CN106451493A - 一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法，包括：数据准备：小时前电力市场的市场成员向调度中心上报发电成本曲线；调度中心计算负荷预测数据；调度中心发用电联合出清：采用计及负荷代理的发用电联合出清模型实现，调度中心依据发电成本曲线的数据，对AGC机组、非AGC机组和负荷代理进行联合优化，并将优化结果下发给市场成员；负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；实时功率平衡：AGC机组依据系统总功率不衡量自动调节其发电功率，从而达到电力系统功率的实时平衡和电力系统频率的稳定。

Description

一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法

技术领域

本发明涉及一种源-网-荷互动环境下的功率频率控制的方法，具体涉及一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法。

背景技术

随着新能源的大规模接入，电源侧随机性增加，负荷波动和电源波动导致的系统功率调节压力增加。因此功率可调负荷成为系统总要调节资源，但由于负荷单个实体调节量小，数量巨大，负荷特性复杂多变，因此通过负荷代理的方式，对一定区域内的终端用户进行聚合，参与系统调节，成为较为合理的方式。

目前对变频空调功率调节的研究较多，但大型商场、写字楼、宾馆等用户采用中央空调，变频空调节能效果良好；同时，居民用户中变频空调的普及率不断提升，变频空调的功率调节潜力日益增加；此外，随着大用户直购电的推广应用，系统对用户侧资源的利用将逐渐得到市场机制支持，因此一种能够充分挖掘其调节潜力的变频空调控制方法具有重要价值。

目前需求响应方面研究已经比较成熟，美国需求响应已经实现工程应用。主要采用尖峰电价，分时电价，实时电价，以及可中断负荷等响应方式。这类负荷响应均是个体负荷“条件反射”式的控制模式，容易造成负荷削减时段边界外的用电需求的集中补偿，对系统产生冲击；同时削减时段内的具体削减量随机性极高，增加系统功率平衡负担。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法，该方法应用优化理论和变频空调压缩机控制基本原理。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤一：数据准备：小时前电力市场的市场成员向调度中心上报发电成本曲线；调度中心计算负荷预测数据；

步骤二：调度中心发用电联合出清：采用计及负荷代理的发用电联合出清模型实现，调度中心依据发电成本曲线的数据，对AGC机组、非AGC机组和负荷代理进行联合优化，并将优化结果下发给市场成员；

步骤三：负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；

步骤四：实时功率平衡：AGC机组依据系统总功率不衡量自动调节其发电功率，从而达到电力系统功率的实时平衡和电力系统频率的稳定。

进一步地，所述步骤一中，发电成本曲线包括AGC机组容量成本和能量成本、参与小时内电力市场的非AGC机组成本曲线、负荷代理的功率-成本曲线、负荷响应方差以及调度中心预测的未来1小时负荷预测曲线。

进一步地，所述负荷代理的功率-成本曲线的求取步骤如下：

步骤3.1、用户选择用电模式，上报用电信息：模式集合为{不可调负荷模式、可调负荷模式}，其中不可调模式为默认用电模式，该模式下负荷不响应负荷代理的控制信号，电价采用固定电价；选择可调负荷模式的负荷需上报自身可调负荷信息，包括设定变频空调的功率-成本曲线和可调功率范围；

步骤3.2、负荷代理依据可调负荷上报信息，通过最小二乘法，求取负荷代理聚合功率-成本曲线；

步骤3.3、统计负荷代理响应方差：变频空调受舒适度约束，即便参与功率调节，也不能长时间精确响应负荷代理的调控，电力系统为了应对由此代理的不确定性，需要对负荷代理聚合响应结果进行统计，从而预留相应AGC调节容量。

进一步地，步骤3.2所述求取负荷代理聚合功率-成本曲线，负荷代理对终端用户响应后用电功率响应值进行采样，再依据功率-电价采样值进行拟合；

负荷代理下发电价计算如下：

Pri_la＝a_laP_la,dr+b_la

拟合采用最小二乘法，曲线拟合目标为拟合后功率-成本曲线与所有采样值点的偏差最小，其模型如下：

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，P_la,dr为调度交易中心出清用电功率；a_la、b_la均为拟合曲线系数，P_la,sam为负荷代理总可调功率采样值，Pri_la,sam为对应实时电价采样值，N_sam为采样点数。

