基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法

摘要

本发明公开了基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法，通过直接控制变频空调的设定温度和压缩机功率，并在此基础上对变频空调群组进行动态优化调控，降低夏季高峰时期的变频空调负荷，保证完成电网调度目标的同时，减少空调负荷控制对人体舒适度的影响，充分、合理地利用变频房间空调群组，进一步丰富现有需求响应资源。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，更准确地说本发明涉及在智能电网环境 下对变频空调群组实施的一种负荷建模与运行控制方法。

背景技术

据统计，夏季负荷高峰期的空调负荷占尖峰负荷的30％-40％，北京、上海等城市甚 至达到了50％左右，巨大的空调负荷已成为高峰负荷不断攀升和负荷特性不断恶化的重 要原因，对电网安全经济运行带来极大的负面影响。同时，空调负荷所属建筑环境具备 一定的热存储能力，通过合理的负荷控制手段，集中控制后的空调系统群组不仅能够灵 活快速地响应电网侧的调度，降低高峰时段的电力需求，更为经济和有效地缓解电力供 需矛盾，而且合理的负荷控制对于用户用电舒适度的影响很小，是电力公司重要的需求 响应资源。

同时，国内外现有的定频空调与中央空调的调控项目表明，基于空调负荷控制技术 的需求响应项目具有良好的削峰效果，并且其削峰成本只有新建调峰电厂的5％～10％。 但是目前的研究仍停留在定频空调参与系统运行阶段，现如今变频空调的市场份额已达 50％以上且日后会进一步取代定频空调，现有的空调调控手段已经不能满足实际中系统 对空调调用的需要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的空白，本专利提供了一种基于需求响应的变频空调 的负荷建模与运行控制方法，其目的在于通过直接控制变频空调的温度和压缩机最大功 率，并在此基础上对变频空调群组进行动态优化调控，降低夏季负荷高峰负荷，保证完 成电网调度目标的同时充分、合理地利用变频房间空调群组，进一步丰富现有需求响应 资源。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法，包括如下步骤：

(1)建立变频空调及其所属变频房间的负荷模型：

(1.1)建立变频空调的压缩机频率f与制冷/制热功率P的函数关系，建立变频空 调的压缩机频率f与制冷量Q的函数关系：

变频空调的压缩机频率f与制冷/制热功率P基本呈线性关系(这种线性关系在不同 的运行工况下变化都比较小)，使用一次函数进行拟合；变频空调的压缩机频率f与制 冷量Q基本呈二次函数关系，使用二次函数进行拟合；具体为：

P(t)＝n·f(t)+m(1)

Q(t)＝a·f(t)²+b·f(t)+c(2)

式中：P(t)表示t时刻变频空调的制冷/制热功率(单位：kW)，f(t)表示t时刻变 频空调的压缩机频率(单位：Hz)，n和m表示一次函数的常系数(n和m根据变频空 调类型取值)；Q(t)表示t时刻变频空调的制冷量(单位：kW)，a、b和c表示二次函 数的常系数(a、b和c根据变频空调类型取值)；

(1.2)建立变频房间包含制冷量Q的热力学函数：

目前变频房间的热力学函数通常采用等效热参数模型(ETP)，但是ETP中的原始 二阶微分方程过于复杂，对ETP进行简化可以得到一阶简化的变频房间的热力学函数， 如式(3)所示：

$T_{in}(t+1)=T_{out}(t+1)-Q\left(t\right)·R-\left(T_{out}\right(t)-Q(t)·R-T_n(t\left)\right)·e^{-\frac{dt}{R·C}}---\left(3\right)$

式中：T_in(t)表示t时刻的室内温度(单位：℃)，T_out(t)表示t时刻的室外温度(单 位：℃)，R表示变频房间的热阻(单位：Ω)，C表示变频房间的等效热容(单位：F)；

(1.3)建立变频空调压缩机频率f与室内温度T_in的函数关系：

变频空调按照各厂家所设定的调频方式进行控制，一般来说压缩机频率f由室内温 度T_in与设定温度T_s之差ΔT＝T_in﹣T_s决定，室内温度传感器每隔一段时间检测一次ΔT： 当△T≥S_max时，为了使室内温度T_in达到设定温度T_s，压缩机全速运转，即以最高频率f_max运行不下降；当△T≤S_min时，压缩机以最低频率f_min运行不上升；压缩机频率f与室内 温度T_in的函数关系如下：

$f(t+1)=\left(\begin{array}{cc}{f}_{max}& S_{max}<\Delta T\\ f\left(t\right)+K·\Delta T(t+1)& S_{\min }\le \Delta T\le S_{max}\\ f_{min}& \Delta T<S_{\min }\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中：△T(t+1)＝T_in(t+1)﹣T_s(t+1)，T_s(t)表示t时刻的设定温度(单位：℃)；f_max表示变频空调的最大压缩机频率(单位：Hz)，f_min表示变频空调的最小压缩机频率(单 位：Hz)，f_min<f(t)<f_max；S_max和S_min为空调设定温度阈值；

