CN112967152B - 一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电力系统负荷建模与控制技术领域，提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法。本申请通过自定义温度状态标识值，统一衡量不同工作模式的用户舒适度和热泵单元功率调节能力；还通过构建基于温度状态标识值优先级列表的聚合模型，确定水环热泵负荷的功率极限；以及根据基于二分法的bang‑bang控制算法，确定所有热泵单元的开关状态，并根据温度状态标识值的优先级列表来协调所有热泵单元的启停控制。本申请解决了水环热泵负荷全运行模式下，聚合建模所面临的电热转化过程变量多且非线性的问题，进而在有效保证用户舒适度的前提下，能够为电网提供可靠的需求响应服务。

Description

一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法

技术领域

本申请涉及电力系统负荷建模与控制技术领域，尤其涉及一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法。

背景技术

电力负荷是电力系统的重要组成部分，电力系统运行与控制中的大多内容都与负荷问题有关，因此，电力负荷资源的调度研究是优化电力系统运行与控制的基础性课题。

由于空调负荷在电力负荷中占比很高，可通过将电能存储为热能的方式，使耗电量从某一时段转移到另一时段，且在小范围内改变空调负荷的运行状态，也不会影响用户的舒适度，因此空调负荷被视为电力系统中最有效且可控的负荷调度资源之一，故开展空调负荷参与电力系统需求响应的建模及控制策略研究是大势所趋。

空调负荷主要有分体式空调负荷和中央空调负荷，而中央空调负荷中越来越多地采用水环热泵负荷，是由于水环热泵负荷具有以下特点：可以同时供冷供暖，适合具有内外区的大型综合体建筑；布置简洁灵活、设计方便、设计周期短且施工方便；以及运行调节方便，具有节能性，投资成本低。

参见图1，为现有技术的一种水环热泵系统的结构示意图，水环热泵负荷由数量众多、型号各异，并通过闭合水管回路连接的热泵单元组成，每个热泵单元均为可由用户独立控制的终端设备。水环热泵负荷通过将热量储存在建筑物内，能够在一定时段内满足每个热泵单元制冷或制热的不同需求，从而有效地减小能耗并降低运行成本。

目前，已有多种聚合建模方法能实现分体式空调负荷的集中调度和控制，这些方法的应用条件可总结为：第一，每个终端设备可以单独控制；第二，空调设备的电功率和热功率之间呈线性关系；第三，所有空调设备的工作模式(制热或制冷)相同。然而水环热泵负荷仅满足第一个条件，因此无法直接采用分体式空调负荷的聚合建模方法来实现集中调度和控制；另外，在全运行模式下，水环热泵负荷的电热转化过程还具有变量多且非线性的问题，故其作为电力系统可控负荷，如何更好地参与电力需求响应还有待进一步研究与挖掘。

发明内容

本申请旨在提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，为水环热泵负荷更好地参与电力需求响应提供一种新思路。

为了实现上述目的，一方面，本申请提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，具体包括：

获取水环热泵负荷中所有热泵单元的基础数据，所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态；所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数。

根据所述当前室内温度与所述室内温度设定值，获得第一差值，并根据所述运行状态，在所述可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值。

根据所述初始开关状态，将所有热泵单元分为两组，一组作为ON组单元集，另一组作为OFF组单元集；所述ON组单元集的热泵单元为开启状态，且热泵单元根据温度状态标识值降序排列，所述OFF组单元集的热泵单元为关闭状态，且热泵单元根据温度状态标识值升序排列。

判断ON组单元集中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则将热泵单元标记为待强制关闭热泵单元；若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则将热泵单元标记为可关闭热泵单元。

判断OFF组单元集中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则将热泵单元标记为待强制开启热泵单元；若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则将热泵单元标记为可开启热泵单元。

获取第一开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得强制功率消耗值，所述第一开关状态为关闭所有的待强制关闭热泵单元，并开启所有的待强制开启热泵单元的状态。