进一步地，所述步骤二中，优化结果下发给市场成员包括向AGC机组下发AGC备用中标容量、AGC 5min调节功率、非AGC机组小时出力计划和负荷代理用电计划；

计及负荷代理的发用电联合出清模型如下式所示：

其中：N_h为调度时间窗口内所含调度步长数，t为时间序数，a_la、b_la均为可调节负荷购电二次函数(可调节负荷购电二次函数：如上式中前2两项所示a_laP_la,dr(h)²+b_laP_la,dr(h)；下标la,dr表示的是负荷代理下辖的可调负荷，其电费成本是其负荷量的二次函数。第三项P_la,fix(h)Pri_la,fix(h)是不可调负荷成本函数，是一次函数，下标la,fix是负荷代理下辖的不可调负荷。负荷代理是实际负荷与电网之间的中间层，可以是配电商、需求响应代理服务商、大用户自身；设计中电网负荷不再直接与电网建立通信控制通道而是以代理模式参与系统运行控制。)系数，P_la,dr(t)为可调负荷用电功率，Pri_la,fix(t)为不可调负荷购电电价，P_la,fix(t)为不可调负荷用电功率，各负荷代理总用电功率为可调负荷和不可调负荷功率之和；N_g为参与小时内经济调度机组数，a_gP_g(t)²+b_gP_g(t)+c_g为发电机组二次成本函数，a_g、b_g、c_g均为发电机组二次成本函数系数，P_g(t)为参与小时内经济调度机组的发电功率，N_agc为AGC机组数，Com_agc为AGC调节成本系数；N_la为总负荷代理数；P_agc(h)备用所需agc容量，上调发电量时为取正值，下调发电量时取负值；la是负荷代理的缩写：loadagent；g是所有开机机组；agc是自动发电控制机组，是所有开机机组g的子集；

计及负荷代理的发用电联合出清模型的约束函数如下：

ST.

P_Min,la≤P_la,dr(t)+P_la,fix(t)≤P_Max,la

P_agc(t)+P_g(t)≤P_Max,g

-P_agc(t)+P_g(t)≥P_Min,g

P_g(t)-P_g(t-Δt)≥Rr_g ^-·Δt

P_g(t+Δt)-P_g(t)≤Rr_g ⁺·Δt

其中：P_Min,la、P_Max,la分别为负荷代理最小、最大用电功率；P_Max,g为发电机组最大发电功率；Δt表示调控时间步长，即每隔Δt所有可调资源按照优化结果执行一次调节指令；P_Min,g为发电机组最小发电功率；Rr_g ^-、Rr_g ⁺分别为发电机组的上行爬坡率和下行爬坡率，单位：MW/Min；Z_α/2＝Φ^-1(1-α/2)，Z_α/2表示在正态分布概率密度为(1-α/2)的分位数，α/2表示AGC机组满足负荷波动功率平衡需求的置信度，为标幺化的负荷代理功率的标准差。

进一步地，所述步骤三中，所述负荷代理依据用电计划，计算辖区内5min实时电价，负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；

功率可调终端用户依据辖区内5min实时电价曲线和自身状态调节小时内用电行为，包括调节价格响应型工业负荷的生产调整和用电设备启停、功率调整、变频空调负荷设定温度调整和压缩机功率调整；对变频空调负荷价格信号、用户温度设定、室温进行决策，调节其变频压缩机频率，从而变频空调负荷制冷量和功率。

进一步地，所述变频空调负荷的模型如下：

空调正常运行工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即：

Q_cool＝q·m

空调正常运行工况下，制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，即：

m＝k₁N

其中：Q_cool为制冷量，单位为W，q为制冷剂单位质量制冷量，单位为J/Kg，m为制冷剂质量流量，单位为Kg/h；k₁为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，N为压缩机转速；

变频空调的温度调节方法为：室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便变频空调快速制冷，变频空调转速-温度差关系表示为：

N＝k₂ΔL_T

ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]

其中：ΔL_T为室温-用户设定目标温度差档位，每0.5度一档，k₂为温度转速增益，Int(·)为取整函数；T_room为室温，T_set为用户设定目标温度；

变频空调功率模型如下式：

ηP_la,acΔt_T＝Q_cool＝k₁k₂ΔL_T

其中：P_la,ac为变频空调功率，η为制冷效率；Δt_T表示时间差

a、设计变频空调制冷逻辑如下：

If

①

then

P_la,ac1＝0；②

③

其中：T_room为室温，T_set为用户设定目标温度，T_dead为舒适温度死区，表示用户舒适度不受影响的前提下，最大室温偏差，T_o为室外温度；P_la,ac1为变频空调停止制冷状态下的变频空调功率；式①-③表示当室温低于用户舒适温度下限时，变频空调停止制冷，室温自然回升，式③表示室温回升过程，τ为用户室内空间散热时间常数，测定方法采用待定系数法，给定室温采样时间间隔Δt_T，对室温和室外温度进行采样，计算其中τ的均值；表示t时刻室温，表示t+△t_T时刻室温，表示t+△t_T时刻室外温度；

Else if

④

Then

⑤

⑥

Q_cool＝k₁k₂ΔL_T ⑦

⑧

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，a_ac，b_ac分别为终端用户功率-成本曲线二次项系数和一次项系数，由用户自行设定；P_la,ac2为变频空调制冷状态下的变频空调功率；在满足条件④时，空调压缩机转速由N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，式⑧表示压缩机制冷时，室温变化过程；其中R为热导率，理论值为室内所有物质的质量和比热容之积，测定方法采用待定系数法，当τ在条件①下已测得时，在条件④下保持不变，同时对空调功率、室温、室外温度进行采样，依据式⑥～⑧计算热导率R值，并取均值；

