CN104019519A - 一种电网友好型空调控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电网友好型空调控制器及其控制方法。该装置包括空调控制MCU模块、电网参数检测模块、温度测量模块、储存模块、通讯模块、显示功能模块和电源模块。所述电网参数检测模块能够按照一定周期检测并存储电网的实时电压及频率。所述温度测量模块可实时检测并存储当前环境温度。所述存储模块储存有两种工作模式数据。所述显示功能模块用于显示当前的电网参数、环境参数以及空调的工作状态。所述空调控制MCU模块用于根据电网电压变化情况实时调整空调运行参数，控制空调的运行状态。该装置以不影响用户用电体验为前提，实现空调负荷参与电网友好响应，有利于提高电网安全稳定运行的能力。

Description

一种电网友好型空调控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种空调控制器，具体涉及一种电网友好型空调控制器及其控制方法。 

背景技术

“电网友好”的概念最早由瑞典的Thiringer T教授提出。随后，这一概念多被使用在可再生能源的并网领域，成为风电、太阳能等波动性新能源并网的一个重要目标，但是其明确的含义并没有统一。在智能电网的体系框架下，电网友好被赋予了新的内涵，其技术核心是电源和负荷分别主动与电网协调互动，更经济、快捷、可靠地提高电力系统的平衡能力。 

电网友好包括电网友好的发电和用电技术两方面。电网友好发电技术的提出主要是针对波动式新能源发电并网难的问题。围绕提高电网平衡能力的核心问题，对新能源电源而言，主要是提高其发电的可预测性、稳定性、可调可控性，在各种工况下以有利于电网稳定的方式运行，如低电压穿越；对传统电源而言，主要是提高爬坡能力、调峰能力、调频能力等可调可控能力。电网友好的用电技术主要体现在改善负荷的时间特性、频率特性和电压特性，以提高电力系统不同时间尺度的平衡能力，如目前欧美普遍开展的需求侧响应；同时，用电设备尽可能降低对系统电能质量的影响。电网友好技术强调的是主动参与、灵活互动和高度协调，是智能电网技术的重要组成部分，是智能电网发电和用电环节各种关键技术的高度概括。 

电网友好的用电技术是指负荷能够主动参与电网的协调互动，通过改善负荷的时间特性、频率特性或电压特性，提高电力系统的平衡能力。具体来说，就是负荷能够主动参与电网的协调互动，当电网处于不稳定或异常状态时，能够主动迎合电网的需求对负荷做出必要调整，同时又考虑到用户的用电感受，从技术上可预防和避免电网大事故的发生，进而节省不必要的人力和资源浪费。 

适用于电网友好技术的负荷主要是可中断负荷。在电力负荷中，一些负荷短时间中断并不影响用户的感受或设备的工作情况，这些负荷可以作为电网管理的备用容量。一股通过发电侧的容量调节电网速度较慢，而且成本较高；相比之下，通过负荷侧的管理不仅可以在短时间内响应电网的运行，而且成本相对较低，还可以减少电力功率和电量消耗，降低高峰用电，有效节约能源。 

在居民用电中，可用于电网友好技术的负荷包括：①空调、②电冰箱、③洗衣机、④电热器、⑤热水器、⑥电动汽车等。 

近年来，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，用电需求节节攀升。特别是空调负荷的急剧增长已经成为季节性电力紧张的最主要原因。尤其是在广州，上海等都市化的大城市，其用电结构主要以居民住宅、商业等第三产业、办公、写字楼负荷为主，这类负荷对于气温变化敏感度较高，高温天气下，空调降温负荷所占比例可突破40％。据统计，2004年我国华东、华中等电网夏季空调负荷已占尖峰负荷的30％左右，其中北京、上海等大城市空调负荷已占尖峰负荷的40％～50％。2011年广西省空调用电负荷已经达到全区用电总负荷1/3。2012年重庆空调负荷比重已从往年的占比三分之一上升至40％，高峰时刻更是超过400万千瓦。而且这种增长趋势还会加快，因而调节空调负荷在峰段和谷段的比例，对于避免与工业生产抢电，调节城市电网的负荷分配有着重要的意义。 

