CN112460762B - 一种中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略 - Google Patents

一种中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略 Download PDF

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CN112460762B CN202011340866.9A CN202011340866A CN112460762B CN 112460762 B CN112460762 B CN 112460762B CN 202011340866 A CN202011340866 A CN 202011340866A CN 112460762 B CN112460762 B CN 112460762B
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Abstract

本发明公开了中央空调(Central Air Conditioner,CAC)负荷群参与电力系统调峰的控制策略。本发明提出了用于参与电力系统调峰的中央空调单体负荷模型,包括主机电热转换、冷冻水热过程、风机盘管热交换以及末端房间空间热模型,并通过试验平台验证了所提模型的准确性。本发明构建了中央空调负荷群参与电力系统调峰的系统架构,提出了中央空调负荷群参与电力系统调峰的优化模型,对非线性约束进行分段线性化,使得模型方便快速有效求解。本发明可以通过控制中央空调提升电力系统调峰能力;充分考虑了用户舒适度;对中央空调设备的影响很小;对通信实时性要求不苛刻;所建数学优化模型为混合整数线性规划,方便使用常用数学优化求解器进行快速有效求解。

Description

一种中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略
技术领域
本发明涉及一种中央空调(Central Air Conditioner,CAC)负荷群参与电力系统调峰的控制策略。
背景技术
在夏季和冬季的电力负荷高峰时期,容易出现电力短缺的情况,调峰对于电力系统安全稳定运行非常关键。目前通常采用有序用电的方式进行电力负荷高峰时期的调峰,为减少民生影响,优先针对高耗能工业负荷进行有序用电调控,极端天气情况下,会限制居民负荷用电。近年提出需求侧响应进行电力系统的调峰,以减少限电的不利影响。
空调负荷是典型的需求侧响应资源,在一些城市,比如香港、上海、厦门等地,夏季时空调负荷占比最高能达到电力负荷的30%~40%,此外,对空调负荷进行短时控制不会明显影响人体舒适度,因此空调负荷具有电力系统需求响应的潜质。相比于分体式空调,中央空调由于其更高的容量、更大的热惯性以及更便捷的控制能力在电力系统需求响应方面表现更为优越,因此中央空调负荷参与电力系统调峰具有更加明显的实际意义。
当前中央空调负荷群参与电力系统调峰的建模与控制存在以下问题:
(1)用来参与电力系统调峰的中央空调单体负荷模型仍需完善;
(2)需要评估中央空调负荷群的调峰能力;
(3)需要制定有效的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略。
发明内容
本发明为解决上述问题,建立参与电力系统调峰的中央空调单体负荷模型;评估中央空调负荷群的调峰能力;制定有效的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
(1)负荷终端实时采集中央空调的实时运行信息,包括空调主机开关情况、冷却水进出水设定温度、冷冻水进出水温度、主机功率、末端房间典型量测温度等;
(2)负荷终端向中央空调聚合层上传实时运行信息,中央空调聚合层根据中央空调负荷群实时运行状态得到中央空调调峰能力,并定时向电力系统调度中心上传调峰能力;
(3)如果电力系统需要中央空调调峰,调度中心向中央空调聚合层下达调峰任务;接受到调峰任务后,聚合层向中央空调下达相应控制命令,中央空调执行控制命令;
(4)空调主机通过压缩机将低压制冷剂蒸汽压缩为高压蒸汽,制冷剂与冷凝器内的冷却水热交换后,会处于高压液态,通过节流阀后,压力骤降,之后低压液体制冷剂送到蒸发器,与冷水进行热交换后,变为气态;通过以上压力和相变过程,中央空调主机可将电能转化为数倍的制冷量;主机电功率和主机制冷量的关系可以使用三次函数进行拟合
Figure RE-RE-GDA0002926698730000021
其中Pchiller,e和Pchiller,h是中央空调的电功率和制冷量(W);a0,a1,a2和a3是三次函数相应参数;
根据热力学第一定律可以近似得出冷冻水的进出水温度变化模型
Kw(Tw,e-Tw,l)=Pchiller,h
Figure RE-RE-GDA0002926698730000022
