CN109899930B - 大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，包括如下步骤：S1、建立公共楼宇中央空调负荷模型；S2、公共楼宇内中央空调分为非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，并分别制定中央空调系统调控策略；S3、计算公共楼宇中央空调系统可调度容量；S4、构建公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。本发明对中央空调采取调峰策略后能有效减少负荷峰谷差，且采用蓄冷式中央空调对减小峰谷差作用更为明显；且对中央空调采取调峰策略后能降低系统内节点电压越限概率。

Description

大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，具体涉及一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法。

背景技术

在负荷高峰时期，电力公司常通过负荷调节手段，引导用户合理安排用电，把一部分高峰时间的负荷转移到低谷时间使用，达到使系统高峰分散的目标。空调负荷在负荷高峰时期占比接近一半，而公共楼宇大规模空调负荷占据了空调负荷的很大一部分比重，而且相对于居民空调，公共楼宇的空调负荷往往较为集中可控，具有很大的调峰潜力。因此研究大规模空调负荷的虚拟调峰关键技术，推广公共楼宇大规模空调负荷参与电网峰值负荷管理，减小电网峰谷差，改善电网供电结构，提高能源使用效率十分迫切。

公开号为108054750A的发明公开了一种计及夏季空调负荷差异特性的电网调峰控制系统与方法，在供给侧电力由纯凝式火电机组与光伏发电阵列联合提供，用户采用空调耗电的方式供冷，在历史检测的基础上，预测未来一段时间的供能和耗能情况；然后在此基础上进行调度，减少的纯凝式火电机组的发电出力，由用户制冷负荷和光伏发电阵列联合补偿，这样相对于光伏发电的波动性，用户空调用电负荷也具有调整的空间(调整用户制冷负荷既可以促进光伏发电的消纳，也可以降低电力高峰时段的电网负荷压力)。但是其考虑的并不全面，对于空调种类未考虑到，液位考虑到人体的散热热量等。

公开号为为106524353A的发明涉及一种空调负荷主动控制参与电力调峰的方法，该方法基于建筑物的热惯性，通过控制空调的启停，实现主动参与电力调峰；包括以下内容：提出基于建筑物热惯性的空调负荷主动控制参与电力调峰的实现思路；分析制冷建筑物的热动态特性以及空调的占空比工作方式，并分别对其进行建模；基于空调制冷建筑物的热动态特性模型，对空调负荷进行协调控制，得出空调负荷主动控制参与电力调峰的具体方案。其考虑的也不全面。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，对中央空调采取调峰策略后能有效减少负荷峰谷差，且采用蓄冷式中央空调对减小峰谷差作用更为明显。

为解决上述技术问题，本发明提供一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，包括如下步骤：

S1、建立公共楼宇中央空调负荷模型；

S2、公共楼宇内中央空调分为非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，并分别制定中央空调系统调控策略；

S3、计算公共楼宇中央空调系统可调度容量；

S4、构建公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。

进一步的，步骤S1中根据能量守恒定律，任意时段内，公共楼宇的瞬时得热量q_cl、新风负荷qnw及护围结构的蓄热量q_x之和等于空调系统的制冷量q_ch，其中公共楼宇的瞬时得热量q_cl由外墙和屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wq、外窗瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wc、透过玻璃窗的太阳辐射热形成的逐时冷负荷q_fs、室内用电设备散热形成的逐时冷负荷q_e、室内照明设备散热形成的逐时冷负荷q₁和室内人体散热形成的逐时冷负荷q_p组成，计算公式分别为

q_cl＝q_wq+q_wc+q_fs+q_e+q_l+q_p

q_wq＝∑{K_iF_i[(T_lf+T_d)-T_in]}

q_wc＝∑[K_cF_c(T_out-T_in)]

q_fs＝∑(q_fF_cC_sC_nC_cl)

q_e＝1000n₁n₂n₃N_e

q₁＝1000n₄n₅n₆n₇N₁

q_p＝C_rnφq_r+nφq_q

q_x＝S_iF_indT_in(t)

式中：F_i为外墙或屋面的面积，m²；K_i为外墙或屋面的传热系数，W/(m²·K)；T_lf为外墙和屋面的冷负荷计算温度的逐时值，℃；T_d为冷负荷计算温度T_lf关于地区的修正值，℃；T_in为屋内设计温度，℃；F_c为外窗的面积，m²；K_c为外窗的传热系数，W/(m²·K)；T_out为屋外空气温度，℃；q_f为外窗日射得热量最大值，W/m²；C_s为外窗玻璃类型修正系数，无量纲；C_n为外窗的内遮阳的遮阳系数，无量纲；C_cl为外窗玻璃冷负荷系数，无量纲；n₁为电热设备的安装系数，无量纲；n₂为电热设备的负荷系数，无量纲；n₃为电热设备的同时使用率，无量纲；N_e为电热设备的安装功率，kW；n₄为照明设备的同时使用率，无量纲；n₅为照明设备的蓄热系数，无量纲；n₆为整流器消耗功率的系数，无量纲；n₇为照明设备的安装系数，无量纲；N_l为照明设备的安装功率，kW；Cr为人体显热散热冷负荷系数，无量纲；n为公共楼宇中的总人数，无量纲；q_r为每名成年男子的显热散热量，W；φ为群集系数，男子、女子和儿童折合成成年男子的散热比例，无量纲；q_q为每名成年男子的潜热散热量，W；