获取第二开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最小消耗功率，所述第二开关状态为关闭所有的可关闭热泵单元的状态。

获取第三开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最大消耗功率，所述第三开关状态为开启所有的可开启热泵单元的状态。

将所述最大消耗功率和所述最小消耗功率运用到电力系统的优化调度模型中，获得水环热泵负荷的功率参考值；所述优化调度模型用于根据以最大消耗功率和最小消耗功率作为约束条件，获得功率参考值。

若所述功率参考值小于所述强制功率消耗值，则根据所述最小消耗功率和所述强制功率消耗值，确定需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元，并向所述需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元发送关闭指令；若所述功率参考值大于所述强制功率消耗值，则根据所述强制功率消耗值和所述最大消耗功率，确定需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元，并向所述需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元发送开启指令。

进一步的，所述获得温度状态标识值的具体方法为：对于第k个热泵单元，假设

为所述当前室内温度，τ_set,k为所述室内温度设定值，δ_k为所述可接受温度变化范围，其在t时刻所对应的温度状态标识值为：

制热模式，

制冷模式，

式中，SOT为温度状态标识值。

进一步的，所有的所述待强制关闭热泵单元组成强制关闭单元集，具体为：

A_f＝index(SOT≥α₁),α₁≥1

进一步的，所有的所述待强制开启热泵单元组成强制开启单元集，具体为：

B_f＝index(SOT≤β₁),β₁≤0

式中，index()表示筛选满足要求的热泵单元，α₁为预设的强制关闭阈值，β₁为预设的强制开启阈值。

进一步的，所有的所述可关闭热泵单元组成可关闭单元集，具体为：

A_c＝descend[index(α₂≤SOT≤α₁)]

式中，descend[]表示满足要求的热泵单元集按照SOT降序排列，α₂为预设的可关闭阈值。进一步的，所有的所述可开启热泵单元组成可开启单元集，具体为：

B_c＝ascend[index(β₁≤SOT≤β₂)]

式中，ascend[]表示满足要求的热泵单元集按照SOT升序排列，β₂为预设的可开启阈值。

进一步的，所述预设的可关闭阈值α₂的值为0<α₂<0.5；所述预设的可开启阈值β₂的值为0.5<β₂<1。

进一步的，所述确定需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元和所述确定需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元均采用二分法。

进一步的，所述关闭指令为bang-bang控制信号0，所述开启指令为bang-bang控制信号1。

第二方面，本申请还提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制系统，具体包括：

数据获取模块，用于获取基础数据，所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态，所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数。

数据处理模块，用于根据所述当前室内温度与所述室内温度设定值，获得第一差值，并根据所述运行状态，在所述可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值。

分组模块，用于将所有热泵单元分为ON组和OFF组，所述ON组的热泵单元为开启状态，且热泵单元根据温度状态标识值降序排列；所述OFF组的热泵单元为关闭状态，且热泵单元根据温度状态标识值升序排列。

第一判断模块，用于判断ON组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则标记为待强制关闭热泵单元；若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则标记为可关闭热泵单元。

第二判断模块，用于判断OFF组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则标记为待强制开启热泵单元；若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则标记为可开启热泵单元。

强制功率评估模块，用于获取第一开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得强制功率消耗值，所述第一开关状态为关闭所有的待强制关闭热泵单元，并开启所有的待强制开启热泵单元的状态。

最小功率评估模块，用于获取第二开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最小消耗功率，所述第二开关状态为关闭所有的可关闭热泵单元的状态。

最大功率评估模块，用于获取第三开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最大消耗功率，所述第三开关状态为开启所有的可开启热泵单元的状态。

优化调度模块，用于将所述最大消耗功率和所述最小消耗功率运用到电力系统的优化调度模型中，获得水环热泵负荷的功率参考值。

控制模块，用于确定需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元，以及用于向所述需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元发送关闭指令；还用于确定需在下一时刻开启的可开启热泵单元，以及还用于向所述需在下一时刻开启的可开启热泵单元发送开启指令。