(2)变频空调参与需求响应的负荷控制过程：

在参与需求响应的条件下，可以通过两种方式改变变频空调的运行参数变量：1、 改变变频空调的设定温度T_s，此种控制手段由于不涉及变频空调内部装置，实际操作较 容易实现，但可能难以预测下一时段的负荷变化；2、改变变频空调的压缩机频率f， 此种控制手段需要改变变频空调压缩机固有策略，工程实践上需要空调生产厂商协同配 合，但可以实现负荷的精确控制；

(2.1)设K台变频空调构成的变频空调群组在控制周期内室外温度T_out为恒定值， 空调群组从t+1时刻起开始参与需求响应；当变频空调k参与需求响应的负荷控制时， 结合满足人体舒适度条件下的室内温度区间[T_min,T_max]和变频空调的控制策略，设定室 内温度控制区间为[T_min+S_min,T_max-S_max]，将t+1时刻变频空调k的设定温度T_ks(t+1)定 为室内温度控制区间内且高于t时刻设定温度T_ks(t)的值，即：

T_min+S_min<T_ks(t)<T_ks(t+1)<T_max-S_max(5)

式中：T_min表示人体可接受温度下限(单位：℃)，T_max表示人体可接受温度上限(单 位：℃)；

(2.2)计算实际负荷控制中t+1时刻K台变频空调所能提供的实际出力与理想出力 的偏差e₁(t+1)：

$e_1(t+1)=G(t+1)-D(t+1)={\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{P}_k\left(t+1\right)-D\left(t+1\right)\right)}^2---\left(6\right)$

式中：G(t)表示t时刻n台变频空调所能提供的实际制冷/制热功率，D(t)表示t时 刻K台变频空调所能提供的理想制冷/制热功率；P_k(t)表示t时刻变频空调k的制冷/制 热功率(单位：kW)；

(2.3)计算实际负荷控制中每台变频空调控制前后设定温度的偏差，并将该值作为 控制目标e₂(t+1)：

$e_2(t+1)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\left(T_{ks}\right(t+1)-T_{ks}(t\left)\right)}^2---\left(7\right)$

(2.4)建立实际电力系统运行中空调负荷直接控制决策模型：

$\left(\begin{array}{c}min\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{e}_1\left(t+1\right)\\ min\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{e}_2\left(t+1\right)\end{array}\right)---\left(8\right)$

$f_{max}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4a(c-\frac{T_{out}-T_{min}-S_{min}}{R})}}{2a}---\left(9\right)$

$f_{min}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4a(c-\frac{T_{out}-T_{max}+S_{max}}{R})}}{2a}---\left(10\right)$

s.t.T_min+S_min≤T_s(t+1)≤T_max-S_max(11)

ors.t.f_min≤f(t+1)≤f_max(12)

其中，式(11)表示改变设定温度所需满足的约束条件，式(12)表示改变压缩机 频率所需满足的约束条件。

有益效果：本发明提供的基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法，可以 降低夏季高峰时期的变频空调负荷，保证完成电网调度目标的同时，减少空调负荷控制 对人体舒适度的影响，充分、合理地利用变频房间空调群组，进一步丰富现有需求响应 资源。

附图说明

图1为本发明的控制框图；

图2为计算机仿真中，空调设定温度T_s由25℃控制到28℃变频空调房间功率与室 温的变化过程；

图3为计算机仿真中，空调压缩机频率f由25℃频率变为28℃频率功率与室温的 变化过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本专利提供一种基于需求响应的变频空调的负荷建模与运行控制方法，其目的在于 通过直接控制变频空调的温度和压缩机功率，并在此基础上对变频空调群组进行动态优 化调控，降低夏季高峰时期的变频空调负荷，保证完成电网调度目标的同时，减少空调 负荷控制对人体舒适度的影响，充分、合理地利用变频房间空调群组，进一步丰富现有 需求响应资源。

基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法，包括如下步骤：

(1)建立变频空调及其所属变频房间的负荷模型：

(1.1)建立变频空调的压缩机频率f与制冷/制热功率P的函数关系，建立变频空 调的压缩机频率f与制冷量Q的函数关系：

变频空调的压缩机频率f与制冷/制热功率P基本呈线性关系(这种线性关系在不同 的运行工况下变化都比较小)，使用一次函数进行拟合；变频空调的压缩机频率f与制 冷量Q基本呈二次函数关系，使用二次函数进行拟合；具体为：

P(t)＝n·f(t)+m(1)

Q(t)＝a·f(t)²+b·f(t)+c(2)

式中：P(t)表示t时刻变频空调的制冷/制热功率(单位：kW)，f(t)表示t时刻变 频空调的压缩机频率(单位：Hz)，n和m表示一次函数的常系数(n和m根据变频空 调类型取值)；Q(t)表示t时刻变频空调的制冷量(单位：kW)，a、b和c表示二次函 数的常系数(a、b和c根据变频空调类型取值)；