空调的主要动力是异步电动机，具有与异步电动机相似的负荷特性。空调负荷的静态无功-电压特性表现为：在额定电压附近，空调负荷的无功随电压的升降而增减，当电压明显低于额定值时，无功功率随电压下降反而具有上升的性质。空调负荷的这一无功-电压特性对电网的电压稳定性将具有明显的负作用。这是因为，要维持整个系统的电压水平，必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿无功功率的损耗。如果系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。然而空调负荷在低电压时吸收无功功率反而增加的特性，将进一步降低电网的电压水平，从而对电网的电压稳定性产生威胁。 

空调的特殊的自身特性会对电网产生极大的冲击，严重的时候甚至导致电网的崩溃，因此，研究空调负荷对配电网电压的影响是十分有必要的，对于配电网电压的稳定有着重要的意义。另外，空调负荷这类环境敏感型负荷易受用电环境的影响，在不同的季节，空调负荷所占的比重大不相同。据资料显示，在夏季，空调负荷在某些南方大型城市所占的比重甚至高达50％。在家庭用电设备中，空调相对于洗衣机、冰箱等电网友好型负荷，使用功率也大的多，这些也使得将空调负荷作为研究对象是实实在在有必要的。最后，当我们做电网电压的调整时，短时间的切掉部分空调，对用户的感官不会产生太多的影响，增减了我们的研究空调负荷的可行性。所以，若能使空调能主动响应电网运行，根据不同的用电环境及当前电网的实时状态(如电网电压)，自动调整优化其自身的用电方式，在不影响用户用电体验的同时，又有利于协助维持电网的安全稳定运行。 

发明内容

本发明旨在发明一种能够主动响应电网运行，根据当前电网的实时电压，自动调整优化其自身的用电方式，在不影响用户用电体验的同时，又有利于协助维持电网的安全稳定运行的电网友好型空调控制器及其控制方法。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种电网友好型空调控制器，包括空调控制MCU模块、电网参数检测模块、温度测量模块、存储模块、通讯模块、显示功能模块和电源模块，电网参数检测模块、温度测量模块和电源模块的输出端与空调控制MCU模块电连接，存储模块、通讯模块和显示功能模块与空调控制MCU模块双向电连接。 

作为本发明的进一步改进，所述空调控制MCU模块采用具有16KB系统内存可编程flash的8位AVR微控制器Atmega16。 

作为本发明的进一步改进，所述电网参数检测模块为AD及调理电路，用于将220V交流电信号转化为AD芯片能够处理的5V电压信号，实现对电网电压量的采集及处理，同时可以把不需要的干扰信号滤除，避免干扰，AD输出的结果实时传递给MCU模块。 

作为本发明的进一步改进，所述温度测量模块采用DS18B20数字温度传感器。 

作为本发明的进一步改进，所述通讯模块为红外学习模块。 

作为本发明的进一步改进，所述显示功能模块为触摸屏MT6050i。 

本发明还包括一种应用于上述电网友好型空调控制器的空调控制方法，其特征在于包括如下步骤： 

步骤一：电网参数检测模块按照一定的周期实时检测当前的电网电压； 

步骤二：当电网电压水平达到空调的响应阈值时，空调控制MCU模块按照存储模块中储存的工作模式使空调调整其自身运行参数； 

步骤三：当电网电压水平状况达到空调的恢复阈值时，空调控制MCU模块使空调恢复至原来运行状态； 

步骤四：当被切断的空调经过一段时间再次处于温度控制的边缘时，空调将不考虑电网的运行状态而自动开启；自动开启后的一段时间内，不论电网电压状态如何，将不允许空调关闭。 

作为本发明的进一步改进，所述的存储模块中储存的工作模式为以下两种： 

工作模式一： 

当电网电压偏离正常值且满足V≤V_off，且在Δt＝m-T(m为常数)的时间段内一直满 足V≤V_off，则空调设备自动停止运行；当检测到电网电压恢复并满足V≥V_on，且在Δt＝n-T(n为常数)的时间段内一直满足V≥V_on，则空调设备自动重新启动；其中V_off为电压响应阈值，V_on为电压恢复阈值，T为电压检测周期； 