为新风量，g/s；S_i为内墙面的蓄热系数，W/(m²·K)；F_in为内墙面积，m²；

制冷期，中央空调制冷机组持续供冷使室温不断降低；停机期，中央空调制冷机组停止工作，由于楼宇内外热源的放热作用以及楼宇内墙的蓄热作用，室温不断上升，通过两个公式分别表示在停机期与制冷期任意时刻t开始的dt时段内公共楼宇的屋内空气热平衡关系：

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x-q_chtdt

式中：C_a为空气定压重量比热，取0.28J/kg·℃；V_k为公共楼宇的制冷空间体积，按公共楼宇使用面积、层高与地上层数之乘积计算，单位m³；ρa为空气密度，取1.29kg/m³；q_ch,t为中央空调制冷机组的逐时制冷量，W；

在停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程：

其中，

X_k＝C_aV_kρ_a+S_iF_in

完成对公共楼宇中央空调系统的建模。

进一步的，步骤S2中，确定非蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

根据停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程，以h为控制时间间隔将时间t离散化，并假设制冷期内中央空调的制冷机组始终按恒定功率p_ch运行，此时对应制冷机组的恒定制冷量q_ch，即q_ch，t≡q_ch，则可以得到停机期与制冷期内的公共楼宇屋内温度与时间的变化关系：

式中：

D＝A_k/B_k,为与T_out有关的变量；

再假设控制周期内公共楼宇屋外温度T_out为恒定值，则可得

τ_c＝τ_on+τ_off 式c

式中：[T_min,T_max]为公共楼宇屋内温度的控制区间；τ_on为公共楼宇中央空调系统的一个启停控制周期；τ_on和τ_off分别为一个控制周期内中央空调的停机期与制冷期时间；当公共楼宇的中央空调机组在一个控制周期τ_on内，按照以恒定制冷量q_ch运行τ_on时间并停止运行τ_off时间的占空比控制方式进行工作，可以实现公共楼宇屋内温度在T_min与T_max之间循环摆动变化；

公共楼宇中央空调调控策略基于以下3个假设：1)忽略公共楼宇各楼层间空气流动对室温的影响作用；2)在末端设备工作状态相同的前提下，公共楼宇中央空调制冷机组的制冷量在各楼层平均分配；3)相同的室温初始条件下，公共楼宇各楼层在任意时段获得相等的空调制冷量时室温的变化量相等；该调控策略的具体控制方式是，在控制周期内公共楼宇中央空调机组始终以恒定的制冷量chq运行，且chq满足式a、式b、式c及

式中n为公共楼宇的层数；在控制策略中，公共楼宇各楼层的空调系统末端设备按开启时间为τ_on且关停时间为τ_off的方式进行轮停，当n为偶数时，在一个控制周期τ_c内，不同时段公共楼宇各层制冷系统的末端设备的组合开闭状态不同，每个时段的持续时间为2τ_on/n；进入下一时段时，关闭一层的制冷系统末端设备以停止对该层供冷，并相应地开启一层的制冷系统末端设备；以确保每个时段开启和关闭制冷系统末端设备的楼层数均为n/2，同时保证一个控制周期τ_c内公共楼宇中央空调机组始终以满足式d的恒定制冷量

运行，且各楼层空气温度在T_min与T_max之间摆动变化；n为奇数的情况为一个控制周期内每个时段的持续时间为2τ_on/(n+1)，每个时段开启制冷系统末端设备的楼层数为(n+1)/2。

进一步的，所述步骤S2中，蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

公共楼宇蓄冷式中央空调系统的制冷机组包括双工况制冷机组和基载机组，晚间8小时即0:00—8:00的低谷电价时段内，中央空调系统制冷机组通过双工况制冷机组以额定负荷运行制冷，并将制得的冷量全部以冰或其他相变材料的形式储存在蓄冷槽中，屋内降温所需要的冷负荷由基载机组提供；其他时段时内，基载机组和蓄冰槽共同提供屋内降温所需要的冷负荷，且每一时刻蓄冰槽释冷量与公共楼宇所需总冷量的比值恒为定值k，公共楼宇蓄冷式中央空调调控策略满足

q_i＝q_j,i+q_x,i

q_x,i＝(1-k)·q_i 式e

式中：i为调控时段(i＝33,34,...,96)，将一天分为96个时段，每15min为一个时段，且假设在一个时段内所有功率变量和制冷量变量值恒定；q_i为第i时段公共楼宇所需的总冷量值，kW；q_j,i为第i时段基载机组的实际供冷量，kW；q_x,i为第i时段蓄冷槽的实际供冷量，kW；LF为一天结束后蓄冷槽的剩余冷量百分比；Qx,t为该日晚间8小时低谷电价时段双工况制冷机组的总蓄冷量，kW×h。