其中Tw,l和Tw,e是冷冻水出水和回水温度(℃);Cw是冷冻水热容(J/℃);Kw=cv是冷冻水的热导(W/℃);Pexchange是冷冻水和末端的热交换功率(W);c是冷冻水的比热容 (J/℃·kg);v是冷冻水的流量(kg/s);
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量满足
Figure RE-RE-GDA0002926698730000031
其中
Figure RE-RE-GDA0002926698730000032
是室内平均温度(℃);Kair-water是热交换热导(W/℃);
室内平均温度的变化可以用热空间模型描述
Figure RE-RE-GDA0002926698730000033
其中Kair和Cair是末端房间的热导(W/℃)和热容(J/℃);To是室外温度(℃);
方程计算参与电力系统调峰的中央空调末端房间的平均温度,定量分析控制中央空调后用户舒适度的影响程度,同时确定中央空调负荷群调峰能力的数学优化模型下的热过程约束;
优选的,所述步骤2中通过中央空调负荷群参与电力系统调峰数学优化模型获取中央空调负荷群调峰能力,对应最小化中央空调负荷群功率:
obj.min Pd
其中,Pd是中央空调负荷群功率;
模型约束包括电功率约束以及热过程约束,电功率约束如下:
a)聚合功率约束
Figure RE-RE-GDA0002926698730000034
其中,Pi t表示第i个空调第t个时段下中央空调功率,N表示中央空调数目;
b)功率上下限约束
Figure RE-RE-GDA0002926698730000035
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000036
表示第i个空调第t个时段下中央空调启停状态(0表示停机,1表示开机),Pmin和Pmax表示中央空调上下限功率;
c)爬坡约束
考虑中央空调主机压缩机物理特性的限制,中央空调功率爬坡有一定限制:
Figure RE-RE-GDA0002926698730000041
Figure RE-RE-GDA0002926698730000042
Figure RE-RE-GDA0002926698730000043
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000044
表示第i个空调第t个时段是否从开状态变为关状态(0表示否,1表示是),
Figure RE-RE-GDA0002926698730000045
表示第i个空调第t个时段是否从关状态变为开状态(0表示否,1表示是),rd和ru表示空调功率下爬坡和上爬坡速率;
d)中央空调关停约束
中央空调主机关机后,需要隔一段时间才能开启
Figure RE-RE-GDA0002926698730000046
Figure RE-RE-GDA0002926698730000047
其中,Toff,min表示最小关停时间,Ndowntime,max表示最大关停次数。
优选的,所述步骤4中主机电功率和主机制冷量的关系三次函数,采用中央空调主机模型分段线性化方法求解,分段线性化方法如下:
Figure RE-RE-GDA0002926698730000048
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000049
是约束各分段的0-1变量,
Figure RE-RE-GDA00029266987300000410
Figure RE-RE-GDA00029266987300000411
是各分段下的分段电功率,
Figure RE-RE-GDA00029266987300000412
表示主机功率完全覆盖该段下电功率,
Figure RE-RE-GDA00029266987300000413
表示主机功率未能完全覆盖该段下电功率,kn表示该分段斜率。
优选的,所述步骤(1)中,在典型房间加装温度传感器,将监测数据传输至负荷终端。
优选的,所述步骤(2)中,负荷终端向中央空调聚合层上传实时运行信息的时间间隔设置为15min,所述步骤(2)中,中央空调聚合层向调度中心上传调峰能力的间隔可以设置为1h。
优选的,所述步骤(3)中,中央空调聚合层在得到调峰任务后,根据所建立数学优化模型,可以得到所需下达的控制命令包括调整空调功率以及空调启停。
优选的,所述步骤(4)中,中央空调调整空调功率通过限制电流百分比、设定冷冻水设定温度实现。
本发明的优点在于:
1)本发明可以通过控制中央空调提升电力系统调峰能力;
2)本发明充分考虑了用户舒适度;
3)本发明对中央空调设备的影响很小;
4)本发明对通信实时性要求不苛刻;
5)本发明所建数学优化模型为混合整数线性规划,方便使用常用数学优化求解器进行快速有效求解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。
图1本发明中央空调参与电力系统调峰架构图。
图2本发明中央空调主机模型分段线性化示意图。