本申请提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，建立了基于温度状态标识值优先级列表的水环热泵负荷聚合模型，并提出了相应的控制算法，解决了水环热泵负荷全运行模式下，聚合建模所面临的电热转化过程变量多且非线性的问题，进而在保证用户舒适度的前提下，能够为电网提供可靠的需求响应服务。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的一种水环热泵系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法流程示意图；

图3为本申请实施例提供的微网结构示意图；

图4为本申请实施例提供的某典型工作日的室外温度和输入功率信号的示意图；

图5为本申请实施例提供的微网联络线功率示意图；

图6为本申请实施例提供的建筑物内外区室内温度示意图；

图7为本申请实施例提供的电池储能的功率输出示意图；

图8为本申请实施例提供的两种算法的对比结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

参见图2，为本申请实施例提供的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法流程示意图。本申请实施例第一方面提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，所述水环热泵负荷聚合建模与控制方法具体包括步骤S101至步骤S107。

步骤S101，获取水环热泵负荷中所有热泵单元的基础数据。

所述基础数据包括所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态；所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数。

在实际应用中，若无法直接获取当前室内温度，可以采用以下方法估算当前室内温度。水环热泵系统中每个热泵单元的热动力学行为可以通过简化的一阶等效热参数模型进行描述。热泵单元具有制热和制冷两种运行模式，对于第k个热泵单元，其在时刻t所对应的室内温度为：

制热模式：

制冷模式：

式(1)、式(2)中：

表示当前室内温度，

表示室外温度，单位为℃；C_k表示室内空气热容，单位为J/℃；R_k表示平均包络热阻，单位为℃/W；Q_H,k表示制热功率，Q_C,k表示制冷功率，单位为W；q_k表示热泵单元开关状态的0-1变量；△t表示时间间隔，通常取值为1分钟。

步骤S102，计算每个热泵单元的温度状态标识值。

为衡量用户舒适度并度量热泵单元的功率调节能力，且便于统一处理热泵单元的不同工作模式，本申请提出温度状态标识值的概念，即根据当前室内温度与室内温度设定值，获得第一差值，并根据运行状态，在可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值。获得温度状态标识值的具体方法为：对于第k个热泵单元，假设

为当前室内温度，τ_set,k为室内温度设定值，δ_k为可接受温度变化范围，则τ_set,k±δ_k为可接受温度范围，其在t时刻所对应的温度状态标识值(state of temperature,SOT)为：

制热模式：

制冷模式：

由公式(3)和公式(4)可以看出，温度状态标识值反映了当前温度在可接受温度范围内的相对位置，当用户感到舒适时，温度状态标识值应介于0到1之间。

步骤S103，基于温度状态标识值的聚合过程。

根据步骤S102计算的温度状态标识值SOT，执行水环热泵负荷的聚合过程。所述聚合过程具体包括步骤S301至步骤S303。在没有歧义的情况下，后文中省略了用于指示时间的变量上标t。

步骤S301，分组及排序。

根据热泵单元的初始开关状态，本申请实施例将所有热泵单元分为两组，开启状态的热泵单元分为ON组，关闭状态的热泵单元分为OFF组。为了获得水环热泵负荷的最大调节容量，本申请实施例需要遵循以下选择原则：①优先关闭SOT高的ON组的热泵单元；②优先开启SOT低的OFF组的热泵单元。由此，所述ON组的热泵单元根据温度状态标识值降序排列，所述OFF组的热泵单元根据温度状态标识值升序排列。

步骤S302，设定强制开关原则。

为进一步保证用户的舒适度，本申请实施例引入设定强制开关原则，即根据SOT阈值约束而强制改变室内温度越限的热泵单元的开关状态。

判断ON组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则表示该热泵单元在下一时刻必须关闭，并将其标记为待强制关闭热泵单元，所有的待强制关闭热泵单元组成强制关闭单元集，具体为：

