CN113028604A - 基于聚合空调的温度调节控制及调度方法 - Google Patents

基于聚合空调的温度调节控制及调度方法 Download PDF

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CN113028604A
CN113028604A CN202011406866.4A CN202011406866A CN113028604A CN 113028604 A CN113028604 A CN 113028604A CN 202011406866 A CN202011406866 A CN 202011406866A CN 113028604 A CN113028604 A CN 113028604A
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崔嘉
姜枫
唐俊刺
张凯
王明凯
佟智波
杨俊友
田坤
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Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd
State Grid Corp of China SGCC
Shenyang University of Technology
State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd
State Grid Corp of China SGCC
Shenyang University of Technology
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    • F24F11/61—Control or safety arrangements characterised by user interfaces or communication using timers

Abstract

本发明涉及基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，该方法包括如下步骤：将室内温度设定范围室内温度最小值Tmin，室内温度最大值Tmax分别代入单体空调二阶等效热参数模型中，输出“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”和“控制周期”τc；将“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”代入单体空调二阶等效热参数模型中，输出空调的状态队列模型；并根据空调的状态队列模型，得聚合空调中“打开”的空调组数，进而确认空调的聚合功率；采用空调的上下限温度均提高的方法，对空调的聚合功率进行空调功率消减；并依据基于改进温度调节聚合空调功率调度模型，完成调度。本发明旨在解决聚合空调调整较小的温度设定值会引起负荷多样性的缺失，空调集群会对外表现出巨大的负荷波动的问题。