图3本发明中央空调主机实验结果示意图。
图4本发明中央空调冷冻水出水实验结果示意图。
图5本发明中央空调冷冻水回水实验结果示意图。
图6本发明末端房间室内温度示意图。
图7本发明中央空调负荷群调峰平均功率随负荷数变化趋势图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
(1)空调主机通过压缩机将低压制冷剂蒸汽压缩为高压蒸汽,制冷剂与冷凝器内的冷却水热交换后,会处于高压液态,通过节流阀后,压力骤降,之后低压液体制冷剂送到蒸发器,与冷水进行热交换后,变为气态。通过以上压力和相变过程,中央空调主机可将电能转化为数倍的制冷量。冷却水的循环可通过冷却水泵实现,与冷凝器中的制冷剂进行热交换后,冷却水温度将上升至37℃左右,如图中的红线所示;然后冷却水流入冷却塔,与空气进行热交换,冷却水温度将下降到32℃左右,如图中的淡红色线所示。冷冻水泵用来循环冷冻水,冷冻水与蒸发器内制冷剂进行热交换后,冷冻水的温度将下降到7℃左右,如图中深蓝色的线所示;冷冻水在风机盘管处与末端房间进行热交换后,温度会升高,之后冷冻水将再次循环至中央空调主机。
中央空调主机可将电能转化为数倍的制冷量,主机电功率和主机制冷量的关系可以使用三次函数进行拟合
Figure RE-RE-GDA0002926698730000061
其中Pchiller,e和Pchiller,h是中央空调的电功率和制冷量(W);a0,a1,a2和a3是三次函数相应参数。
根据热力学第一定律可以近似得出冷冻水的进出水温度变化模型
Kw(Tw,e-Tw,l)=Pchiller,h
Figure RE-RE-GDA0002926698730000071
其中Tw,l和Tw,e是冷冻水出水和回水温度(℃);Cw是冷冻水热容(J/℃);Kw=cv是冷冻水的热导(W/℃);Pexchange是冷冻水和末端的热交换功率(W);c是冷冻水的比热容(J/℃·kg); v是冷冻水的流量(kg/s)。
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量满足
Figure RE-RE-GDA0002926698730000072
其中
Figure RE-RE-GDA0002926698730000073
是室内平均温度(℃);Kair-water是热交换热导(W/℃)。
室内平均温度的变化可以用热空间模型描述
Figure RE-RE-GDA0002926698730000074
其中Kair和Cair是末端房间的热导(W/℃)和热容(J/℃);To是室外温度(℃)。
上述方程可以计算参与电力系统调峰的中央空调末端房间的平均温度,从而定量分析控制中央空调后用户舒适度的影响程度,另外,这些方程也构成了确定中央空调负荷群调峰能力的数学优化模型下的热过程约束。
(2)图1是中央空调参与电力系统调峰架构图,负荷终端负责采集中央空调主机以及末端房间相关运行信息,并上报至中央空调聚合层;聚合层根据所收集的运行数据并基于所发明的数学优化模型给出中央空调负荷群调峰能力,并上报至电力系统调度中心;电力系统如需中央空调参与调峰,调度中心将根据各聚合层调峰能力下发调峰任务;聚合层接到调峰任务后,根据数学优化模型给出控制策略,并下发至各负荷终端;负荷终端执行最终的控制策略,对中央空调主机进行功率调整以及启停控制。
所发明的中央空调负荷群参与电力系统调峰数学优化模型,目标为最大化中央空调负荷群调峰能力,对应最小化中央空调负荷群功率:
obj.min Pd
其中,Pd是中央空调负荷群功率。
模型约束包括电功率约束以及热过程约束,热功率约束见本发明图1对应的具体实施方式下所建立的方程,电功率约束如下:
a)聚合功率约束
Figure RE-RE-GDA0002926698730000081
其中,Pi t表示第i个空调第t个时段下中央空调功率,N表示中央空调数目。
b)功率上下限约束
Figure RE-RE-GDA0002926698730000082
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000083
表示第i个空调第t个时段下中央空调启停状态(0表示停机,1表示开机),Pmin和Pmax表示中央空调上下限功率。
c)爬坡约束
考虑中央空调主机压缩机物理特性的限制,中央空调功率爬坡有一定限制:
Figure RE-RE-GDA0002926698730000084
Figure RE-RE-GDA0002926698730000085
Figure RE-RE-GDA0002926698730000086
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000087
表示第i个空调第t个时段是否从开状态变为关状态(0表示否,1表示是),
Figure RE-RE-GDA0002926698730000088
表示第i个空调第t个时段是否从关状态变为开状态(0表示否,1表示是),rd和ru表示空调功率下爬坡和上爬坡速率。