工作模式二： 

在初始情况下，设此时电网的电压值为V₀，用户设定的空调的温度为T₀，其对应的温度上、下限分别为和满足： 

电网参数检测模块以一定的周期T＝1/Δf检测电网电压，当检测到电网实时电压V_t偏低且低于正常电压波动范围时(10kV以下电压等级为±7％)，空调控制MCU模块即自动发出命令调整空调温度设定值至T₁，则调整后的温度设定值上、下限分别为： 

其中，k_v为温度电压调节系数；当空调制冷时，k_v取负值，反之则取正值，其单位为℃/V。当检测到电网实时电压V_t恢复至正常电压波动范围内时，控制器即自动发出命令调整空调温度设定值至原设定值。 

作为本发明的进一步改进，所述电压响应阈值V_off和电压恢复阈值V_on随机化处理，取V_off＝Rand(0.92V_n，0.93V_n)，V_on＝Rand(0.95V_n，0.96V_n)，其中，V_n为电网的正常额定电压。 

作为本发明的进一步改进，所述电压响应阈值V_off为0.93V_n，所述电压恢复阈值V_on为0.95V_n，电压检测周期T为1s，m和n分别为1～10。 

本发明的有益效果是： 

1、在现有空调控制技术的研究基础上，从改善空调负荷的电压特性入手，研究了一种能根据电网电压友好响应电网的智能空调控制器及其控制方法。通过控制器的智能调节，空调能够根据当前电网的实时电网电压，自动调整优化其自身的用电方式，在不影响用户用电体验的同时，又有利于协助维持电网的安全稳定运行的。 

、可以显示电网电压、频率、空调的工作状态、室内温度等信息。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细阐述： 

图1示出了本发明空调控制器的系统结构框图。 

图2示出了本发明空调控制器软件界面拓扑关系示意图。 

图中：1：空调控制MCU模块；2：电网参数检测模块；3：温度测量模块；4：存储模块；5：通讯模块；6：显示功能模块；7：电源模块。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

实施例1： 

1、硬件结构 

如图1所示为本发明的电网友好型空调控制器的系统结构框图，包括空调控制MCU模块1、电网参数检测模块2、温度测量模块3、存储模块4、通讯模块5、显示功能模块6和电源模块7，其中，电网参数检测模块2、温度测量模块3和电源模块7的输出端与空调控制MCU模块1电连接，存储模块4、通讯模块5和显示功能模块6与空调控制MCU模块1双向电连接。 

电网参数检测模块2按照一定的检测周期检测电网电压和频率(检测周期可调)，并将检测数据及时传送到空调控制MCU模块1；温度测量模块3测量室内温度，并将检测温度数据及时传送到空调控制MCU模块1；空调控制MCU模块1根据电网参数检测模块2测得的电网电压值作出判断，并根据存储模块4中所预设的工作模式，通过通讯模块5例如红外学习模块对空调设备进行相应控制；存储模块4存储有两种不同的工作模式，工作模式一是根据电网电压水平直接切除或开启空调设备；工作模式二是根据电网电压水平自动调整空调设备的预设温度；用户可根据需要调整至两种工作模式中的任意一种。同时，空调控制MCU模块1将电网电压、室内温度、空调工作状态等数据传送到显示功能模块6进行显示。 

所述空调控制MCU模块1采用具有16KB系统内存可编程flash的8位AVR微控制器Atmega16，作为空调控制器的核心模块，它主要负责控制策略等控制程序的执行操作。通过接收电网参数检测模块2传送过来的实时电网电压采样值，并根据预设的控制参数及控制策略，发送相应控制指令至通讯模块5，实现对空调设备的实时控制。 

所述电网参数检测模块2为AD及调理电路，主要用于将220V交流电网电压信号转化为AD芯片能够处理的5V电压信号，实现对电网电压量的采集及处理，同时可以把不需 要的干扰信号滤除，避免干扰，AD及调理电路输出的结果实时传递给空调控制MCU模块1，进而实现对空调进行相应控制。 