Else if

⑨

ΔL_T＝ΔL_T,Max ⑩

Q_Max,cool＝k₁k₂ΔL_T,Max

其中，ΔL_T,Max为最大温差档位，在满足条件⑨的前提下，即室温超出用户舒适温度上限时，温差档位取最大档，压缩机转速仍由式N＝k₂ΔL_T控制，P_la,ac3为在满足条件⑨的前提下，室温超出用户舒适温度上限时变频空调功率；式为对应最大制冷量，式为室温变化过程；Q_Max,cool为最大制冷量，单位为W；

b、设计变频空调制热决策逻辑如下：

If

then

P_la,ac4＝0

式表示用户室温超过用户舒适温度上限时，空调停止制热，室温自然回落；P_la,ac4表示变频空调停止制热时的变频空调功率；

Else if

④

⑤

⑥

Q_heat＝k₁k₂ΔL_T ⑦

⑧

其中：Q_heat表示空调制热热量；空调压缩机转速由式N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，P_la,ac5表示变频空调制热状态下的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程；此时制冷剂流向与制冷状态时相反，室内换热器为冷凝器工作状态，室外换热器为蒸发器状态；

Else if

①

P_la,ac6＝P_la,Max,com+P_la,R

Q_heat＝η₁P_la,Max,comΔt+η₂P_la,RΔt

N＝k₂ΔL_T,Max

⑧

其中，P_la,Max,com为压缩机制热最大功率，η₁为压缩机制热效率，P_la,R为空调辅热电热丝功率，η²电热丝制热效率；式①、表示当室温低于用户舒适温度下限时，变频空调压缩机以最大功率制热，电热丝辅助制热，P_la,ac6表示当室温低于用户舒适温度下限时的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程。

进一步地，所述用户室内空间散热时间常数τ的计算方法如下：

步骤8.1：测定室外温度T_o：选取室外温度稳定的时段进行室外温度T_o测定，对用户窗外温度进行测定，并取均值；

步骤8.2：空调制冷：开启空调制冷，指导室温达到设定温度范围，关闭空调；

步骤8.3：测定室温变化曲线：从空调关闭时开始，选定室内确定一点a，每隔参数测定时采样间隔Δt_c(Δt_c人为确定，间隔越小，参数计算越接近真实值)分钟测定一次室温T_room(i)，其中i为采样序数，取1分钟，直到|T_room(i+1)-T_room(i)|≤ε，其中ε为测定精度，取0.1℃；

步骤8.4：计算散热时间常数值：

其中：τ_i为各采样点对应散热常数，τ为τ_i的均值，作为空调用户模型参数。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供的发用电联合出清模型，提高负荷参与系统功率频率控制的主动性，通过竞价方式主动参与电力市场，有利于提高用户的自主性和积极性；目前负荷控制涉及到底层用电设备负荷特性的研究较为少见，现有的空调负荷控制研究也都集中在定频空调，这类控制方法的控制变量只有空调的启停状态，控制效果不够理想，而本发明所提出的变频空调负荷控制方法则是底层用电设备控制的依据，为负荷参与系统功率频率控制的工程应用奠定基础，且由于变频空调功率连续可调，其控制结果更为平滑，控制效果更佳。

附图说明

图1是本发明提供的变频空调参与系统功率频率控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明公开一种变频空调参与系统功率频率控制方法。本发明设计为三层控制结构。上层为调度控制中心的发用电联合出清模型，中间层为负荷代理模型，底层为负荷响应模型。上层发用电联合出清模型中，控制中心依据代理功率-成本曲线，联合发电成本曲线进行以成本最小为目标的优化，并将出清结果，以节点电价方式下发给负荷代理。中间层，负荷代理通过功率-成本曲线拟合方式获取该代理下辖所有负荷的总功率-成本曲线，并将其上报给上级调度控制中心；其中，负荷代理获取下辖所有负荷总功率-成本曲线是通过最小二乘法进行拟合。负荷代理通过广播的方式将电价曲线下发给其下辖终端用户。下层负荷响应模型反映终端用户在给定代理调节信号和自身状态下，其动作决策方法。其中，终端用户包括指数型价格响应负荷、线性型价格响应负荷、定频空调负荷、变频空调负荷，各类负荷依据自身响应特性，对价格进行反应。其中空调负荷只能在室温处于用户设定范围内才能响应功率-成本曲线。其中变频空调内置调频控制器，通过调节电压电流频率f来控制空调压缩机转速N和制冷量Q，从而调节空调功率P。当室温处于用户设定范围内，调频控制器的频率输出与电价呈线性关系，当室温低于用户设定范围，则停止制冷；当室温高于用户设定范围，则输出最高频率，以最大制冷量制冷。

本发明提供的变频空调参与系统功率频率控制流程如图1所示，具体包括下述步骤：

(1)变频空调参与系统功率频率控制方法流程

步骤四：实时功率平衡：AGC机组依据系统总功率不衡量自动调节其发电功率，从而达到电力系统功率的实时平衡和电力系统频率的稳定。

步骤一：数据准备。小时前电力市场的市场成员向调度中心上报发电成本曲线，发电成本曲线包括自动发电控制(AGC，Automatic Generation Control)机组容量成本和能量成本、参与小时内电力市场的非AGC机组成本曲线、负荷代理的功率-成本曲线、负荷响应方差以及调度中心预测的未来1小时负荷预测曲线。

