一种使空调负荷群功率及舒适状态一致性方法

本发明涉及需求响应，特别涉及一种使空调负荷群功率及舒适状态一致性方法。

背景技术：

1、在电网规模发展带来电力波动性问题的背景下，温控负荷因其控制成本低、规模大、响应潜力大等优点受到了研究人员的广泛关注。利用通信和控制技术，对需求侧柔性温控负荷进行调控，可以有效缓解电网的电力波动，为电网提供辅助服务。而空调负荷作为温控负荷中的典型负荷，其调控方法的研究具有重要意义。然而，当前对空调负荷的分布调控大多只关注功率状态的公平共享，往往忽略了用户舒适度这一指标的公平分配，并且，在研究分布式一致性算法应用在符合调控上，大多只是用一阶模型对空调负荷建模，这些模型虽然简单，但是由于忽略了室内固体温度的影响，使得模型无法精确的描述空调负荷的动态特性，进而无法通过线性二次型调节器方法得到较为准确的控制增益。因此，需要我们建立更加准确的模型，更精确的反映空调负荷的热力学特性，并使用分布式一致性算法使空调负荷的功率状态和舒适状态均得到公平共享。

技术实现思路

1、本发明提供了一种使空调负荷群功率及舒适状态一致性方法，以解决现有分布式一致性方法忽略了室内固体温度的影响，使得模型无法精确的描述空调负荷的动态特性，无法通过线性二次型调节器方法得到较为准确的控制增益，以及现有方法在控制过程中使系统状态一致性程度与初始振荡存在矛盾的问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供了一种使空调负荷群功率及舒适状态一致性方法，具体包括如下步骤：

4、s1、基于二阶etp模型建立空调负荷模型，引入舒适状态概念，并根据舒适状态概念和空调负荷模型建立变频空调的状态空间模型，利用克罗内克积对多个变频空调的状态空间模型进行集合，得到楼宇空调负荷群的系统模型；

5、s2、利用图论刻画空调系统中空调负荷节点的通信图g，根据通信图g和楼宇空调负荷群的系统模型建立分布式控制协议，基于变频空调的状态空间模型并采用lqr方法求得控制增益k，将建立的分布式控制协议部署在空调负荷的终端控制器上，建立空调负荷之间的通信关系；

6、s3、测量并记录各楼宇空调负荷初始功率状态，将初始功率状态数据表达成预设向量形式得到楼宇负荷群初始功率状态数据向量，利用楼宇负荷群初始功率状态数据向量计算楼宇负荷群的总功率，利用空调负荷的功率初始值和楼宇负荷群的总功率更新规则，根据更新规格计算出空调负荷应该更新的功率状态，并将功率状态的更新值广播到每个终端控制器；

7、s4、在实际控制中，各个空调负荷节点利用温度传感器和终端控制器周期性采样空调负荷舒适状态，室内固体温度和功率状态，并根据建立的空调负荷之间的通信关系向相邻通信节点发送周期性采样状态信息，接收到信息后的终端控制器根据控制协议，决定是否更改控制增益k的值，若不更改，则直接进入s5；若更改，则由标记节点控制器向中央控制器发送更改指令，再由中央控制器向各个终端控制器发送更改指令，各终端控制器更新控制增益k值后，进入s5；

8、s5、计算出控制量，终端控制器根据控制量控制空调负荷的功率状态变化。

9、进一步地，所述s1具体包括如下步骤：

10、s11、基于二阶etp模型建立空调负荷模型，空调负荷模型具体为：

11、

12、其中，tai(t)为t时刻的室内温度，tmi(t)为t时刻的室内固体温度，to为室外温度，η为变频空调的能效比，p为变频空调的额定功率，αi(t)为变频空调的功率状态，表示实际功率占额定功率的百分比，ca为室内空气的等效热容，cm为室内固体的等效热容，ra为室内空气的等效热阻，rm为室内固体的等效热阻；

13、s12、引入舒适状态概念βi(t)，将舒适状态概念βi(t)带入到空调负荷模型，加上功率状态变化的微分方程，得到变频空调的状态空间模型；

14、s13、利用克罗内克积对多个变频空调的状态空间模型进行集合，得到楼宇空调负荷群的系统模型。

15、进一步地，所述s12中的舒适状态概念βi(t)具体为：

16、

17、其中，ts为当前居民的温度设定值，δt为居民所能接受的空调调节时房间温度相对ts的变化量；

18、所述s12中的变频空调的状态空间模型具体为：

19、

20、其中，

21、

22、

23、其中，x(t)为状态空间模型的状态变量，为状态变量的一阶导数，a为状态空间模型的系统矩阵，b为状态空间模型的控制矩阵，w为状态空间模型的常量矩阵。

24、进一步地，所述s13中的楼宇空调负荷群的系统模型具体如下：

25、

26、其中，是克罗内克积的数学符号，in为n×n维的单位矩阵，n是我们要聚合的空调负荷数量，in是n×1的列向量，状态变量xi为第i个空调负荷模型的状态变量，指的是第i个空调负荷模型的状态变量的转置矩阵；u表示控制量，u＝[u1,...,ui,...,un]t，ui是第i个空调负荷模型的控制量。