Description

基于聚合空调的温度调节控制及调度方法
技术领域
本发明属于电力需求侧管理技术，尤其涉及一种基于聚合空调的改进温度调节控制及调度方 法
技术背景
在电网的传统运行机制下，若遇到负荷高峰、或启用高峰机组、或对电力用户采用拉闸 限电等负荷管理措施，但高峰机组往往成本过高，而拉闸限电则牺牲了用户利益。需求响应 技术为这一问题的解决提供了许多灵活的方案，可利用成本相对低廉的需求响应技术从用户 侧实现负荷削减，空调负荷成为最具有需求响应潜力的负荷，其特性曲线具有周期性跃变的 特点(由于空调是周期性启动设备)，且功率较小，相比之下，聚合空调负荷具有数量可观， 跳读方式灵活，参与系统调度潜力巨大等特点，这种聚合模式一般是通过负荷聚合商机制来 实现。但存在这样一个问题，对于型号参数相同或者相似度很高的空调集群，调整较小的温 度设定值会引起负荷多样性的缺失，空调集群会对外表现出巨大的负荷波动。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种是基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，旨在解决聚合空调调整较 小的温度设定值会引起负荷多样性的缺失，空调集群会对外表现出巨大的负荷波动的问题。
技术方案：
基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步：将室内温度设定范围室内温度最小值Tmin，室内温度最大值Tmax分别代入单体 空调二阶等效热参数模型中，输出空调在温度区间的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”和“控制周 期”τc；
第二步：将第一步中的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”代入第一步中的单体空调二阶等效 热参数模型中，输出空调的状态队列模型；并根据空调的状态队列模型，得聚合空调中“打 开”的空调组数，进而确认空调的聚合功率；
第三步：采用空调的上下限温度均提高的方法，对第二步中的空调的聚合功率进行空调 功率消减；并依据基于改进温度调节聚合空调功率调度模型，完成调度。
第一步中单体空调二阶等效热参数模型为：
Figure BDA0002818839560000011
Figure BDA0002818839560000012
Figure BDA0002818839560000013
式中：Ti t表示t时刻的室内温度，
Figure BDA0002818839560000021
表示t时刻的室内温度，℃；
Figure BDA0002818839560000022
表示t+1时刻的室外温度，℃；C为等效热容，J/℃；R为等效热阻，℃/W；s为空调启停状态变量，1表 示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；η为空调的能耗比；ηP为空调的制 冷/热量。
输出空调在温度区间的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”、“控制周期τc”的方法如下：
若设定室内温度限值[Tmin，Tmax]，控制周期为τc，空调打开时间为τ1，关断时间为τ0， 并假设控制周期内环境温度设定值，将室内温度上下限代入式(1)、(2)，同时将e-Δt/RC记 作ε，To为室外温度，经迭代计算可以得到：
Figure BDA0002818839560000023
Figure BDA0002818839560000024
τc＝τ0+τ1 (5)
由此可求得在一定的室外温度下，一定的室内温度控制区间内的空调打开时间、关断时 间为：
Figure BDA0002818839560000025
Figure BDA0002818839560000026
第二步中的空调的状态队列模型构建方法如下：
将推导的“τ0”、“τ1”代入(1)、(2)中建立空调的状态队列模型：
Figure BDA0002818839560000027
Figure BDA0002818839560000028
第二步中的空调的聚合功率的计算公式：
Figure BDA0002818839560000029
式中，n1为周期中打开状态的个数；nc为运行周期的总状态数；N为空调机组总数；利 用每个时间段处于“打开”状态的状态组数n1计算聚合空调负荷；P为空调机组的制冷/热 功率。
步骤三中：采用空调的上下限温度均提高的方法控制空调温度，温度调整前处于“关闭” 状态的空调机组，在温度调节后，空调的状态转换过程在新旧温度调节范围结合区间内进行 转换；
将空调温度区间提高，对于温度调整前处于“关闭”状态的空调机组，在温度调节后， 需要按照温度设定值
Figure BDA00028188395600000210
运行，接着当这些机组依次转变为“打开”状态时，温度设 定范围改为
Figure BDA0002818839560000031
而对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调节后，需按照温度设定值
Figure BDA0002818839560000032
运行，当这些机组转变为“关闭”状态则按照上述温度调整前处于“关闭”的机组实现转换(按照上述温度调整前处于“关闭”状态的空调机组的调整方式进行调整)，完成空调状态的转变过程。
第三步中基于改进温度调节聚合空调功率调度模型如下：
数学符号作如下定义：Γ表示调度总时段数；Ngroup表示空调聚合小组总数；Nplan表示 所有空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Nplani表示第i个空调聚合小组可行温度调节方 案的集合；Mj表示本次调度中，第j个方案的最大可选次数；Θj表示第j个方案的波动持 续时段数，即温度调节后经过Θj才能进入稳定状态；Pj,k表示第j个方案开始后的第k时段 的负荷增减值；si,j,l表示第j个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值 为1；Pdispatcht表示时段t的经过调度决策后的负荷值；Ptargett表示时段t的调度决策目标负荷值；
建立调度模型，时段t的调度决策负荷值可由下式计算：
Figure BDA0002818839560000033
决策模型的优化目标为
Figure BDA0002818839560000034
式中，Pt target为时段t调度决策负荷目标值。
约束条件为：
1)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案。
Figure BDA0002818839560000035
2)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数。
Figure BDA0002818839560000036