所述负荷代理的功率-成本曲线的求取步骤如下：

步骤3.1、用户选择用电模式，上报用电信息：模式集合为{不可调负荷模式、可调负荷模式}，其中不可调模式为默认用电模式，该模式下负荷不响应负荷代理的控制信号，电价采用固定电价；选择可调负荷模式的负荷需上报自身可调负荷信息，包括设定变频空调的功率-成本曲线和可调功率范围；

步骤3.2、负荷代理依据可调负荷上报信息，通过最小二乘法，求取负荷代理聚合功率-成本曲线；

步骤3.3、统计负荷代理响应方差：变频空调受舒适度约束，即便参与功率调节，也不能长时间精确响应负荷代理的调控，电力系统为了应对由此代理的不确定性，需要对负荷代理聚合响应结果进行统计，从而预留相应AGC调节容量。

步骤3.2所述求取负荷代理聚合功率-成本曲线，负荷代理对终端用户响应后用电功率响应值进行采样，再依据功率-电价采样值进行拟合；

负荷代理下发电价计算如下：

Pri_la＝a_laP_la,dr+b_la

拟合采用最小二乘法，曲线拟合目标为拟合后功率-成本曲线与所有采样值点的偏差最小，其模型如下：

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，P_la,dr为调度交易中心出清用电功率；a_la、b_la均为拟合曲线系数，P_la,sam为负荷代理总可调功率采样值，Pri_la,sam为对应实时电价采样值，N_sam为采样点数。

步骤二：调度中心发用电联合出清。调度中心依据步骤一中的数据，采用计及负荷代理的发用电联合出清模型实现。对AGC机组、非AGC机组和负荷代理进行联合优化，并将优化结果下发给相关市场成员，包括向AGC机组下发AGC备用中标容量、AGC5min调节功率、非AGC机组小时出力计划、负荷代理用电计划。负荷代理依据用电计划，计算辖区内5min实时电价。

计及负荷代理的发用电联合出清模型如下式所示：

其中：N_h为调度时间窗口内所含调度步长数，t为时间序数，a_la、b_la均为可调节负荷购电二次函数(可调节负荷购电二次函数：如上式中前2两项所示a_laP_la,dr(h)²+b_laP_la,dr(h)；下标la,dr表示的是负荷代理下辖的可调负荷，其电费成本是其负荷量的二次函数。第三项P_la,fix(h)Pri_la,fix(h)是不可调负荷成本函数，是一次函数，下标la,fix是负荷代理下辖的不可调负荷。负荷代理是实际负荷与电网之间的中间层，可以是配电商、需求响应代理服务商、大用户自身；设计中电网负荷不再直接与电网建立通信控制通道而是以代理模式参与系统运行控制。)系数，P_la,dr(t)为可调负荷用电功率，Pri_la,fix(t)为不可调负荷购电电价，P_la,fix(t)为不可调负荷用电功率，各负荷代理总用电功率为可调负荷和不可调负荷功率之和；N_g为参与小时内经济调度机组数，a_gP_g(t)²+b_gP_g(t)+c_g为发电机组二次成本函数，a_g、b_g、c_g均为发电机组二次成本函数系数，P_g(t)为参与小时内经济调度机组的发电功率，N_agc为AGC机组数，Com_agc为AGC调节成本系数；N_la为总负荷代理数；P_agc(h)备用所需agc容量，上调发电量时为取正值，下调发电量时取负值；la是负荷代理的缩写：loadagent；g是所有开机机组；agc是自动发电控制机组，是所有开机机组g的子集；

计及负荷代理的发用电联合出清模型的约束函数如下：

ST.

P_Min,la≤P_la,dr(t)+P_la,fix(t)≤P_Max,la

P_agc(t)+P_g(t)≤P_Max,g

-P_agc(t)+P_g(t)≥P_Min,g

P_g(t)-P_g(t-Δt)≥Rr_g ^-·Δt

P_g(t+Δt)-P_g(t)≤Rr_g ⁺·Δt

其中：P_Min,la、P_Max,la分别为负荷代理最小、最大用电功率；P_Max,g为发电机组最大发电功率；Δt表示调控时间步长，即每隔Δt所有可调资源按照优化结果执行一次调节指令；P_Min,g为发电机组最小发电功率；Rr_g ^-、Rr_g ⁺分别为发电机组的上行爬坡率和下行爬坡率，单位：MW/Min；Z_α/2＝Φ^-1(1-α/2)，Z_α/2表示在正态分布概率密度为(1-α/2)的分位数，α/2表示AGC机组满足负荷波动功率平衡需求的置信度，为标幺化的负荷代理功率的标准差。

步骤三：终端用户响应。负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；功率可调终端用户依据辖区内5min实时电价曲线和自身状态调节小时内用电行为，包括价格响应型工业负荷的生产调整和用电设备启停、功率调整、HVAC(heating,ventilation,airconditionor)负荷设定温度调整和压缩机功率调整。其中变频空调负荷依据本发明所提控制方法对变频空调负荷价格信号、用户温度设定和室温进行决策，调节其变频压缩机频率，从而控制空调制冷量和功率。负荷代理依据用电计划，计算辖区内5min实时电价，负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；