27、进一步地，所述s2具体包括如下步骤：

28、s21、利用图论得到空调系统中空调负荷节点的通信图g，通信图g包括下层通信图g1和上层通信图g2，由下层通信图g1和上层通信图g2分别得到第一邻接矩阵a1和第二邻接矩阵a2；由下层通信图g1和上层通信图g2分别得到第一度数矩阵d1、第二度数矩阵d2；

29、由第一邻接矩阵a1、第一度数矩阵d1得到第一拉普拉斯矩阵l1；

30、由第二邻接矩阵a2、第二度数矩阵d2得到第二拉普拉斯矩阵l2；

31、s22、根据通信图g建立分布式控制协议，采用lqr方法得到控制增益k；

32、s23、将建立的分布式控制协议部署在空调负荷的终端控制器上，建立空调负荷之间的通信关系。

33、进一步地，所述s21中由下层通信图g1得到第一邻接矩阵a1具体为：

34、

35、其中，矩阵中的元素aij表示节点i和节点j之间交换信息的权重；e是边的集合，(vi,vj)∈e表示节点vi和节点vj之间有通信连接；

36、所述s21中由下层通信图g1得到第一度数矩阵d1具体为：

37、

38、式中，diag表示创建一个对角线元素为di的对角矩阵；di的物理意义为当前节点与其他节点的连接数，数学意义为第一邻接矩阵a1中第i列元素的数值和；

39、所述s21中由第一邻接矩阵a1、第一度数矩阵d1得到第一拉普拉斯矩阵l1定义为：

40、

41、其中，lij为第一拉普拉斯矩阵l1的元素；

42、得到第二邻接矩阵a2、第二度数矩阵d2和第二拉普拉斯矩阵l2的过程分别与得到第一邻接矩阵a1、第一度数矩阵d1和第一拉普拉斯矩阵l1相同。

43、进一步地，所述s22中的分布式控制协议具体为：

44、

45、

46、其中，空调系统的n个负荷被分为了m组，每组有n个空调负荷；im是m×m的单位矩阵，δ为n×n的互联矩阵，仅对角线第一元素为1，其余元素均为0，c为要设计的控制耦合增益，c＝1；

47、所述s22中的采用lqr方法得到控制增益k具体为：

48、k＝r-1btp

49、其中，r是控制加权矩阵，用来惩罚ui(t)，p由黎卡提方程求解得到，黎卡提方程具体为：atp+pa+q-pbr-1btp＝0，at表示状态空间模型的系统矩阵a的转置；q是状态加权矩阵，用来惩罚xi(t)；bt表示状态空间模型的控制矩阵的转置；

50、其中，控制增益k的值在响应前段取第一控制增益k1，在响应一段时间后，若标记节点的功率状态变化在10s内不超过0.02，可根据实际情况做更改，控制增益k值取第二控制增益k2。

51、进一步地，所述s3具体包括如下步骤：

52、s31、测量并记录各楼宇空调负荷初始功率状态，将初始功率状态数据表达成预设向量形式得到楼宇负荷群初始功率状态数据向量α0，并利用楼宇负荷群初始功率状态数据向量α0计算楼宇负荷群的总功率∑pac,i(0)，具体为；

53、

54、其中c为1×n的矩阵，元素全为1；

55、s32、利用空调负荷的功率初始值更新规则，根据更新规格计算出空调负荷应该更新的功率状态以满足电力调度命令，并将功率状态的更新值广播到每个终端控制器。

56、进一步地，所述s32中的利用空调负荷的功率初始值更新规则，根据更新规格计算出空调负荷应该更新的功率状态以满足电力调度命令，具体为：

57、楼宇的负荷用电、光伏发电和调度指令应满足：

58、pd＝∑pac,i(t)-∑ppv,i(t)+∑pload,i(t)

59、其中，pac,i(t)是楼宇空调负荷的功耗，pload,i(t)是楼宇其他负荷的功耗，ppv,i(t)是楼宇的光伏发电量，pd是电网的调度命令；

60、一般地，当电力调度命令发生变化时，为满足等式，应在t＝0时对每个空调负荷的功率初始值更新，更新规则具体为：

61、

62、其中，∑pload,i(0)是楼宇其他负荷在t＝0时的总功耗，∑ppv,i(0)是楼宇在t＝0时的光伏发电量。

63、进一步地，所述s4中向相邻通信节点发送信息，具体为：

64、将接收到的相邻节点数据表达成预设向量形式得到状态向量x，具体为：

65、

66、其中，x1＝[α1,β1,tm1]t，x2＝[α2,β2,tm2]t，x3＝[α3,β3,tm3]t，x4＝[α4,β4,tm4]t，x5＝[α5,β5,tm5]t，x1为当前节点自身采集的数据，x2、x3、x4和x5为相邻通信节点发送来的数据向量；xa为上层通信节点接收到的节点数据所表示成的向量形式；xb为下层通信节点接受到的节点数据所表示成的向量形式；

67、s5中的控制量u，具体为：

68、

69、本发明的有益效果：

70、与其他一致性调控方法相比较，本发明提出的一致性调控方法基于建立的二阶热力学模型，该模型补充了室内固体的等效热阻rm和室内固体的等效热容cm两个参数，并增加了对室内固体温度tm(t)的描述，从而能够较精确的反映单体tcl的热力学特性。

71、除此，本方法对控制增益k的取值采用了分段取值，这样做，可以使系统状态响应时，既不会因为控制增益k过大而在开始振荡，也不会使得响应后段系统状态一致性程度不够强。