所述温度测量模块3采用DS18B20数字温度传感器对室内温度进行实时测量，测量温度范围为-55℃至+125℃，精度达到±0.5℃。 

所述存储模块4用于储存程序的初始化参数、用户设定参数等需要掉电记忆的参数以及工作模式数据，并供空调控制MCU模块1进行实时调用。 

所述通讯模块5为红外学习模块，一方面可接收空调控制MCU模块1的控制指令；另一方面，与空调设备进行通信，负责红外信号的接收与发送工作，直接控制空调的启停或调节其设定温度、工作模式等。 

所述显示功能模块6为触摸屏模块，主要用于提供一个直观、简洁、易用的人机界面。一方面，它可显示当前空调的工作状态、环境温度、电网电压等参数；另一方面，用户可通过触摸屏调节空调工作模式的主要参数等。触摸屏采用威纶触摸屏MT6050i，其主要参数如下为LCD屏4.3寸，65536色，16∶9宽屏，TFT LCD，分辨率480x272，LED背光，寿命30,000小时，4线电阻式触控面板，触控次数最少100万次。 

所述电源模块7将220V交流电通过开关电源转化为24V直流电后，再通过开关稳压电源芯片LM2575S，用于为MCU及其他模块提供稳定的24V及5V直流电源。 

2、控制方法 

该装置按照一定的周期实时检测当前的电网电压；当电网电压的偏移状况达到空调的响应阈值时，使空调自动(短时间内)改变运行状态或调整其自身运行参数，以减轻由于电压变化对电网及其设备自身的不利影响；当电网电压恢复到正常电压时，空调能够自动恢复至原来运行状态。 

具体地，有两种工作模式可供选择： 

工作模式一：根据电网电压水平直接断开或启动用电设备：当电网电压低于响应阈值并维持一段时间时，空调自动切断；当电网电压高于恢复阈值并维持一段时间时，空调自动重新启动。 

具体方案如下： 

当电网电压偏离正常值且满足V≤V_off，且在Δt＝m-T(m为常数)的时间段内一直满足V≤V_off，则空调设备自动停止运行；当检测到电网电压恢复并满足V≥V_on，且在Δt＝n-T(n为常数)的时间段内一直满足V≥V_on，则空调设备自动重新启动；其中V_off为电压响应 阈值，V_on为电压恢复阈值，T为电压检测周期； 

以上关键参数的选取应充分考虑电力系统稳定性要求、空调设备自身特性以及用户用电体验等多方面因素，例如电压响应阈值V_off可取0.93V_n，电压恢复阈值V_on可取0.95V_n，电压检测周期T可取0.01s，m和n取值可在1～10之间，其中，V_n为电网的正常额定电压。 

针对我国南北方和一年四季不同的气候特征，电压检测周期及常数m、n的取值稍有不同。在夏季的南方或冬季的北方，空调负荷比重较高，电网电压波动往往较大且频繁，因此相应的电压检测周期及m、n的取值应适当偏小一些，使得空调设备能尽快响应电压的变化，更多地参与电网友好互动。相反，在一年中的其它季节，南北方的大部分地区气温较为适中，空调负荷比重较小，电网电压较为稳定，此时的电压检测周期及m、n的取值可适当偏大一些，避免空调的频繁启停对其自身造成损害。 

在实际应用中，为避免空调的同步响应对电网造成的冲击，工作模式中的电压响应阈值和恢复阈值可适当随机化处理，可取V_off＝Rand(0.92V_n，0.93V_n)，V_on＝Rand(0.95V_n，0.96V_n)。 

考虑到空调的重启需要至少3～5分钟的时间，具体取决于空调的类型及其厂家的型号。因此，可认为各空调在响应完成之后的3～5分钟之内，随机选择时间点进行启动。此时，近似认为某个节点空调恢复过程中的总功率与时间呈线性关系。 

若空调为较长时间响应(3～5分钟)，则空调响应完成之后即可立即启动，启动之后的5分钟内不再进行响应。由于每台空调的响应电压阈值不一样，其初始响应时刻也必然不同，长时间响应时，空调响应的结束时间也将彼此不同，因此空调恢复的具体时刻也会不一样，避免了所有空调在同一时刻恢复对电网造成的冲击。 