步骤四：实时功率平衡。AGC机组依据系统总功率不衡量自动调节其发电功率，从而达到系统功率的实时平衡和系统频率的稳定。

变频空调负荷的模型如下：

空调正常运行工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即：

Q_cool＝q·m

空调正常运行工况下，制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，即：

m＝k₁N

其中：Q_cool为制冷量，单位为W，q为制冷剂单位质量制冷量，单位为J/Kg，m为制冷剂质量流量，单位为Kg/h；k₁为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，N为压缩机转速；

变频空调的温度调节方法为：室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便变频空调快速制冷，变频空调转速-温度差关系表示为：

N＝k₂ΔL_T

ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]

其中：ΔL_T为室温-用户设定目标温度差档位，每0.5度一档，k₂为温度转速增益，Int(·)为取整函数；T_room为室温，T_set为用户设定目标温度；

变频空调功率模型如下式：

ηP_la,acΔt_T＝Q_cool＝k₁k₂ΔL_T

其中：P_la,ac为变频空调功率，η为制冷效率；Δt_T表示时间差

a、设计变频空调制冷逻辑如下：

If

①

then

P_la,ac1＝0；②

③

其中：T_room为室温，T_set为用户设定目标温度，T_dead为舒适温度死区，表示用户舒适度不受影响的前提下，最大室温偏差，T_o为室外温度；式①-③表示当室温低于用户舒适温度下限时，变频空调停止制冷，室温自然回升；P_la,ac1为变频空调停止制冷状态下的变频空调功率；式③表示室温回升过程，τ为用户室内空间散热时间常数，测定方法采用待定系数法，给定室温采样时间间隔Δt_T，对室温和室外温度进行采样，计算其中τ的均值；表示t时刻室温，表示t+△t_T时刻室温，表示t+△t_T时刻室外温度；

Else if

④

Then

⑤

⑥

Q_cool＝k₁k₂ΔL_T ⑦

⑧

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，a_ac，b_ac分别为终端用户功率-成本曲线二次项系数和一次项系数，由用户自行设定，在满足条件④时，空调压缩机转速由N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，P_la,ac2为变频空调制冷状态下的变频空调功率；式⑧表示压缩机制冷时，室温变化过程；其中R为热导率，理论值为室内所有物质的质量和比热容之积，测定方法采用待定系数法，当τ在条件①下已测得时，在条件④下保持不变，同时对空调功率、室温、室外温度进行采样，依据式⑥～⑧计算热导率R值，并取均值；

Else if

⑨

ΔL_T＝ΔL_T,Max ⑩

Q_Max,cool＝k₁k₂ΔL_T,Max

其中，ΔL_T,Max为最大温差档位，在满足条件⑨的前提下，即室温超出用户舒适温度上限时，温差档位取最大档，压缩机转速仍由式N＝k₂ΔL_T控制，P_la,ac3为在满足条件⑨的前提下，室温超出用户舒适温度上限时变频空调功率；式为对应最大制冷量，式为室温变化过程；Q_Max,cool为最大制冷量，单位为W，

b、设计变频空调制热决策逻辑如下：

If

then

P_la,ac4＝0

式表示用户室温超过用户舒适温度上限时，空调停止制热，室温自然回落；P_la,ac4表示变频空调停止制热时的变频空调功率；

Else if

④

⑤

⑥

Q_heat＝k₁k₂ΔL_T ⑦

⑧

其中：Q_heat表示空调制热热量；空调压缩机转速由式N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，P_la,ac5表示变频空调制热状态下的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程；此时制冷剂流向与制冷状态时相反，室内换热器为冷凝器工作状态，室外换热器为蒸发器状态；

Else if

①

P_la,ac6＝P_la,Max,com+P_la,R

Q_heat＝η₁P_la,Max,comΔt+η₂P_la,RΔt

N＝k₂ΔL_T,Max

⑧

其中，P_la,Max,com为压缩机制热最大功率，η₁为压缩机制热效率，P_la,R为空调辅热电热丝功率，η²电热丝制热效率；式①、表示，当室温低于用户舒适温度下限时，空调压缩机以最大功率制热，电热丝辅助制热，P_la,ac6表示当室温低于用户舒适温度下限时的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程。

用户室内空间散热时间常数τ的计算方法如下：

步骤8.1：测定室外温度T_o：选取室外温度稳定的时段进行室外温度T_o测定，对用户窗外温度进行测定，并取均值；

步骤8.2：空调制冷：开启空调制冷，指导室温达到设定温度范围，关闭空调；

步骤8.3：测定室温变化曲线：从空调关闭时开始，选定室内确定一点a，每隔参数测定时采样间隔Δt_c(Δt_c人为确定，间隔越小，参数计算越接近真实值)分钟测定一次室温T_room(i)，其中i为采样序数，取1分钟，直到|T_room(i+1)-T_room(i)|≤ε，其中ε为测定精度，取0.1℃；