进一步的，公共楼宇中央空调系统可调度容量公式为

P_d,f,i＝P_f,i-P_t,f,i

式中：p_t,f,i为第f栋公共楼宇调控后在第i时段的中央空调系统总负荷值，其值等于第f栋公共楼宇调控后在第i时段各台制冷机组、各台冷冻水泵、各台冷却水泵、各台冷却塔以及所有制冷系统末端设备的耗电量之和，kW；p_f,i为第f栋公共楼宇调控前在第i时段的空调负荷预测值；p_d,f,i为第f栋公共楼宇的中央空调系统采用中央空调系统调控策略后在第i时段的可调度容量。

进一步的，在步骤S4中通过设置不同的公共楼宇屋内温度的控制区间[Tmin，Tmax]，来实现公共楼宇非蓄冷式中央空调系统的分档调控，其分为[23℃,26℃]、[23℃,27℃]和[23℃,28℃]3档公共楼宇屋内温度的控制区间，根据式b和式d，在早或晚调峰时段，3档屋内温度控制区间分别对应了3档公共楼宇中央空调机组制冷量chq。

进一步的，在步骤S4中对于蓄冷式中央空调，根据式e和式f，设置不同的空调系统蓄冷槽的剩余冷量百分比LF，剩余冷量百分比LF包括0％、2％和4％三档。

进一步的，大规模公共楼宇中央空调负荷组合调控决策模型以早、晚调峰时段区域内参与电网调度的公共楼宇个数最小为目标，目标函数为

式中：u_z,f,l为在早调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；u_w,f,l为在晚调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；u_f,l为第f栋公共楼宇的蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；F为区域内能够参与电网调峰的公共楼宇总数；F₁为区域内能够参与电网调峰的采用非蓄冷中央空调系统的公共楼宇总数；

公共楼宇中央空调系统组合调控决策模型的约束条件如下：

(1)区域内公共楼宇中央空调系统在全日各调峰时段内的调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差最大值的约束

max{Δp_i}≤ΔP,i＝45,46,...,54,79,80,...,84 式i

式中：v_z,f为第f栋公共楼宇在早调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；v_w,f为第f栋公共楼宇在晚调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；Δp_i为在第i时段区域内公共楼宇中央空调系统调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差，kW；p_t,f,l,i为在第i时段第f栋公共楼宇的中央空调系统受控于第l档时的总负荷值，kW；p_s,i为在第i时段电网对区域内公共楼宇中央空调系统的总负荷调度指令，kW；ΔP为允许的负荷偏差最大值；

(2)公共楼宇非蓄冷式中央空调系统在整个早或晚调峰时段，最多受控于一档控制方案，即

(3)公共楼宇蓄冷式中央空调系统全日最多受控于一

档控制方案，即

式g-l构成了大规模公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。

本发明对中央空调采取调峰策略后能有效减少负荷峰谷差，且采用蓄冷式中央空调对减小峰谷差作用更为明显；且对中央空调采取调峰策略后能降低系统内节点电压越限概率。

附图说明

图1为本发明IEEE-33节点接线图；

图2为本发明空调负荷曲线图，横坐标代表时间，纵坐标代表负荷；

图3为本发明节点电压越限概率计算流程图；

图4为本发明节点24处的非蓄冷式中央空调采取削峰优化策略后的空调负荷曲线图，横坐标代表时间，纵坐标代表负荷；

图5为本发明节点25处的蓄冷式中央空调采取削峰优化策略后的空调负荷曲线图，横坐标代表时间，纵坐标代表负荷；

图6为本发明采取优化策略前后各节点电压越限概率分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-6，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，

本发明提供一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，包括如下步骤：

S1、建立公共楼宇中央空调负荷模型；

S2、公共楼宇内中央空调分为非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，并分别制定中央空调系统调控策略；

S3、计算公共楼宇中央空调系统可调度容量；

S4、构建公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。

进一步的，步骤S1中根据能量守恒定律，任意时段内，公共楼宇的瞬时得热量q_cl、新风负荷qnw及护围结构的蓄热量q_x之和等于空调系统的制冷量q_ch，其中公共楼宇的瞬时得热量q_cl由外墙和屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wq、外窗瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wc、透过玻璃窗的太阳辐射热形成的逐时冷负荷q_fs、室内用电设备散热形成的逐时冷负荷q_e、室内照明设备散热形成的逐时冷负荷q₁和室内人体散热形成的逐时冷负荷q_p组成，计算公式分别为

q_cl＝q_wq+q_wc+q_fs+q_e+q_l+q_p

q_wq＝∑{K_iF_i[(T_lf+T_d)-T_in]}

q_wc＝∑[K_cF_c(T_out-T_in)]

q_fs＝∑(q_fF_cC_sC_nC_cl)

q_e＝1000n₁n₂n₃N_e

q₁＝1000n₄n₅n₆n₇N₁

q_p＝C_rnφq_r+nφq_q

q_x＝S_iF_indT_in(t)

