻集中控制各空调设定温度回调至初始设定温度，则会导致聚合空调总功率于tst时刻瞬间下降至接近于零的聚合待机功率，于ted1时刻瞬间抬升至极高的聚合制冷功率从而产生严重的负荷反弹现象，且在短时间内负荷处于远高于基线负荷的高位。由此，构建了负荷反弹抑制策略。其中，如图2所示，本发明(约束条件9-10)安排了各空调在参与需求响应的开始与结束时段相互交错排列，而不是统一瞬时调整；在需求响应开始时段与结束时段限制了功率的变化速率，防止功率瞬间抬升或瞬间下降对于电网安全稳定运行的冲击；(约束条件11)在需求响应时段结束之后，要限制负荷与基线负荷相差在最大负荷反弹倍数之内，使得需求响应功率曲线尽可能与负荷基线靠拢。

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。