d)中央空调关停约束
中央空调主机关机后,需要隔一段时间才能开启
Figure RE-RE-GDA0002926698730000091
Figure RE-RE-GDA0002926698730000092
其中,Toff,min表示最小关停时间,Ndowntime,max表示最大关停次数。
(3)图2是中央空调主机模型分段线性化示意图,由于热过程约束中的主机电功率和主机制冷量的关系为三次函数,使得优化问题成为混合整数非线性规划问题,不易求解,为此,本发明提出中央空调主机模型分段线性化方法,使得优化问题转换为混合整数线性规划,方便优化问题进行快速有效求解,分段线性化方法如下:
Figure RE-RE-GDA0002926698730000093
其中,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000094
是约束各分段的0-1变量,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000095
Figure RE-RE-GDA0002926698730000096
是各分段下的分段电功率,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000097
表示主机功率完全覆盖该段下电功率,
Figure RE-RE-GDA0002926698730000098
表示主机功率未能完全覆盖该段下电功率,kn表示该分段斜率。
(4)负荷终端通过IEC 104规约与执行站通信,执行站可以通过MODBUS协议采集空调主机运行信息,并下发控制命令,同时,执行站可以控制接在中央空调主机上的断路器(中央空调用于调峰时,可以不采用硬启停的控制方式,通过下发启停空调主机命令进行软启停控制),此外,负荷终端通过RS-232接口采集典型末端房间温湿度,对用户舒适度进行实时监测。
(5)图3、4、5、6是中央空调试验结果图,图3表示空调主机出厂数据与本发明所提方法拟合数据的对比结果,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为0.001029;图4表示冷冻水出水温度量测与预测的对比结果,RMSE为0.3451℃;图5表示冷冻水回水温度量测与预测的对比结果,RMSE为0.6023℃;图6表示末端房间温度量测与预测的对比结果,RMSE为0.1002℃。从图中可以看出,本发明所建模型可以准确描述中央空调热过程,为中央空调负荷群参与电力系统调峰提供模型基础。
(6)图7是中央空调负荷群调峰平均功率随负荷数变化趋势图,从图中可以看出,中央空调负荷群调峰平均功率的最大值为113.0626kW,但如果仅有一台中央空调,调峰功率仅为69.1539kW,这是电功率约束的结果,因此,随着中央空调数目增多,单个中央空调的平均调峰功率也随之增大,最后趋于稳定。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,包括以下步骤:
(1)负荷终端实时采集中央空调的实时运行信息,包括空调主机开关情况、冷却水进出水设定温度、冷冻水进出水温度、主机功率、末端房间典型量测温度;
(2)负荷终端向中央空调聚合层上传实时运行信息,中央空调聚合层根据中央空调负荷群实时运行状态得到中央空调调峰能力,并定时向电力系统调度中心上传调峰能力;对应最小化中央空调负荷群功率:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中,
Figure 45025DEST_PATH_IMAGE002
是中央空调负荷群功率;
模型约束包括电功率约束以及热过程约束,电功率约束如下:
a)聚合功率约束
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中,
Figure 207147DEST_PATH_IMAGE004
表示第i个空调第t个时段下中央空调功率,N表示中央空调数目;
b)功率上下限约束
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中,
Figure 989289DEST_PATH_IMAGE006
表示第i个空调第t个时段下中央空调启停状态, 0表示停机,1表示开机,P min P max 表示中央空调上下限功率;
c)爬坡约束
考虑中央空调主机压缩机物理特性的限制,中央空调功率爬坡有一定限制:
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中,
Figure 613168DEST_PATH_IMAGE008
表示时间段长度,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示第i个空调第t个时段是否从开状态变为关状态, 0表示否,1表示是,
Figure 226684DEST_PATH_IMAGE010