式中：F_i为外墙或屋面的面积，m²；K_i为外墙或屋面的传热系数，W/(m²·K)；T_lf为外墙和屋面的冷负荷计算温度的逐时值，℃；T_d为冷负荷计算温度T_lf关于地区的修正值，℃；T_in为屋内设计温度，℃；F_c为外窗的面积，m²；K_c为外窗的传热系数，W/(m²·K)；T_out为屋外空气温度，℃；q_f为外窗日射得热量最大值，W/m²；C_s为外窗玻璃类型修正系数，无量纲；C_n为外窗的内遮阳的遮阳系数，无量纲；C_cl为外窗玻璃冷负荷系数，无量纲；n₁为电热设备的安装系数，无量纲；n₂为电热设备的负荷系数，无量纲；n₃为电热设备的同时使用率，无量纲；N_e为电热设备的安装功率，kW；n₄为照明设备的同时使用率，无量纲；n₅为照明设备的蓄热系数，无量纲；n₆为整流器消耗功率的系数，无量纲；n₇为照明设备的安装系数，无量纲；N_l为照明设备的安装功率，kW；Cr为人体显热散热冷负荷系数，无量纲；n为公共楼宇中的总人数，无量纲；q_r为每名成年男子的显热散热量，W；φ为群集系数，男子、女子和儿童折合成成年男子的散热比例，无量纲；q_q为每名成年男子的潜热散热量，W；

为新风量，g/s；S_i为内墙面的蓄热系数，W/(m²·K)；F_in为内墙面积，m²；

制冷期，中央空调制冷机组持续供冷使室温不断降低；停机期，中央空调制冷机组停止工作，由于楼宇内外热源的放热作用以及楼宇内墙的蓄热作用，室温不断上升，通过两个公式分别表示在停机期与制冷期任意时刻t开始的dt时段内公共楼宇的屋内空气热平衡关系：

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x-q_chtdt

式中：C_a为空气定压重量比热，取0.28J/kg·℃；V_k为公共楼宇的制冷空间体积，按公共楼宇使用面积、层高与地上层数之乘积计算，单位m³；ρ_a为空气密度，取1.29kg/m³；q_ch,t为中央空调制冷机组的逐时制冷量，W；

在停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程：

其中，

X_k＝C_aV_kρ_a+S_iF_in

完成对公共楼宇中央空调系统的建模。

进一步的，步骤S2中，确定非蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

根据停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程，以h为控制时间间隔将时间t离散化，并假设制冷期内中央空调的制冷机组始终按恒定功率p_ch运行，此时对应制冷机组的恒定制冷量q_ch，即q_ch，t≡q_ch，则可以得到停机期与制冷期内的公共楼宇屋内温度与时间的变化关系：

式中：

D＝A_k/B_k,为与T_out有关的变量；

再假设控制周期内公共楼宇屋外温度T_out为恒定值，则可得

τ_c＝τ_on+τ_off 式c

式中：[T_min,T_max]为公共楼宇屋内温度的控制区间；τ_on为公共楼宇中央空调系统的一个启停控制周期；τ_on和τ_off分别为一个控制周期内中央空调的停机期与制冷期时间；当公共楼宇的中央空调机组在一个控制周期τ_on内，按照以恒定制冷量q_ch运行τ_on时间并停止运行τ_off时间的占空比控制方式进行工作，可以实现公共楼宇屋内温度在T_min与T_max之间循环摆动变化；考虑到公共楼宇中央空调系统一般采用螺杆式或离心式制冷机组，通常单台制冷机的额定功率大于100kW且额定转速大于3000r/min，不能进行瞬时的开通与关断。因此，公共楼宇中央空调系统无法很理想地实现上述制冷机组的周期性频繁启停控制策略。因此在满足用户对屋内温度的舒适度要求的前提下，实现了公共楼宇中央空调系统的降负荷目标，同时也能使公共楼宇空调系统的制冷机组均工作在较理想的运行状态。

这里提出的公共楼宇中央空调调控策略基于以下3个假设：1)忽略公共楼宇各楼层间空气流动对室温的影响作用；2)在末端设备工作状态相同的前提下，公共楼宇中央空调制冷机组的制冷量在各楼层平均分配；3)相同的室温初始条件下，公共楼宇各楼层在任意时段获得相等的空调制冷量时室温的变化量相等；该调控策略的具体控制方式是，在控制周期内公共楼宇中央空调机组始终以恒定的制冷量chq运行，且chq满足式a、式b、式c及

式中n为公共楼宇的层数；在控制策略中，公共楼宇各楼层的空调系统末端设备按开启时间为τ_on且关停时间为τ_off的方式进行轮停，当n为偶数时，在一个控制周期τ_c内，不同时段公共楼宇各层制冷系统的末端设备的组合开闭状态不同，每个时段的持续时间为2τ_on/n；进入下一时段时，关闭一层的制冷系统末端设备以停止对该层供冷，并相应地开启一层的制冷系统末端设备；以确保每个时段开启和关闭制冷系统末端设备的楼层数均为n/2，同时保证一个控制周期τ_c内公共楼宇中央空调机组始终以满足式d的恒定制冷量