(1.2)建立变频房间包含制冷量Q的热力学函数：

目前变频房间的热力学函数通常采用等效热参数模型(ETP)，但是ETP中的原始 二阶微分方程过于复杂，对ETP进行简化可以得到一阶简化的变频房间的热力学函数， 如式(3)所示：

$T_{in}(t+1)=T_{out}(t+1)-Q\left(t\right)·R-\left(T_{out}\right(t)-Q(t)·R-T_{in}(t\left)\right)·e^{-\frac{dt}{R·C}}---\left(3\right)$

式中：T_in(t)表示t时刻的室内温度(单位：℃)，T_out(t)表示t时刻的室外温度(单 位：℃)，R表示变频房间的热阻(单位：Ω)，C表示变频房间的等效热容(单位：F)；

(1.3)建立变频空调压缩机频率f与室内温度T_in的函数关系：

变频空调按照各厂家所设定的调频方式进行控制，一般来说压缩机频率f由室内温 度T_in与设定温度T_s之差ΔT＝T_in﹣T_s决定，室内温度传感器每隔一段时间检测一次ΔT： 当△T≥S_max时，为了使室内温度T_in达到设定温度T_s，压缩机全速运转，即以最高频率f_max运行不下降；当△T≤S_min时，压缩机以最低频率f_min运行不上升；压缩机频率f与室内 温度T_in的函数关系如下：

$f(t+1)=\left(\begin{array}{cc}{f}_{max}& S_{max}<\Delta T\\ f\left(t\right)+K·\Delta T(t+1)& S_{\min }\le \Delta T\le S_{max}\\ f_{min}& \Delta T<S_{\min }\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中：△T(t+1)＝T_in(t+1)﹣T_s(t+1)，T_s(t)表示t时刻的设定温度(单位：℃)；f_max表示变频空调的最大压缩机频率(单位：Hz)，f_min表示变频空调的最小压缩机频率(单 位：Hz)，f_min<f(t)<f_max；S_max和S_min为空调设定温度阈值；

(2)变频空调参与需求响应的负荷控制过程：

在参与需求响应的条件下，可以通过两种方式改变变频空调的运行参数变量：1、 改变变频空调的设定温度T_s，此种控制手段由于不涉及变频空调内部装置，实际操作较 容易实现，但可能难以预测下一时段的负荷变化；2、改变变频空调的压缩机频率f， 此种控制手段需要改变变频空调压缩机固有策略，工程实践上需要空调生产厂商协同配 合，但可以实现负荷的精确控制；

(2.1)设K台变频空调构成的变频空调群组在控制周期内室外温度T_out为恒定值， 空调群组从t+1时刻起开始参与需求响应；当变频空调k参与需求响应的负荷控制时， 结合满足人体舒适度条件下的室内温度区间[T_min,T_max]和变频空调的控制策略，设定室 内温度控制区间为[T_min+S_min,T_max-S_max]，将t+1时刻变频空调k的设定温度T_ks(t+1)定 为室内温度控制区间内且高于t时刻设定温度T_ks(t)的值，即：

T_min+S_min<T_ks(t)<T_ks(t+1)<T_max-S_max(5)

式中：T_min表示人体可接受温度下限(单位：℃)，T_max表示人体可接受温度上限(单 位：℃)；

(2.2)计算实际负荷控制中t+1时刻K台变频空调所能提供的实际出力与理想出力 的偏差e₁(t+1)：

$e_1(t+1)=G(t+1)-D(t+1)={\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{P}_k\left(t+1\right)-D\left(t+1\right)\right)}^2---\left(6\right)$

式中：G(t)表示t时刻n台变频空调所能提供的实际制冷/制热功率，D(t)表示t时 刻K台变频空调所能提供的理想制冷/制热功率；P_k(t)表示t时刻变频空调k的制冷/制 热功率(单位：kW)；

(2.3)计算实际负荷控制中每台变频空调控制前后设定温度的偏差，并将该值作为 控制目标e₂(t+1)：

$e_2(t+1)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\left(T_{ks}\right(t+1)-T_{ks}(t\left)\right)}^2---\left(7\right)$

(2.4)建立实际电力系统运行中空调负荷直接控制决策模型：

$\left(\begin{array}{c}min\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{e}_1\left(t+1\right)\\ min\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{e}_2\left(t+1\right)\end{array}\right)---\left(8\right)$

$f_{max}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4a(c-\frac{T_{out}-T_{min}-S_{min}}{R})}}{2a}---\left(9\right)$

$f_{min}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4a(c-\frac{T_{out}-T_{max}+S_{max}}{R})}}{2a}---\left(10\right)$

s.t.T_min+S_min≤T_s(t+1)≤T_max-S_max(11)

ors.t.f_min≤f(t+1)≤f_max(12)

其中，式(11)表示改变设定温度所需满足的约束条件，式(12)表示改变压缩机 频率所需满足的约束条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。