步骤8.4：计算散热时间常数值：

其中：τ_i为各采样点对应散热常数，τ为τ_i的均值，作为空调用户模型参数。

本发明所提出的变频空调负荷控制方法为底层用电设备控制的依据，为负荷参与系统功率频率控制的工程应用奠定基础，且由于变频空调功率连续可调，其控制结果更为平滑，控制效果更佳。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变频空调参与电力系统功率频率控制的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤一：数据准备：小时前电力市场的市场成员向调度中心上报发电成本曲线；调度中心计算负荷预测数据；

步骤二：调度中心发用电联合出清：采用计及负荷代理的发用电联合出清模型实现，调度中心依据发电成本曲线的数据，对AGC机组、非AGC机组和负荷代理进行联合优化，并将优化结果下发给市场成员；

步骤三：负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；

步骤四：实时功率平衡：AGC机组依据系统总功率不衡量自动调节其发电功率，从而达到电力系统功率的实时平衡和电力系统频率的稳定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，发电成本曲线包括AGC机组容量成本和能量成本、参与小时内电力市场的非AGC机组成本曲线、负荷代理的功率-成本曲线、负荷响应方差以及调度中心预测的未来1小时负荷预测曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述负荷代理的功率-成本曲线的求取步骤如下：

步骤1.1、用户选择用电模式，上报用电信息：模式集合为{不可调负荷模式、可调负荷模式}，其中不可调模式为默认用电模式，该模式下负荷不响应负荷代理的控制信号，电价采用固定电价；选择可调负荷模式的负荷需上报自身可调负荷信息，包括设定变频空调的功率-成本曲线和可调功率范围；

步骤1.2、负荷代理依据可调负荷上报信息，通过最小二乘法，求取负荷代理聚合功率-成本曲线；

步骤1.3、统计负荷代理响应方差：变频空调受舒适度约束，即便参与功率调节，也不能长时间精确响应负荷代理的调控，电力系统为了应对由此代理的不确定性，需要对负荷代理聚合响应结果进行统计，预留相应AGC调节容量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3.2所述求取负荷代理聚功率-成本本曲线，负荷代理对终端用户响应后用电功率响应值进行采样，再依据功率-电价采样值进行拟合；

负荷代理下发电价计算如下：

Pri_la＝a_laP_la,dr+b_la

拟合采用最小二乘法，曲线拟合目标为拟合后功率-成本曲线与所有采样值点的偏差最小，其模型如下：

$\begin{array}{cc}min& \underset{i=1}{\overset{N_{sam}}{\mathrm{\Σ}}}{\[\left(a_{la}{P}_{la,sam}+b_{la}\right)-{\mathrm{Pri}}_{la,sam}\]}^2\end{array}$

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，P_la,dr为调度交易中心出清用电功率；a_la、b_la均为拟合曲线系数，P_la,sam为负荷代理总可调功率采样值，Pri_la,sam为对应实时电价采样值，N_sam为采样点数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，优化结果下发给市场成员包括向AGC机组下发AGC备用中标容量、AGC 5min调节功率、非AGC机组小时出力计划和负荷代理用电计划；

计及负荷代理的发用电联合出清模型如下式所示：

$\underset{h}{\overset{N_h}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{la}{\overset{N_{la}}{\mathrm{\Σ}}}\[a_{la}{P}_{la,dr}{\left(t\right)}^2+b_{la}{P}_{la,dr}\left(t\right)+P_{la,fix}\left(t\right){\mathrm{Pri}}_{la,fix}\left(t\right)\]-\underset{g}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left(a_g{P}_g{\left(t\right)}^2+b_g{P}_g\left(t\right)+c_g\right)-\underset{agc}{\overset{N_{agc}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Com}}_{agc}{P}_{agc}{\left(t\right)}^2\right)$

其中：N_h为调度时间窗口内所含调度步长数，t为时间序数，a_la、b_la均为可调节负荷购电二次函数系数，P_la,dr(t)为可调负荷用电功率，Pri_la,fix(t)为不可调负荷购电电价，P_la,fix(t)为不可调负荷用电功率，各负荷代理总用电功率为可调负荷和不可调负荷功率之和；N_g为参与小时内经济调度机组数，a_gP_g(t)²+b_gP_g(t)+c_g为发电机组二次成本函数，a_g、b_g、c_g均为发电机组二次成本函数系数，P_g(t)为参与小时内经济调度机组的发电功率，N_agc为AGC机组数，Com_agc为AGC调节成本系数；N_la为总负荷代理数；P_agc(t)为备用所需agc容量，上调发电量时为取正值，下调发电量时取负值；la是负荷代理的缩写：loadagent；g是所有开机机组；agc是自动发电控制机组，是所有开机机组g的子集；

计及负荷代理的发用电联合出清模型的约束函数如下：

ST.