运行，且各楼层空气温度在T_min与T_max之间摆动变化；n为奇数的情况为一个控制周期内每个时段的持续时间为2τ_on/(n+1)，每个时段开启制冷系统末端设备的楼层数为(n+1)/2。

进一步的，所述步骤S2中，蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

公共楼宇蓄冷式中央空调系统的制冷机组包括双工况制冷机组和基载机组。通常，夏季未调控时公共楼宇蓄冷式中央空调系统采用以下运行方式：晚间0:00—8:00低谷电价时段，双工况制冷机组以额定负荷运行制冷，并将制得的冷量全部以冰(或其他相变材料)的形式储存在蓄冷槽中，屋内降温所需要的冷负荷由基载机组提供；其他时段内，首先由基载机组提供屋内降温所需要的冷负荷，无法满足的负荷部分再由蓄冷槽释冷提供。采用以上工作方式，存在晚间低谷电价时段双工况机组在蓄冷槽中储存的冷量无法在其他时段全部或几乎全部释放完的问题，造成了能源的浪费。

因此，晚间8小时即0:00—8:00的低谷电价时段内，中央空调系统制冷机组通过双工况制冷机组以额定负荷运行制冷，并将制得的冷量全部以冰或其他相变材料的形式储存在蓄冷槽中，屋内降温所需要的冷负荷由基载机组提供；其他时段时内，基载机组和蓄冰槽共同提供屋内降温所需要的冷负荷，且每一时刻蓄冰槽释冷量与公共楼宇所需总冷量的比值恒为定值k。采用该调控方案，可以通过每日选择合适的k值以实现蓄冷槽中储存的冷量全部或几乎全部释放，同时有效削减了公共楼宇空调负荷在用电高峰时段的总用电量。

公共楼宇蓄冷式中央空调调控策略满足

q_i＝q_j,i+q_x,i

q_x,i＝(1-k)·q_i 式e

式中：i为调控时段(i＝33,34,...,96)，将一天分为96个时段，每15min为一个时段，且假设在一个时段内所有功率变量和制冷量变量值恒定；q_i为第i时段公共楼宇所需的总冷量值，kW；q_j,i为第i时段基载机组的实际供冷量，kW；q_x,i为第i时段蓄冷槽的实际供冷量，kW；LF为一天结束后蓄冷槽的剩余冷量百分比；Qx,t为该日晚间8小时低谷电价时段双工况制冷机组的总蓄冷量，kW×h。

进一步的，采用上述公共楼宇中央空调调控策略，空调系统中的制冷机组可能会在部分负荷情况下工作。每台离心式制冷压缩机的高效运行范围在其制冷量的40％～100％之间，且离心式制冷机在低于40％负荷运行时比较容易发生“喘振”现象；而每台螺杆式制冷压缩机在50％负荷以下运行时效率会急剧下降。因此在提出的中央空调降负荷调控策略时，在每一控制周期内，各公共楼宇都需按照每台制冷机在不小于40％负荷运行的原则，来分配该公共楼宇各台制冷机所承担的制冷量。另一方面，对于螺杆式和离心式制冷机组，部分负荷下每台制冷机的耗电量和制冷量成非线性关系，根据厂家提供的各台制冷压缩机参数，可以将公共楼宇各台制冷压缩机耗电量和制冷量的非线性关系拟合成三次多项式的形式。从而可以得到各时段公共楼宇中央空调系统的可调度容量为

P_d,f,i＝P_f,i-P_t,f,i

式中：p_t,f,i为第f栋公共楼宇调控后在第i时段的中央空调系统总负荷值，其值等于第f栋公共楼宇调控后在第i时段各台制冷机组、各台冷冻水泵、各台冷却水泵、各台冷却塔以及所有制冷系统末端设备的耗电量之和，kW；p_f,i为第f栋公共楼宇调控前在第i时段的空调负荷预测值；p_d,f,i为第f栋公共楼宇的中央空调系统采用中央空调系统调控策略后在第i时段的可调度容量。

进一步的，通过分析2015年郑州夏季典型日的网供负荷曲线可知，郑州市夏季用电负荷在每日13时和20时左右分别出现早、晚高峰，因此，选取12：00至14：00以及19：00至21：00两个时段作为电网的早、晚调峰时段，同时，考虑到这两个调峰时段内公共楼宇屋外温度的波动较小，且为了提高本文所提出的调控策略的工程实用性，分别假设早晚两个调峰时段内的屋外空气温度的平均值。

对于非蓄冷式中央空调系统，通过设置不同的公共楼宇屋内温度的控制区间[Tmin，Tmax]，来实现公共楼宇非蓄冷式中央空调系统的分档调控，其分为[23℃,26℃]、[23℃,27℃]和[23℃,28℃]3档公共楼宇屋内温度的控制区间，根据式b和式d，在早或晚调峰时段，3档屋内温度控制区间分别对应了3档公共楼宇中央空调机组制冷量chq。

