CN105042800B - 基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
[0006] 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:
[0007] (1)建立变频空调及其所属变频房间的负荷模型:
[0008] (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:
[0009] 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:
Figure CN105042800BD00041
[0012] 式中:P⑴表示t时刻变频空调的制冷/制热功率(单位:kW),f⑴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(η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);
[0013] (I · 2)建立变频房间包含制冷量Q的热力学函数:
[0014] 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 ⑶所示:
[0015]
Figure CN105042800BD00051
[0016] 式中:Tin⑴表示t时刻的室内温度(单位:°c) ,Tciut⑴表示t时刻的室外温度(单 位:°C),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);
[0017] (1.3)建立变频空调压缩机频率f与室内温度Tin的函数关系:
[0018] 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Tin与设定温度Ts之差Δ T = Tin-Ts决定,室内温度传感器每隔一段时间检测一次Δ T:当
Figure CN105042800BD00052
:时,为了使室内温度Tin达到设定温度Ts,压缩机全速运转,即以最高频率fmax运行 不下降;当
Figure CN105042800BD00053
时,压缩机以最低频率fmin运行不上升;压缩机频率f与室内温度Tin的函 数关系如下:
[0019]
Figure CN105042800BD00054
[0020] 式中:AT(t+l) =Tin(t+l) -Ts(t+1),Ts(t)表示t时刻的设定温度(单位:°C) ;fmax 表示变频空调的最大压缩机频率(单位:Hz),
Figure CN105042800BD00055
表示变频空调的最小压缩机频率(单位: Hz) ;
Figure CN105042800BD00056
;SmajPSmin为空调设定温度阈值;
[0021] (2)变频空调参与需求响应的负荷控制过程:
[0022] 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Ts,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;
[0023] (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Tciut为恒定值, 空调群组从t+Ι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[Tmin,Tmax]和变频空调的控制策略,设定室内温度 控制区间为[Tmin+Smin,Tmax-Smax],将t+Ι时刻变频空调k的设定温度Tks (t+Ι)定为室内温度控 制区间内且高于t时刻设定温度Tks⑴的值,即:
[0024]
Figure CN105042800BD00057
[0025] 式中:Tmin表示人体可接受温度下限(单位:°C),Tmax表示人体可接受温度上限(单 位,C);
[0026] (2.2)计算实际负荷控制中t+Ι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ei (t+Ι):
[0027]
Figure CN105042800BD00058
[0028] 式中:G⑴表示t时刻K台变频空调所能提供的实际制冷/制热功率,D (t)表示t时 亥IjK台变频空调所能提供的理想制冷/制热功率;Pk (t)表示t时刻变频空调k的制冷/制热功 率(单位:kW);
[0029] (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Θ2 (t+Ι):
[0030]
Figure CN105042800BD00061
[0031] (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:
Figure CN105042800BD00062
[0037] 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。
[0038] 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
[0039] 图1为本发明的控制框图;
[0040] 图2为计算机仿真中,空调设定温度Ts由25 °C控制到28 °C变频空调房间功率与室 温的变化过程;
[0041] 图3为计算机仿真中,空调压缩机频率f由25°C频率变为28°C频率功率与室温的变 化过程。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0043] 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。
[0044] 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:
[0045] (1)建立变频空调及其所属变频房间的负荷模型:
[0046] (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:
[0047] 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:
Figure CN105042800BD00071
[0050] 式中:P⑴表示t时刻变频空调的制冷/制热功率(单位:kW),f⑴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(η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);
[0051] (1.2)建立变频房间包含制冷量Q的热力学函数:
[0052] 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 ⑶所示:
[0053]
Figure CN105042800BD00072
[0054] 式中:Tin⑴表示t时刻的室内温度(单位:°C) ,Tciut⑴表示t时刻的室外温度(单 位:°C),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);
[0055] (1.3)建立变频空调压缩机频率f与室内温度Tin的函数关系:
[0056] 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Tin与设定温度Ts之差Δ T = Tin-Ts决定,室内温度传感器每隔一段时间检测一次Δ T:当
Figure CN105042800BD00073
,时,为了使室内温度Tin达到设定温度Ts,压缩机全速运转,即以最高频率fmax运行 不下降;当
Figure CN105042800BD00074
时,压缩机以最低频率fmin运行不上升;压缩机频率f与室内温度Tin的函 数关系如下:
Figure CN105042800BD00075
[0058] 式中:AT(t+l) =Tin(t+l)-Ts(t+1),Ts(t)表示t时刻的设定温度(单位:°C) ;fmax 表示变频空调的最大压缩机频率(单位:Hz),
Figure CN105042800BD00076
表示变频空调的最小压缩机频率(单位: Hz) ,
Figure CN105042800BD00077
;SmajPSmin为空调设定温度阈值;
[0059] (2)变频空调参与需求响应的负荷控制过程:
[0060] 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Ts,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;
[0061] (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Tciut为恒定值, 空调群组从t+Ι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[Tmin,Tmax]和变频空调的控制策略,设定室内温度 控制区间为[Tmin+Smin,Tmax-Smax],将t+Ι时刻变频空调k的设定温度Tks (t+Ι)定为室内温度控 制区间内且高于t时刻设定温度Tks⑴的值,即:
[0062]
Figure CN105042800BD00081
[0063] 式中:Tmin表示人体可接受温度下限(单位:°C),Tmax表示人体可接受温度上限(单 位,C);
[0064] (2 · 2)计算实际负荷控制中t+Ι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ei (t+Ι):
[0065]
Figure CN105042800BD00082
[0066] 式中:G⑴表示t时刻K台变频空调所能提供的实际制冷/制热功率,D (t)表示t时 亥IjK台变频空调所能提供的理想制冷/制热功率;Pk (t)表示t时刻变频空调k的制冷/制热功 率(单位:kW);
[0067] (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Θ2 (t+Ι):
[0068]
Figure CN105042800BD00083
[0069] (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:
Figure CN105042800BD00084
[0075] 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。
[0076] 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。