P_Min,la≤P_la,dr(t)+P_la,fix(t)≤P_Max,la

$\underset{g=1}{\overset{N_G}{\Σ}}{P}_g\left(t\right)-\underset{la=1}{\overset{N_{LA}}{\mathrm{\Σ}}}\[P_{la,dr}\left(t\right)+P_{la,fix}\left(t\right)\]\≥0$

P_agc(t)+P_g(t)≤P_Max,g

-P_agc(t)+P_g(t)≥P_Min,g

P_g(t)-P_g(t-Δt)≥Rr_g ^-·Δt

P_g(t+Δt)-P_g(t)≤Rr_g ⁺·Δt

$\frac{\[\underset{g}{\overset{N_g}{\Σ}}{P}_{agc}\left(t\right){\]}^2}{{z^2}_{\mathrm{\α}/2}}-\underset{la}{\overset{N_{la}}{\mathrm{\Σ}}}{\[{\mathrm{\δ}}_{la}^{*}\left(P_{la,dr}\right(t)+P_{la,fix}\left(t\right))\]}^2\≥0$

其中：P_Min,la、P_Max,la分别为负荷代理最小、最大用电功率；P_Max,g为发电机组最大发电功率；Δt表示调控时间步长，即每隔Δt所有可调资源按照优化结果执行一次调节指令；P_Min,g为发电机组最小发电功率；Rr_g ^-、Rr_g ⁺分别为发电机组的上行爬坡率和下行爬坡率，单位：MW/Min；Z_α/2＝Φ^-1(1-α/2)，Z_α/2表示在正态分布概率密度为(1-α/2)的分位数，α/2表示AGC机组满足负荷波动功率平衡需求的置信度，为标幺化的负荷代理功率的标准差。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述负荷代理依据用电计划，计算辖区内5min实时电价，负荷代理计算下辖终端用户实时电价，并广播发送给终端用户；功率可调终端用户依据辖区内5min实时电价曲线和自身状态调节小时内用电行为，包括调节价格响应型工业负荷的生产调整和用电设备启停、功率调整、变频空调负荷设定温度调整和压缩机功率调整；对变频空调负荷价格信号、用户温度设定、室温进行决策，调节其变频压缩机频率，从而变频空调负荷制冷量和功率。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述变频空调负荷的模型如下：

空调正常运行工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即：

Q_cool＝q·m

空调正常运行工况下，制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，即：

m＝k₁N

其中：Q_cool为制冷量，单位为W，q为制冷剂单位质量制冷量，单位为J/Kg，m为制冷剂质量流量，单位为Kg/h；k₁为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，N为压缩机转速；

变频空调转速-温度差关系表示为：

N＝k₂ΔL_T

ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]

其中：ΔL_T为室温-用户设定目标温度差档位，每0.5度一档，k₂为温度转速增益，Int(·)为取整函数；T_room为室温，T_set为用户设定目标温度；

变频空调功率模型如下式：

ηP_la,acΔt_T＝Q_cool＝k₁k₂ΔL_T

其中：P_la,ac为变频空调功率，η为制冷效率；Δt_T表示时间差

a、设计变频空调制冷逻辑如下：

If

$T_{room}^t\≤T_{set}-T_{dead}$ ①

then

P_la,ac1＝0； ②

$T_{room}^{t+{\mathrm{\Δt}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\Δt}}_T}+(T_{room}^t-T_o^{t+{\mathrm{\Δt}}_T})e^{-{\mathrm{\Δt}}_T/\mathrm{\τ}};$ ③

其中：T_room为室温，T_set为用户设定目标温度，T_dead为舒适温度死区，表示用户舒适度不受影响的前提下，最大室温偏差，T_o为室外温度；P_la,ac1为变频空调停止制冷状态下的变频空调功率；式①-③表示当室温低于用户舒适温度下限时，变频空调停止制冷，室温自然回升，式③表示室温回升过程，τ为用户室内空间散热时间常数，测定方法采用待定系数法，给定室温采样时间间隔Δt_T，对室温和室外温度进行采样，计算其中τ的均值；表示t时刻室温，表示t+△t_T时刻室温，表示t+△t_T时刻室外温度；

Else if

$T_{set}-T_{dead}<T_{room}^t<T_{set}+T_{dead}$ ④

Then

$P_{la,ac2}=\frac{{\mathrm{Pri}}_{la}-b_{ac}}{a_{ac}}$ ⑤

${\mathrm{\&Delta;L}}_T=\left\{\begin{array}{cc}Int\left(\frac{{\mathrm{\&eta;P}}_{la,ac}{\mathrm{\&Delta;t}}_T}{k_1{k}_2}\right)& P_{ac}\&GreaterEqual;0\\ 0& P_{ac}<0\end{array}\right.$ ⑥

Q_cool＝k₁k₂ΔL_T ⑦

$T_{room}^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}+Q_{cool}R+(Q_{cool}R+T_{room}^t-T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T})e^{-{\mathrm{\&Delta;t}}_T/\mathrm{\&tau;}}$ ⑧

其中：Pri_la为负荷代理下发的实时电价，a_ac，b_ac分别为终端用户功率-成本曲线二次项系数和一次项系数，由用户自行设定；P_la,ac2为变频空调制冷状态下的变频空调功率；在满足条件④时，空调压缩机转速由N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，式⑧表示压缩机制冷时，室温变化过程；其中R为热导率，理论值为室内所有物质的质量和比热容之积，测定方法采用待定系数法，当τ在条件①下已测得时，在条件④下保持不变，同时对空调功率、室温、室外温度进行采样，依据式⑥～⑧计算热导率R值，并取均值；