A_f＝index(SOT≥α₁),α₁≥1 (5)

判断OFF组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则表示该热泵单元在下一时刻必须开启，并将其标记为待强制开启热泵单元，所有的待强制开启热泵单元组成强制开启单元集，具体为：

B_f＝index(SOT≤β₁),β₁≤0 (6)

式(5)、式(6)中，index()表示筛选满足要求的热泵单元，α₁为预设的强制关闭阈值，β₁为预设的强制开启阈值。变量α₁和β₁的取值可由用户和管理部门所签订的合同给定。

步骤S303，选择可控单元集。

判断ON组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则将该热泵单元标记为可关闭热泵单元，所有的可关闭热泵单元组成可关闭单元集，具体为：

A_c＝descend[index(α₂≤SOT≤α₁)] (7)

式(7)中，descend[]表示满足要求的热泵单元按照SOT降序排列，α₂为预设的可关闭阈值。

判断OFF组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则将该热泵单元标记为可开启热泵单元，所有的可开启热泵单元组成可开启单元集，具体为：

B_c＝ascend[index(β₁≤SOT≤β₂)] (8)

式(8)中，ascend[]表示满足要求的热泵单元按照SOT升序排列，β₂为预设的可开启阈值。

通过设定α₂和β₂这两个阈值，可以避免选择到采取控制措施后易发生状态改变的热泵单元，从而可以有效避免状态的频繁切换。为了充分利用水环热泵负荷的调节能力，通常选取0<α₂<0.5，0.5<β₂<1。

步骤S104，功率限值评估。

假设一个水环热泵负荷含有N个热泵单元，其中M个运行于制热模式，剩余N-M个运行于制冷模式，则该负荷的所有热泵单元开关状态可记作：

Φ＝(q₁,q₂,...,q_M,q_M+1,...,q_N) (9)

根据循环水温τ_W的不同，水环热泵负荷的功率消耗方式有三种。根据相关文献的结论，τ_W的计算方法为：

△Q＝Q_H(1-1/ε_h)-Q_C(1+1/ε_c) (11)

式(10)、式(11)中：ρ为循环水的密度，1000kg/m³；V为回路中和水箱中的水的体积，m³；C_W为水的比热容，ε_h和ε_c分别为热泵单元的平均制热性能系数和平均制冷性能系数(coefficient of performance,COP)；Q_H为总制热负荷，Q_C为总制冷负荷，具体定义为：

假设τ_Wmin和τ_Wmax分别为循环水温度区间的下界和上界，则水环热泵负荷的总功率消耗公式为：

式(14)中，ε_CT和ε_b分别为冷却塔(包括水泵)和电锅炉的COP值，所有COP值由水环热泵系统的生产厂商给出。

通过关闭A_f组中所有热泵单元并开启B_f组中所有热泵单元，得到下一时刻所有热泵单元的第一开关状态集

并根据公式(9)-(14)可以计算得到水环热泵负荷的强制功率消耗值

通过关闭A_c组中所有热泵单元，可以得到水环热泵负荷最小消耗功率所对应的第二开关状态集Φ_min，即：

Φ_min＝{Φ|P_WLHP(Φ)＝P_WLHP,min} (16)

同理，通过开启B_c组中所有热泵单元，可以得到水环热泵负荷最大消耗功率所对应的第三开关状态集Φ_max，即：

Φ_max＝{Φ|P_WLHP(Φ)＝P_WLHP,max} (18)