表示第i个空调第t个时段是否从关状态变为开状态, 0表示否,1表示是,r d r u 表示空调功率下爬坡和上爬坡速率;
d)中央空调关停约束
中央空调主机关机后,需要隔一段时间才能开启
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中,
Figure 231811DEST_PATH_IMAGE012
表示最小关停时间,
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示最大关停次数;
(3)如果电力系统需要中央空调调峰,调度中心向中央空调聚合层下达调峰任务;接受到调峰任务后,聚合层向中央空调下达相应控制命令,中央空调执行控制命令;
(4)空调主机通过压缩机将低压制冷剂蒸汽压缩为高压蒸汽,制冷剂与冷凝器内的冷却水热交换后,会处于高压液态,通过节流阀后,压力骤降,之后低压液体制冷剂送到蒸发器,与冷水进行热交换后,变为气态;通过以上压力和相变过程,中央空调主机可将电能转化为数倍的制冷量;主机电功率和主机制冷量的关系可以使用三次函数进行拟合
Figure 88865DEST_PATH_IMAGE014
其中P chiller,e P chiller,h 是中央空调的电功率和制冷量(W);a 0a 1a 2a 3是三次函数相应参数;
根据热力学第一定律可以近似得出冷冻水的进出水温度变化模型
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中T w,l T w,e 是冷冻水出水和回水温度(℃);C w 是冷冻水热容(J/℃);K w =cv是冷冻水的热导(W/℃);P exchange 是冷冻水和末端的热交换功率(W);c是冷冻水的比热容(J/℃∙kg);v是冷冻水的流量(kg/s);
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量满足
Figure 798326DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是室内平均温度(℃);K air-water 是热交换热导(W/℃);
室内平均温度的变化可以用热空间模型描述
Figure 735190DEST_PATH_IMAGE018
其中K air C air 是末端房间的热导(W/℃)和热容(J/℃);T o 是室外温度(℃);
方程计算参与电力系统调峰的中央空调末端房间的平均温度,定量分析控制中央空调后用户舒适度的影响程度,同时确定中央空调负荷群调峰能力的数学优化模型下的热过程约束。
2.根据权利要求1所述的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,其特征在于,所述步骤4中主机电功率和主机制冷量的关系三次函数,采用中央空调主机模型分段线性化方法求解,分段线性化方法如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中,
Figure 894907DEST_PATH_IMAGE020
是约束各分段的0-1变量,
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是各分段下的分段电功率,
Figure 386062DEST_PATH_IMAGE022
表示主机功率完全覆盖该段下电功率,
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示主机功率未能完全覆盖该段下电功率,
Figure 555006DEST_PATH_IMAGE024
表示该分段下最大电功率,k n 表示该分段斜率。
3.根据权利要求1所述的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,其特征在于,所述步骤(1)中,在典型房间加装温度传感器,将监测数据传输至负荷终端。
4.根据权利要求1所述的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,其特征在于,所述步骤(2)中,负荷终端向中央空调聚合层上传实时运行信息的时间间隔设置为15min,所述步骤(2)中,中央空调聚合层向调度中心上传调峰能力的间隔可以设置为1h。
5.根据权利要求1所述的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,其特征在于,所述步骤(3)中,中央空调聚合层在得到调峰任务后,根据所建立数学优化模型,可以得到所需下达的控制命令包括调整空调功率以及空调启停。
6.根据权利要求1所述的中央空调负荷群参与电力系统调峰的控制策略,其特征在于,所述步骤(4)中,中央空调调整空调功率通过限制电流百分比、设定冷冻水设定温度实现。
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