对于蓄冷式中央空调，根据式e和式f，设置不同的空调系统蓄冷槽的剩余冷量百分比LF，剩余冷量百分比LF包括0％、2％和4％三档。

为尽可能地降低电网调度中心对区域内公共楼宇空调负荷群调控的困难，提高可操作性，建立的大规模公共楼宇中央空调负荷组合调控决策模型以早、晚调峰时段区域内参与电网调度的公共楼宇个数最小为目标，目标函数为

式中：u_z,f,l为在早调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；u_w,f,l为在晚调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；u_f,l为第f栋公共楼宇的蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量(1表示受控，0反之)；F为区域内能够参与电网调峰的公共楼宇总数；F₁为区域内能够参与电网调峰的采用非蓄冷中央空调系统的公共楼宇总数；

公共楼宇中央空调系统组合调控决策模型的约束条件如下：

(1)区域内公共楼宇中央空调系统在全日各调峰时段内的调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差最大值的约束

max{Δp_i}≤ΔP,i＝45,46,...,54,79,80,...,84 式i

式中：v_z,f为第f栋公共楼宇在早调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；v_w,f为第f栋公共楼宇在晚调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；Δp_i为在第i时段区域内公共楼宇中央空调系统调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差，kW；p_t,f,l,i为在第i时段第f栋公共楼宇的中央空调系统受控于第l档时的总负荷值，kW；p_s,i为在第i时段电网对区域内公共楼宇中央空调系统的总负荷调度指令，kW；ΔP为允许的负荷偏差最大值；

(2)公共楼宇非蓄冷式中央空调系统在整个早或晚调峰时段，最多受控于一档控制方案，即

(3)公共楼宇蓄冷式中央空调系统全日最多受控于一

档控制方案，即

式g-l构成了大规模公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。

实施例二

该实施例采用IEEE-33节点配电系统，以郑州2015年负荷曲线为依据，采用蒙特卡洛随机潮流计算方法分析计算了计及柔性负荷的配电网节点电压概率分布；IEEE-33节点接线图如图1所示。

选取郑州市2015年7月30日负荷作为夏季典型负荷，减去2015年4月5日春季典型负荷，得到空调负荷曲线，如图2所示；

夏季空调负荷占总负荷的43.7％，实施例假设，IEEE-33节点配电系统中，24，25节点分别有300kW的可参与调峰的非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，即柔性负荷，约占空调负荷的36.7％。

η_A为不同时刻中央空调的原始负荷需求期望值与其最大值的比值，假设其满足计算出的空调负荷曲线，任一时刻的中央空调原始负荷采用正态分布以反映其不确定性，其负荷满足：

式中变异系数λ_A取0.1，μ_A取η_A与原始负荷的乘积。

以IEEE-33节点原始系统的负荷数据作为各节点负荷需求期望的最大值，η_t为不同时刻各节点的负荷需求期望值与该节点的负荷需求期望值最大值的比值。假设其变化满足郑州2015年7月30日的负荷曲线，如图2所示。

任一时刻的基础负荷采用正态分布以反映其不确定性,其有功和无功概率模型为

式中变异系数λ_LPt，λ_LQt取0.1，μ_LPt和μ_LQt取η_t与原始负荷的乘积。

IEEE-33节点系统的最大负荷为3715kW，利用蒙特卡洛随机潮流方法，计算以下两种情况下的负荷曲线及电压概率分布的情况。节点电压越限概率计算流程如图3所示。

实施例对如下两种假设情况进行了分析计算：

(1)系统中不存在柔性负荷

(2)24，25节点分别有300kW的非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，即柔性负荷参与调峰。

节点24处的非蓄冷式中央空调采取削峰优化策略后的空调负荷曲线如图4所示；

节点25处的蓄冷式中央空调采取削峰优化策略后的空调负荷曲线如图5所示：

采取优化策略前后的空调负荷峰谷差如下表所示，可以看到负荷峰谷差明显减小：

策略	负荷峰谷差(kW)
		原始空调负荷	183.57
采取非蓄冷式中央空调优化策略	165.38
		采取蓄冷式中央空调优化策略	135.00

采取优化策略前后的空调负荷峰谷差表

两种情况下节点电压越限概率分别如图6所示

第(1)种情况下节点电压越限概率最高值为2.9％，发生在节点18的12时；第(2)种情况下节点电压越限概率为1.7％，也发生在节点18的12时。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、建立公共楼宇中央空调负荷模型；

S2、公共楼宇内中央空调分为非蓄冷式中央空调和蓄冷式中央空调，并分别制定中央空调系统调控策略；

S3、计算公共楼宇中央空调系统可调度容量；

S4、构建公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型；

步骤S1中根据能量守恒定律，任意时段内，公共楼宇的瞬时得热量q_cl、新风负荷qnw及护围结构的蓄热量q_x之和等于空调系统的制冷量q_ch，其中公共楼宇的瞬时得热量q_cl由外墙和屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wq、外窗瞬变传热形成的逐时冷负荷q_wc、透过玻璃窗的太阳辐射热形成的逐时冷负荷q_fs、室内用电设备散热形成的逐时冷负荷q_e、室内照明设备散热形成的逐时冷负荷q₁和室内人体散热形成的逐时冷负荷q_p组成，计算公式分别为

q_cl＝q_wq+q_wc+q_fs+q_e+q_l+q_p

q_wq＝∑{K_iF_i[(T_lf+T_d)-T_in]}

q_wc＝∑[K_cF_c(T_out-T_in)]

q_fs＝∑(q_fF_cC_sC_nC_cl)

q_e＝1000n₁n₂n₃N_e

q₁＝1000n₄n₅n₆n₇N₁

q_p＝C_rnφq_r+nφq_q

q_x＝S_iF_indT_in(t)