进而，根据公式(9)-(18)可以计算得到水环热泵负荷的最小消耗功率和最大消耗功率。

步骤S105，运用电力系统优化调度模型，获得功率参考值。

选择适宜的电力系统优化调度模型，将步骤S104得到的最大消耗功率和最小消耗功率作为约束条件，将消耗功率作为决策变量，从而可以获得水环热泵负荷的功率参考值

步骤S106，确定热泵单元在下一时刻的开关状态，并向其发送相应的bang-bang控制信号。

本申请实施例中，在获得水环热泵负荷的功率参考值

后，可由中央控制器向各热泵单元发送bang-bang控制信号以实现在实际控制阶段对该参考值的跟踪控制，该信号需满足：

该问题本质上属于一维优化问题，可采用二分法对已按照SOT排好序的可关闭单元集和可开启单元集进行搜索，进而确定每个热泵单元在下一时刻的开关状态。具体操作方法如下：

当

时，需根据SOT降序关闭A_c ^t组中的一部分热泵单元，并向需关闭的热泵单元发送bangbang控制信号0，此时二分法搜索的热泵单元数量为

对应的功率范围为

其余未被选中的热泵单元的开关状态与强制开关状态集

保持一致。

当

时，需根据SOT升序开启

组中的一部分热泵单元，并向需开启的热泵单元发送bangbang控制信号1，此时二分法搜索的热泵单元数量为

对应的功率范围为

其余未被选中的热泵单元的开关状态与强制开关状态集

保持一致。

步骤S107，更新基础数据，重复执行步骤S101至步骤S106，直至控制周期结束。

下面将结合附图及具体实例，对本申请作进一步的详细说明，具体地：

本申请实施例所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法可用于主动配电网中，出于简化考虑以微网为典型应用场景进行举例说明。该微网的配置结构如图3所示：在供电侧，P_W和P_V分别表示风电场和光伏电站产生的功率，P_BT为储能电池放电功率，P_TL为主网提供的联络线功率；在用电侧，根据研究需要将所有负荷划分为两类，一类为水环热泵负荷P_WLHP，另一类为其他不可控负荷P_NL。

随着新能源渗透率在微网中不断提高，风力和光伏发电的间歇性将造成联络线功率的大幅变化。为平滑联络线上的功率波动，将最小化相邻时间间隔的P_TL差值作为该微网负荷调度的优化目标，即：

在负荷调度过程中，需满足以下约束条件：

①功率平衡约束

在不考虑功率损耗时，社区内部须时刻保证供用电功率平衡，即：

式(21)、式(22)中，

为微网中的不平衡功率。

②水环热泵负荷约束

水环热泵负荷的功率上下界可由式(15)和式(17)计算得到，故水环热泵负荷的可调节功率范围为：

③电池储能约束

电池储能的充放电约束为：

式(24)中，P_BT,max为电池储能的最大放电功率。

电池储能的电量约束为：

E_min≤E^t≤E_max (25)

式(25)、式(26)中，E^t和E^t-1分别为电池储能在t和t-1时刻的电量，E_max为电池储能的最大电量，E_min为电池储能的最小电量。

综上，公式(20)至公式(26)共同构成一个含约束的线性最小二乘优化问题，易求得水环热泵负荷的功率参考值

和电池储能的功率参考值

假设微网中的水环热泵负荷共包含2000个热泵单元，其中内区的1500个运行于制冷模式，外区的500个运行于制热模式。为在建模过程中充分考虑负荷多样性，热泵单元的热力学参数呈正态随机分布，相关参数值见表1。选取春秋季某典型工作日的24小时室外温度、实时风机和光伏系统发电和不可控负荷功率曲线作为输入数据，如图4所示。

下面将从三个方面对以下三个算例的仿真结果进行研究比较：①联络线功率平滑效果；②用户舒适度；③电池储能充放电频率。在以下三个算例中，所有热泵单元的初始状态均为关闭。