工作模式二：根据电网电压水平调整空调的预设温度，从而控制空调的运行。具体方案如下： 

在初始情况下，设此时电网的电压值为V₀，用户设定的空调的温度为T₀，其对应的温度上、下限分别为和满足： 

控制器以一定的周期T＝1/Δf检测电网电压，当检测到电网实时电压V_t偏低且低于正常电压波动范围时(10kV以下电压等级为±7％)，空调控制MCU模块即自动发出命令调整空调温度设定值至T₁，则调整后的温度设定值上、下限分别为： 

其中，k_v为温度电压调节系数；当空调制冷时，k_v取负值，反之则取正值，其单位为℃/V。当检测到电网实时电压V_t恢复至正常电压波动范围内时，控制器即自动发出命令调整空调温度设定值至原设定值。 

针对不同的电压偏差，常系数k_v可有不同的取值，对于电压偏移较小时，如ΔV≤0.1V_n，k_v取值较小；当电压偏移较大时，如ΔV＞0.1V_n，k_v取值较大。 

由于空调等用电设备内部还有温度控制系统，当被切断的设备经过一段时间再次处于温度控制的边缘时，空调将不考虑电网的运行状态而自动开启。自动开启后的一段时间内(y分钟，可设定)，不论电网电压状态如何，将不允许空调关闭，这样可以避免反复开启空调、影响空调寿命。因此，该工作模式较好地与空调的内部温度控制协调，在响应电网运行状态、保护用电设备的同时，降低对用户用电体验的影响。 

3、软件设计 

电网友好空调控制器采用触摸屏操作，软件界面包括主界面、主菜单以及若干个辅助界面，所有辅助界面统一于主菜单之下，拓扑关系如图2所示。 

(1)主界面 

主界面显示当前电网电压、频率、室内温度、装置工作状态、装置故障状态、工作模式以及空调设定状态等内容。 

(2)主菜单 

主菜单集中统一管理7个辅助界面，包括空调选型、参数设置、手动控制、使用帮助、日期时间、模拟测试、关于共7个辅助界面，操作简便、直观。触摸相应的图标即可进入对应的辅助界面。 

各个辅助界面的功能如下： 

(a)空调选型：选择空调型号，目前支持格力、春兰及2款自学习型号。 

(b)参数设置：设定工作模式的详细参数。 

(c)手动控制：提供手动控制空调功能，相当于一个遥控器。 

(d)使用帮助：提供使用帮助，便于用户使用。 

(e)日期时间：设定当前日期时间。 

(f)模拟测试：模拟电网电压变动，观察工作模式执行效果，方便用户合理设定工作模式的各个参数。 

(g)关于：查看软件版权信息等内容。 

(h)返回：返回主界面 

4、功能测试 

根据空调控制装置的功能要求，对本发明电网友好型空调控制器进行了相应的功能测试，测试方法与结果如下。 

测试方法为： 

(a)分别设定工作模式一和工作模式二中的具体控制参数。 

(b)通过交流调压器，将220V交流电调整为不同的电压值，观察此电压下的空调状态变化情况。 

测试结果为： 

(a)工作模式一 

工作模式参数如下： 

电压检测周期T：1s 

电压恢复阈值V_on：215.0V 

电压响应阈值V_off：204.0V 

停机检测周期数m：2 

开机检测周期数n：2 

操作调压器，按照下表中的电压值顺序，每隔5s改变一次电压，观察并记录空调状态。 

表1调压过程中电压及空调变化情况 

注：由于系统对V_on、V_off进行了Rand处理，故电压203V时未动作，202V时才动作，具有随机性，避免多台装置同时动作对电网形成冲击。 

(b)工作模式二 

工作模式参数如下： 

电压检测周期T：1s 

温度电压调节系数：0.5℃/V(为便于观察，设定为较大值) 