式中：F_i为外墙或屋面的面积，m²；K_i为外墙或屋面的传热系数，W/(m²·K)；T_lf为外墙和屋面的冷负荷计算温度的逐时值，℃；T_d为冷负荷计算温度T_lf关于地区的修正值，℃；T_in为屋内设计温度，℃；F_c为外窗的面积，m²；K_c为外窗的传热系数，W/(m²·K)；T_out为屋外空气温度，℃；q_f为外窗日射得热量最大值，W/m²；C_s为外窗玻璃类型修正系数，无量纲；C_n为外窗的内遮阳的遮阳系数，无量纲；C_cl为外窗玻璃冷负荷系数，无量纲；n₁为电热设备的安装系数，无量纲；n₂为电热设备的负荷系数，无量纲；n₃为电热设备的同时使用率，无量纲；N_e为电热设备的安装功率，kW；n₄为照明设备的同时使用率，无量纲；n₅为照明设备的蓄热系数，无量纲；n₆为整流器消耗功率的系数，无量纲；n₇为照明设备的安装系数，无量纲；N_l为照明设备的安装功率，kW；Cr为人体显热散热冷负荷系数，无量纲；n为公共楼宇中的总人数，无量纲；q_r为每名成年男子的显热散热量，W；φ为群集系数，男子、女子和儿童折合成成年男子的散热比例，无量纲；q_q为每名成年男子的潜热散热量，W；

为新风量，g/s；S_i为内墙面的蓄热系数，W/(m²·K)；F_in为内墙面积，m²；

制冷期，中央空调制冷机组持续供冷使室温不断降低；停机期，中央空调制冷机组停止工作，由于楼宇内外热源的放热作用以及楼宇内墙的蓄热作用，室温不断上升，通过两个公式分别表示在停机期与制冷期任意时刻t开始的dt时段内公共楼宇的屋内空气热平衡关系：

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x

C_aV_kρ_adT_in＝q_cldt+q_nwdt-q_x-q_chtdt

式中：C_a为空气定压重量比热，取0.28J/kg·℃；V_k为公共楼宇的制冷空间体积，按公共楼宇使用面积、层高与地上层数之乘积计算，单位m³；ρ_a为空气密度，取1.29kg/m³；q_ch,t为中央空调制冷机组的逐时制冷量，W；

在停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程：

其中，

完成对公共楼宇中央空调系统的建模；

步骤S2中，确定非蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

根据停机期与制冷期内公共楼宇中央空调系统的热力学方程，以h为控制时间间隔将时间t离散化，并假设制冷期内中央空调的制冷机组始终按恒定功率p_ch运行，此时对应制冷机组的恒定制冷量q_ch，即q_ch，t≡q_ch，则可以得到停机期与制冷期内的公共楼宇屋内温度与时间的变化关系：

式中：

D＝A_k/B_k,为与T_out有关的变量；

再假设控制周期内公共楼宇屋外温度T_out为恒定值，则可得

τ_c＝τ_on+τ_off 式c

式中：[T_min,T_max]为公共楼宇屋内温度的控制区间；τ_on为公共楼宇中央空调系统的一个启停控制周期；τ_on和τ_off分别为一个控制周期内中央空调的停机期与制冷期时间；当公共楼宇的中央空调机组在一个控制周期τ_on内，按照以恒定制冷量q_ch运行τ_on时间并停止运行τ_off时间的占空比控制方式进行工作，可以实现公共楼宇屋内温度在T_min与T_max之间循环摆动变化；

公共楼宇中央空调调控策略基于以下3个假设：1)忽略公共楼宇各楼层间空气流动对室温的影响作用；2)在末端设备工作状态相同的前提下，公共楼宇中央空调制冷机组的制冷量在各楼层平均分配；3)相同的室温初始条件下，公共楼宇各楼层在任意时段获得相等的空调制冷量时室温的变化量相等；该调控策略的具体控制方式是，在控制周期内公共楼宇中央空调机组始终以恒定的制冷量chq运行，且chq满足式a、式b、式c及

式中n为公共楼宇的层数；在控制策略中，公共楼宇各楼层的空调系统末端设备按开启时间为τ_on且关停时间为τ_off的方式进行轮停，当n为偶数时，在一个控制周期τ_c内，不同时段公共楼宇各层制冷系统的末端设备的组合开闭状态不同，每个时段的持续时间为2τ_on/n；进入下一时段时，关闭一层的制冷系统末端设备以停止对该层供冷，并相应地开启一层的制冷系统末端设备；以确保每个时段开启和关闭制冷系统末端设备的楼层数均为n/2，同时保证一个控制周期τ_c内公共楼宇中央空调机组始终以满足式d的恒定制冷量