算例A：电池储能为唯一可调度资源，水环热泵负荷采用常规恒温器控制，其控制逻辑如下：

制热模式：

制冷模式：

算例B：水环热泵负荷和电池储能均为可调度资源，水环热泵负荷的控制策略不含强制开关原则，即没有强制温度限制。

算例C：水环热泵负荷和电池储能均为可调度资源，水环热泵负荷的控制策略包含强制开关原则。

为了量化所提方法的有效性，定义联络线功率变化率指标如下：

式(29)中，Var％为联络线功率的相对变化率，δP_TL为功率爬坡率。Var％的值越小，表明平滑效果越好。

表1仿真参数表

①联络线功率平滑效果

如图5所示，在水环热泵负荷参与调度后，微网联络线上的功率波动(尤其是其中的高频分量)得到了较好的平抑。算例A、B、C中的Var％值分别为5.26％、0.12％和0.11％，通过比较后两个算例的计算结果，可以发现在原始控制算法中引入强制开关原则不会对平滑目标产生负面影响。

②用户舒适度

如图6所示，图中的虚线表示用户设定的内区和外区舒适室温范围，分别为15～21℃和23～29℃。如图6中(a)所示，当水环热泵负荷在算例A中由恒温器控制时，室内温度被严格限制在舒适范围内。由于算例B对水环热泵负荷没有直接的温度限制，因此图6中(b)中00：00-08：00时段发生了较为明显的温度越限；作为对比，图6中(c)中算例C的强制开关原则可以有效地确保用户舒适度并平滑功率波动。

③电池储能充放电频率

如图7中(b)和图7中(c)所示，当水环热泵负荷调节容量不足时，需要电池储能充放电进行补充。与图7中(a)相比，水环热泵负荷参与调度后电池储能充放电频率明显降低，可以有效延长电池的使用寿命。

为了进一步说明本申请所述一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法的有效性，将其与论文《Aαdemand response and battery storage coordination algorithm forproviding microgrid tie-line smoothing services》(《一种用于提供微网联络线功率平滑服务的需求响应和电池储能协调控制算法》)中使用的基于温度的聚合建模算法进行了比较。考虑到水环热泵负荷的实际使用情况，两种方法中每个热泵单元的设定温度值按照均匀分布随机生成，比较结果如图8所示。经计算，两种算法的联络线功率Var％值分别为0.11％和0.18％，由此表明本申请所提方法能够更好地平滑功率波动。此外，如图8中(b)所示，采用本申请所述基于聚合建模的水环热泵负荷控制方法的热泵单元的开关状态切换次数相对更少，可以表明本申请能够有效延长水环热泵负荷系统的使用寿命。

综上所述，本申请实施例定义了温度状态标识值，以衡量用户舒适度和热泵单元功率调节能力；建立了基于温度状态标识值优先级列表的聚合模型，以确定水环热泵负荷的功率极限；还在实际控制阶段提出了基于二分法的bang-bang控制算法以确定所有热泵单元的开关状态，并根据温度状态标识值的优先级列表来协调所有热泵单元的启停控制。从而解决了水环热泵负荷在全运行模式下，聚合建模中电热转化过程变量多且非线性的问题，进而为电网提供可靠的需求响应服务，保证用户的舒适度，且能够更好地平滑功率波动并有效延长设备的使用寿命。

本申请实施例第二方面提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制系统，用于执行本申请实施例第一方面提供的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，对于本申请实施例第二方面提供的水环热泵负荷聚合建模与控制系统中未公开的细节，请参见本申请实施例第一方面提供的水环热泵负荷聚合建模与控制系统方法。

所述水环热泵负荷聚合建模与控制系统，包括数据获取模块、数据处理模块、判断分组模块、聚合建模模块、优化调度模块和控制模块。

数据获取模块，用于获取基础数据，所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态，所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数。

数据处理模块，用于根据根据所述当前室内温度与所述室内温度设定值，获得第一差值，并根据所述运行状态，在所述可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值。

分组模块，用于将所有热泵单元分为ON组和OFF组，所述ON组的热泵单元为开启状态，且热泵单元根据温度状态标识值降序排列，所述OFF组的热泵单元为关闭状态，且热泵单元根据温度状态标识值升序排列。