Else if

$T_{room}^t\&GreaterEqual;T_{set}+T_{dead}$ ⑨

ΔL_T＝ΔL_T,Max ⑩

$P_{la,ac3}=\frac{k_1{k}_2{\mathrm{\&Delta;L}}_{T,Max}}{{\mathrm{\&eta;\&Delta;t}}_T}$

Q_Max,cool＝k₁k₂ΔL_T,Max

$T_{room}^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}+Q_{Max,cool}R+(T_{room}^t+Q_{Max,cool}R-T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T})e^{-{\mathrm{\&Delta;t}}_T/\mathrm{\&tau;}}$

其中，ΔL_T,Max为最大温差档位，在满足条件⑨的前提下，即室温超出用户舒适温度上限时，温差档位取最大档，压缩机转速仍由式N＝k₂ΔL_T控制，P_la,ac3为在满足条件⑨的前提下，室温超出用户舒适温度上限时变频空调功率；式为对应最大制冷量，式为室温变化过程；Q_Max,cool为最大制冷量，单位为W；

b、设计变频空调制热决策逻辑如下：

If

$T_{room}^t\&GreaterEqual;T_{set}+T_{dead}$

then

P_la,ac4＝0

$T_{room}^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}+(T_{room}^t-T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T})e^{-{\mathrm{\&Delta;t}}_T/\mathrm{\&tau;}}$

式表示用户室温超过用户舒适温度上限时，空调停止制热，室温自然回落；P_la,ac4表示变频空调停止制热时的变频空调功率；

Else if

$T_{set}-T_{dead}\&le;T_{room}^t\&le;T_{set}+T_{dead}$ ④

$P_{al,ac5}=\frac{{\mathrm{Pri}}_{la}-b_{ac}}{a_{ac}}$ ⑤

${\mathrm{\&Delta;L}}_T=\left\{\begin{array}{cc}Int\left(\frac{{\mathrm{\&eta;P}}_{la,ac}{\mathrm{\&Delta;t}}_T}{k_1{k}_2}\right)& P_{ac}\&GreaterEqual;0\\ 0& P_{ac}<0\end{array}\right.$ ⑥

Q_heat＝k₁k₂ΔL_T ⑦

$T_{room}^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}+Q_{heat}R+(Q_{heat}R+T_{room}^t-T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T})e^{-{\mathrm{\&Delta;t}}_T/\mathrm{\&tau;}}$ ⑧

其中：Q_heat表示空调制热热量；空调压缩机转速由式N＝k₂ΔL_T、⑤～⑥直接控制，式ΔL_T＝Int[(T_room-T_set)*2]控制回路中断，P_la,ac5表示变频空调制热状态下的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程；此时制冷剂流向与制冷状态时相反，室内换热器为冷凝器工作状态，室外换热器为蒸发器状态；

Else if

$T_{room}^t\&le;T_{set}-T_{dead}$ ①

P_la,ac6＝P_la,Max,com+P_la,R

Q_heat＝η₁P_la,Max,comΔt+η₂P_la,RΔt

N＝k₂ΔL_T,Max

$T_{room}^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}=T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T}+Q_{heat}R+(T_{room}^t+Q_{heat}R-T_o^{t+{\mathrm{\&Delta;t}}_T})e^{-{\mathrm{\&Delta;t}}_T/\mathrm{\&tau;}}$ ⑧

其中，P_la,Max,com为压缩机制热最大功率，η₁为压缩机制热效率，P_la,R为空调辅热电热丝功率，η₂电热丝制热效率；式①、表示当室温低于用户舒适温度下限时，变频空调压缩机以最大功率制热，电热丝辅助制热，P_la,ac6表示当室温低于用户舒适温度下限时的变频空调功率；式⑧表示压缩机制热时，室温变化过程。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述用户室内空间散热时间常数τ的计算方法如下：

步骤8.1：测定室外温度T_o：选取室外温度稳定的时段进行室外温度T_o测定，对用户窗外温度进行测定，并取均值；

步骤8.2：空调制冷：开启空调制冷，指导室温达到设定温度范围，关闭空调；

步骤8.3：测定室温变化曲线：从空调关闭时开始，选定室内确定一点a，每隔参数测定时采样间隔Δt_c分钟测定一次室温T_room(i)，其中i为采样序数，取1分钟，直到|T_room(i+1)-T_room(i)|≤ε，其中ε为测定精度，取0.1℃；

步骤8.4：计算散热时间常数值：

${\mathrm{\&tau;}}_i=\frac{-{\mathrm{\&Delta;t}}_c}{\ln \&lsqb;\frac{T_{room}(i+1)-T_o}{T_{room}\left(i\right)-T_o}\&rsqb;}$

$\mathrm{\&tau;}=\frac{\underset{i}{\overset{N_i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&tau;}}_i}{N_i}$

其中：τ_i为各采样点对应散热常数，τ为τ_i的均值，作为空调用户模型参数。