运行，且各楼层空气温度在T_min与T_max之间摆动变化；n为奇数的情况为一个控制周期内每个时段的持续时间为2τ_on/(n+1)，每个时段开启制冷系统末端设备的楼层数为(n+1)/2；

所述步骤S2中，蓄冷式中央空调系统调控策略包括如下方法：

公共楼宇蓄冷式中央空调系统的制冷机组包括双工况制冷机组和基载机组，晚间8小时即0:00—8:00的低谷电价时段内，中央空调系统制冷机组通过双工况制冷机组以额定负荷运行制冷，并将制得的冷量全部以冰或其他相变材料的形式储存在蓄冷槽中，屋内降温所需要的冷负荷由基载机组提供；其他时段时内，基载机组和蓄冰槽共同提供屋内降温所需要的冷负荷，且每一时刻蓄冰槽释冷量与公共楼宇所需总冷量的比值恒为定值k，公共楼宇蓄冷式中央空调调控策略满足

q_i＝q_j,i+q_x,i

q_x,i＝(1-k)·q_i 式e

式中：i为调控时段(i＝33,34,...,96)，将一天分为96个时段，每15min为一个时段，且假设在一个时段内所有功率变量和制冷量变量值恒定；q_i为第i时段公共楼宇所需的总冷量值，kW；q_j,i为第i时段基载机组的实际供冷量，kW；q_x,i为第i时段蓄冷槽的实际供冷量，kW；LF为一天结束后蓄冷槽的剩余冷量百分比；Qx,t为该日晚间8小时低谷电价时段双工况制冷机组的总蓄冷量，kW×h。

2.如权利要求1所述的大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，其特征在于：公共楼宇中央空调系统可调度容量公式为

P_d,f,i＝P_f,i-P_t,f,i

式中：p_t,f,i为第f栋公共楼宇调控后在第i时段的中央空调系统总负荷值，其值等于第f栋公共楼宇调控后在第i时段各台制冷机组、各台冷冻水泵、各台冷却水泵、各台冷却塔以及所有制冷系统末端设备的耗电量之和，kW；p_f,i为第f栋公共楼宇调控前在第i时段的空调负荷预测值；p_d,f,i为第f栋公共楼宇的中央空调系统采用中央空调系统调控策略后在第i时段的可调度容量。

3.如权利要求2所述的大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，其特征在于：在步骤S4中通过设置不同的公共楼宇屋内温度的控制区间[Tmin，Tmax]，来实现公共楼宇非蓄冷式中央空调系统的分档调控，其分为[23℃,26℃]、[23℃,27℃]和[23℃,28℃]3档公共楼宇屋内温度的控制区间，根据式b和式d，在早或晚调峰时段，3档屋内温度控制区间分别对应了3档公共楼宇中央空调机组制冷量chq。

4.如权利要求3所述的大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，其特征在于：在步骤S4中对于蓄冷式中央空调，根据式e和式f，设置不同的空调系统蓄冷槽的剩余冷量百分比LF，剩余冷量百分比LF包括0％、2％和4％三档。

5.如权利要求4所述的大规模公共楼宇中央空调参与电网调峰的组合调控方法，其特征在于：大规模公共楼宇中央空调负荷组合调控决策模型以早、晚调峰时段区域内参与电网调度的公共楼宇个数最小为目标，目标函数为

式中：u_z,f,l为在早调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量，1表示受控，0反之；u_w,f,l为在晚调峰时段第f栋公共楼宇的非蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量，1表示受控，0反之；u_f,l为第f栋公共楼宇的蓄冷式中央空调系统是否受控于第l档的标识量，1表示受控，0反之；F为区域内能够参与电网调峰的公共楼宇总数；F₁为区域内能够参与电网调峰的采用非蓄冷中央空调系统的公共楼宇总数；

公共楼宇中央空调系统组合调控决策模型的约束条件如下：

(1)区域内公共楼宇中央空调系统在全日各调峰时段内的调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差最大值的约束

max{Δp_i}≤ΔP,i＝45,46,...,54,79,80,...,84 式i

式中：v_z,f为第f栋公共楼宇在早调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；v_w,f为第f栋公共楼宇在晚调峰时段是否营业的标识量(1表示营业，0反之)；Δp_i为在第i时段区域内公共楼宇中央空调系统调控后总负荷值与电网对其调度指令的偏差，kW；p_t,f,l,i为在第i时段第f栋公共楼宇的中央空调系统受控于第l档时的总负荷值，kW；p_s,i为在第i时段电网对区域内公共楼宇中央空调系统的总负荷调度指令，kW；ΔP为允许的负荷偏差最大值；

(2)公共楼宇非蓄冷式中央空调系统在整个早或晚调峰时段，最多受控于一档控制方案，即

(3)公共楼宇蓄冷式中央空调系统全日最多受控于一档控制方案，即

式g-l构成了大规模公共楼宇中央空调系统参与电网调峰的组合调控模型。

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