第一判断模块，用于判断ON组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则标记为待强制关闭热泵单元；若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则标记为可关闭热泵单元。

第二判断模块，用于判断OFF组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则标记为待强制开启热泵单元；若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则标记为可开启热泵单元。

强制功率评估模块，用于获取第一开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得强制功率消耗值，所述第一开关状态为关闭所有的待强制关闭热泵单元，并开启所有的待强制开启热泵单元的状态。

最小功率评估模块，用于获取第二开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最小消耗功率，所述第二开关状态为关闭所有的可关闭热泵单元的状态。

最大功率评估模块，用于获取第三开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最大消耗功率，所述第三开关状态为开启所有的可开启热泵单元的状态。

优化调度模块，用于将所述最大消耗功率和所述最小消耗功率运用到电力系统的优化调度模型中，获得水环热泵负荷的功率参考值。

控制模块，用于确定需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元，并用于向所述需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元发送关闭指令；还用于确定需在下一时刻开启的可开启热泵单元，以及还用于向所述需在下一时刻开启的可开启热泵单元发送开启指令。

由上述技术方案可知，本申请提供一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，建立了基于温度状态标识值优先级列表的水环热泵负荷聚合模型，并提出了相应的控制算法，解决了水环热泵负荷全运行模式下，聚合建模所面临的电热转化过程变量多且非线性的问题，进而在保证用户舒适度的前提下，能够为电网提供可靠的需求响应服务。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所述水环热泵负荷聚合建模与控制方法包括：

获取水环热泵负荷中所有热泵单元的基础数据，所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态；所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数；

根据所述当前室内温度与所述室内温度设定值，获得第一差值，并根据所述运行状态，在所述可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值；

根据所述初始开关状态，将所述所有热泵单元分为两组，一组作为ON组单元集，另一组作为OFF组单元集；所述ON组单元集的热泵单元为开启状态，且热泵单元根据温度状态标识值降序排列，所述OFF组单元集的热泵单元为关闭状态，且热泵单元根据温度状态标识值升序排列；

判断ON组单元集中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则将热泵单元标记为待强制关闭热泵单元；若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则将热泵单元标记为可关闭热泵单元；

判断OFF组单元集中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则将热泵单元标记为待强制开启热泵单元；若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则将热泵单元标记为可开启热泵单元；

获取第一开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得强制功率消耗值，所述第一开关状态为关闭所有的待强制关闭热泵单元，并开启所有的待强制开启热泵单元的状态；

获取第二开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最小消耗功率，所述第二开关状态为关闭所有的可关闭热泵单元的状态；

获取第三开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最大消耗功率，所述第三开关状态为开启所有的可开启热泵单元的状态；

将所述最大消耗功率和所述最小消耗功率运用到电力系统的优化调度模型中，获得水环热泵负荷的功率参考值；所述优化调度模型用于根据以最大消耗功率和最小消耗功率作为约束条件，获得功率参考值；

若所述功率参考值小于所述强制功率消耗值，则根据所述最小消耗功率和所述强制功率消耗值，确定需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元，并向所述需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元发送关闭指令；若所述功率参考值大于所述强制功率消耗值，则根据所述强制功率消耗值和所述最大消耗功率，确定需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元，并向所述需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元发送开启指令。

2.根据权利要求1所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于：所述获得温度状态标识值的具体方法为：对于第k个热泵单元，假设

为所述当前室内温度，τ_set,k为所述室内温度设定值，δ_k为所述可接受温度变化范围，其在t时刻所对应的温度状态标识值为：

制热模式，

制冷模式，

式中，SOT为温度状态标识值。

3.根据权利要求2所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所有的所述待强制关闭热泵单元组成强制关闭单元集，具体为：