Claims (1)

  1. I.基于需求响应的变频空调负荷建模与运行控制方法,其特征在于: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: P ⑴=n · f ⑴ +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,f⑴表示t时刻变频空调的压缩机频 率,η和m表示一次函数的常系数;Q (t)表示t时刻变频空调的制冷量,a、b和c表示二次函数 的常系数; (1 · 2)建立变频房间包含制冷量Q的热力学函数:
    Figure CN105042800BC00021
    式中:Tin⑴表示t时刻的室内温度,Tciut (t)表示t时刻的室外温度,R表示变频房间的热 阻,C表示变频房间的等效热容; (1.3)建立变频空调压缩机频率f与室内温度Tin的函数关系:
    Figure CN105042800BC00022
    式中:Δ T (t+1) =Tin(t+l) -Ts (t+1),TS⑴表示t时刻的设定温度;fma^示变频空调的 最大压缩机频率,fmin表示变频空调的最小压缩机频率,fmin<f (t) <fmax; Smax和Smin为空调 设定温度阈值; ⑵变频空调参与需求响应的负荷控制过程: (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TciutS恒定值,空调 群组从t+Ι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[Tmin,Tmax]和变频空调的控制策略,设定室内温度控制 区间为[Tmin+Smin,Tmax-Smax],将t+Ι时刻变频空调k的设定温度Tks (t+Ι)定为室内温度控制区 间内且高于t时刻设定温度Tks (t)的值,即: Tmin+Smin<Tks (t) <Tks (t+l) <Tmax_Smax (5) 式中:Tmin表不人体可接受温度下限,Tmax表不人体可接受温度上限; (2.2) 计算实际负荷控制中t+l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ei (t+l):
    Figure CN105042800BC00023
    式中:G⑴表示t时刻K台变频空调所能提供的实际制冷/制热功率,D⑴表示t时刻K台 变频空调所能提供的理想制冷/制热功率;Pk (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Θ2 (t+l):
    Figure CN105042800BC00031
    (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:
    Figure CN105042800BC00032
    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。
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采用R410A 的变频房间空调器的理论与实验研究;曹小林,喻首贤,李雄林,王伟,廖胜明;《中南大学学报(自然科学版)》;20100430;第41卷(第2期);全文 *

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CN110311390A (zh) * 2019-06-13 2019-10-08 浙江大学 一种变频空调聚合参与电力系统调频的混合控制方法
CN110311390B (zh) * 2019-06-13 2021-01-01 浙江大学 一种变频空调聚合参与电力系统调频的混合控制方法

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