操作调压器，按照下表中的电压值顺序，每隔5s改变一次电压，观察并记录空调状态。 

表2空调制热模式下的状态变化情况 

表3空调制冷模式下的状态变化情况 

由以上测试结果可以看出：工作模式一和工作模式二均能够按照预设参数精确控制空调状态。 

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本法迷宫呢的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种电网友好型空调控制器，其特征在于：包括空调控制MCU模块（1）、电网参数检测模块（2）、温度测量模块（3）、存储模块（4）、通讯模块（5）、显示功能模块（6）和电源模块（7），电网参数检测模块（2）、温度测量模块（3）和电源模块（7）的输出端与空调控制MCU模块（1）电连接，存储模块（4）、通讯模块（5）和显示功能模块（6）与空调控制MCU模块（1）双向电连接。

2.根据权利要求1所述的电网友好型空调控制器，其特征在于：所述空调控制MCU模块（1）采用具有16KB系统内存可编程flash的8位AVR微控制器Atmega16。

3.根据权利要求1所述的电网友好型空调控制器，其特征在于：所述电网参数检测模块（2）为AD及调理电路，用于将220V交流电信号转化为AD芯片能够处理的5V电压信号，实现对电网电压量的采集及处理，同时可以把不需要的干扰信号滤除，避免干扰，AD输出的结果实时传递给MCU模块。

4.根据权利要求1所述的电网友好型空调控制器，其特征在于：所述温度测量模块（3）采用DS18B20数字温度传感器。

5.根据权利要求1所述的电网友好型空调控制器，其特征在于：所述通讯模块（5）为红外学习模块。

6.根据权利要求1所述的电网友好型空调控制器，其特征在于：所述显示功能模块（6）为触摸屏MT6050i。

7.一种应用于权利要求1至6所述的电网友好型空调控制器的空调控制方法，其特征在于包括如下步骤：

    步骤一：电网参数检测模块（2）按照一定的周期实时检测当前的电网电压；

    步骤二：当电网电压水平达到空调的响应阈值时，空调控制MCU模块（1）按照存储模块（4）中储存的工作模式使空调调整其自身运行参数；

    步骤三：当电网电压水平状况达到空调的恢复阈值时，空调控制MCU模块（1）使空调恢复至原来运行状态；

    步骤四：当被切断的空调经过一段时间再次处于温度控制的边缘时，空调将不考虑电网的运行状态而自动开启；自动开启后的一段时间内，不论电网电压状态如何，将不允许空调关闭。

8.根据权利要求7所述的空调控制方法，其特征在于：所述的存储模块（4）中储存的工作模式为以下两种：

    工作模式一：

    当电网电压偏离正常值且满足                                                ，且在（m为常数）的时间段内一直满足，则空调设备自动停止运行；当检测到电网电压恢复并满足，且在（n为常数）的时间段内一直满足，则空调设备自动重新启动；其中V _off 为电压响应阈值，V _on 为电压恢复阈值，T为电压检测周期；

    工作模式二：

在初始情况下，设此时电网的电压值为V ₀ ，用户设定的空调的温度为T ₀，其对应的温度上、下限分别为和，满足：

                        

电网参数检测模块（2）以一定的周期T = 1/?f检测电网电压，当检测到电网实时电压V _t 偏低且低于正常电压波动范围时（10kV以下电压等级为±7%），空调控制MCU模块（1）即自动发出命令调整空调温度设定值至T ₁，则调整后的温度设定值上、下限分别为：

                       

其中，k _v 为温度电压调节系数；当空调制冷时，k _v 取负值，反之则取正值，其单位为℃/V，当检测到电网实时电压V _t 恢复至正常电压波动范围内时，控制器即自动发出命令调整空调温度设定值至原设定值。

9.根据权利要求8所述的空调控制方法，其特征在于：所述电压响应阈值V _off 和电压恢复阈值V _on 随机化处理，取V _off = Rand（0.92V _n ，0.93 V _n ），V _on  = Rand（0.95 V _n ，0.96 V _n ），其中，V _n 为电网的正常额定电压。

10.根据权利要求8所述的空调控制方法，其特征在于：所述电压响应阈值V _off 为0.93 V _n ，所述电压恢复阈值V _on 为0.95V _n ，电压检测周期T为1s，m和n分别为1~10。