A_f＝index(SOT≥α₁),α₁≥1

所有的所述待强制开启热泵单元组成强制开启单元集，具体为：

B_f＝index(SOT≤β₁),β₁≤0

式中，index()表示筛选满足要求的热泵单元，α₁为预设的强制关闭阈值，β₁为预设的强制开启阈值。

4.根据权利要求3所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所有的所述可关闭热泵单元组成可关闭单元集，具体为：

A_c＝descend[index(α₂≤SOT≤α₁)]

式中，descend[]表示满足要求的热泵单元集按照SOT降序排列，α₂为预设的可关闭阈值；

所有的所述可开启热泵单元组成可开启单元集，具体为：

B_c＝ascend[index(β₁≤SOT≤β₂)]

式中，ascend[]表示满足要求的热泵单元集按照SOT升序排列，β₂为预设的可开启阈值。

5.根据权利要求4所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所述预设的可关闭阈值α₂的值为0<α₂<0.5；所述预设的可开启阈值β₂的值为0.5<β₂<1。

6.根据权利要求1所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所述确定需在下一时刻关闭的所述可关闭热泵单元和所述确定需在下一时刻开启的所述可开启热泵单元均采用二分法。

7.根据权利要求1所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，其特征在于，所述关闭指令为bang-bang控制信号0，所述开启指令为bang-bang控制信号1。

8.一种水环热泵负荷聚合建模与控制系统，其特征在于，所述水环热泵负荷聚合建模与控制系统用于执行权利要求1-7所述的一种水环热泵负荷聚合建模与控制方法，包括：

数据获取模块，用于获取基础数据，所述基础数据包括当前室内温度、初始开关状态、运行状态、室内温度设定值、可接受温度变化范围和设备参数；所述初始开关状态为开启状态或关闭状态；所述运行状态为制冷状态或制热状态，所述设备参数包括制热功率、制冷功率、平均制热系数和平均制冷系数；

数据处理模块，用于根据所述当前室内温度与所述室内温度设定值，获得第一差值，并根据所述运行状态，在所述可接受温度变化范围内标识所述第一差值，作为温度状态标识值；

分组模块，用于将所有热泵单元分为ON组和OFF组，所述ON组的热泵单元为开启状态，且热泵单元根据温度状态标识值降序排列，所述OFF组的热泵单元为关闭状态，且热泵单元根据温度状态标识值升序排列；

第一判断模块，用于判断ON组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值大于等于预设的强制关闭阈值，则标记为待强制关闭热泵单元；若温度状态标识值小于所述预设的强制关闭阈值且大于预设的可关闭阈值，则标记为可关闭热泵单元；

第二判断模块，用于判断OFF组中热泵单元的温度状态标识值，若温度状态标识值小于等于预设的强制开启阈值，则标记为待强制开启热泵单元；若温度状态标识值大于所述预设的强制开启阈值且小于预设的可开启阈值，则标记为可开启热泵单元；

强制功率评估模块，用于获取第一开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得强制功率消耗值，所述第一开关状态为关闭所有的待强制关闭热泵单元，并开启所有的待强制开启热泵单元的状态；

最小功率评估模块，用于获取第二开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最小消耗功率，所述第二开关状态为关闭所有的可关闭热泵单元的状态；

最大功率评估模块，用于获取第三开关状态下所有热泵单元的开关状态及设备参数，并根据所有热泵单元的开关状态及设备参数，获得最大消耗功率，所述第三开关状态为开启所有的可开启热泵单元的状态；

优化调度模块，用于将所述最大消耗功率和所述最小消耗功率运用到电力系统的优化调度模型中，获得水环热泵负荷的功率参考值；

控制模块，用于确定需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元，并用于向所述需在下一时刻关闭的可关闭热泵单元发送关闭指令；还用于确定需在下一时刻开启的可开启热泵单元，以及还用于向所述需在下一时刻开启的可开启热泵单元发送开启指令。

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