3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量si,j,l求和，须 为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θj表示采用第j个方案，且此时的决 策变量与第j个负荷增减方案须一致，式(15)决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θj，保证每次跳读之前所有空调聚合小组均已经结束过渡状态，处在稳定状态。
Figure BDA0002818839560000037
第三步中的完成调度的方式如下：
聚合商对参数相同或相近空调进行分组“即聚合小组数”，温度调节范围设置在向上调 整0.1～0.5℃及向下调整0.1～0.5℃这10种方案。以调度决策后负荷量与调度决策目标负荷 值之差的最小值为目标函数，最大程度地逼近负荷增/减目标为优化目标，为空调负荷参与 系统运行提供方法支持。
优点效果：
本发明是根据室内温度与室内制冷/热量之间的热力学平衡方程、空调制冷/热量与空调 耗电量方程，二者联立建立空调的二阶ETP模型，将室内温度设定[Tmin，Tmax]分别代入空 调的二阶ETP中，推导空调机组在设定温度范围内的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”、“控制周期τc”。将空调的“τ1”，“τ0”代入ETP模型中，推导出SQ模型。根据SQ模型中 处于“打开”状态的状态组数，可得到聚合空调负荷的计算公式并算出聚合功率。采用改进 的温度调节方法对空调进行控制，对于空调温度区间的升高或降低，上、下限均发生调整。 控制方法是原来处于“打开”状态的空调机组依次变为“关闭”，同时，原来处于“关闭” 状态的空调机组温度设定值区间变宽。最后设计基于空调温度调整的调度流程图，进行调度 决策控制，以调度决策后负荷量与调度决策目标负荷值之差的最小值为目标函数，包括调度 方法选择等约束条件进行调度。为空调负荷参与系统运行提供方法支持。
步骤一：根据室内温度与室内制冷/热量之间的热力学平衡方程、空调制冷/热量与空调耗 电量方程，二者联立建立空调的二阶ETP模型，(即室内温度与空调耗电量之间方程关系)。 将室内温度设定范围Tmin，Tmax分别代入空调的二阶等效热参数模型(ETP)中，推导空调 机组在设定温度范围内的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”、“控制周期τc”,结合图1进行 分析。
步骤二：将空调机组的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”代入带空调的ETP模型中，推导出空调的状态队列模型(SQ)。即一台空调在每个运行周期内一共经历多少个状态、多少为空调运行状态、多少为空调关停状态。并根据空调控制周期将空调分为“周期数τc”，根据空调的状态队列模型，可知聚合空调中“打开”的空调组数，进而计算出空调的聚合功率，结合图2进行分析。
步骤三：将空调温度区间提高，对于温度调整前处于“关闭”状态的空调机组；在温度 调节后，需要按照温度设定值
Figure BDA0002818839560000041
运行，接着当这些机组依次转变为“打开”状态时， 温度设定范围改为
Figure BDA0002818839560000042
而对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调 节后，需按照温度设定值
Figure BDA0002818839560000043
运行，当这些机组转变为“关闭”状态则按照上述温度调整前处于“关闭”的机组实现转换。完成空调状态的转变过程。结合图3及表1进行分析。
步骤四：聚合商对参数相同或相近空调进行分组“即聚合小组数”，设计调度模型计算 流程，根据空调负荷的原始温度区间，设定调节温度区间。调节范围设置在向上调整0.1～ 0.5℃及向下调整0.1～0.5℃这10种方案。负荷聚合商需要获取上级调度分配的系统功率缺 额并制定负荷增/减目标，进行调度决策控制，以调度决策后负荷量与调度决策目标负荷值 之差的最小值为目标函数，包括调度方法选择等约束条件进行调度。为空调负荷参与系统运 行提供方法支持，结合图4分析。
本发明公开了基于聚合空调温度调节控制及调度建模方法。该方法基于室温与空调耗电 量之间关系，建立单体空调二阶等效热参数模型，即(Equivalent ThermalParameters model， ETP)。根据ETP与室内温度区间建立空调的状态队列模型(State-Queueing model，SQ)， 即描述空调每时刻所处“打开”、“闭合”状态的模型，基于SQ求出空调的聚合功率。采用 改进的空调温度提升方法，即空调的上下限温度均提高的方法，进行空调功率消减。并以最 大程度地逼近负荷增/减目标为优化目标，建立基于改进温度调节聚合空调功率调度模型。
最后，控制空调开关控制指令完成调度。本发明有效克服传统温度调节方法造成的聚合 负荷波动现象。为空调负荷参与系统运行提供方法支持。通过本发明所提出的基于聚合空调 的温度调节控制及调度方法，可以实现电网负荷参与调峰，可以在电网负荷的高峰时期通过 合理调控空调负荷达到调峰效果。
附图说明
图1是空调机组二阶等效热参数(ETP)模型图
图2是空调状态队列模型示意图
图3(a)是提高温度设定值时的状态转移图—“关闭”状态空调机组的状态转移图。
图3(b)是提高温度设定值时的状态转移图——“打开”状态空调机组的状态转移图。
图4是空调负荷聚合调度模型计算流程图。
表1是提高温度设定值时状态分布表。
具体实施方式
基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，该方法包括如下步骤：
第一步：基于室温与空调耗电量之间关系，建立单体空调二阶等效热参数模型，即(Equivalent Thermal Parameters model，ETP)；将室内温度设定范围室内温度最小值Tmin， 室内温度最大值Tmax分别代入单体空调二阶等效热参数模型中，输出空调在温度区间(Tmin， Tmax之间)的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”和“控制周期”τc；
第二步：将第一步中的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”代入第一步中的单体空调二阶等效 热参数模型中，输出空调的状态队列模型(State-Queueing model，SQ)；并根据空调的状 态队列模型，得聚合空调中“打开”的空调组数，进而确认(聚合空调负荷)空调的聚合功率；
第三步：采用空调的上下限温度均提高的方法，对第二步中的空调的聚合功率进行空调 功率消减；并以最大程度地逼近负荷增/减目标为优化目标，建立基于改进温度调节聚合空 调功率调度模型，并依据该基于改进温度调节聚合空调功率调度模型，完成调度。
第一步中单体空调二阶等效热参数模型为：
Figure BDA0002818839560000051
Figure BDA0002818839560000052
Figure BDA0002818839560000053
式中：Ti t表示t时刻的室内温度，
Figure BDA0002818839560000054
表示t时刻的室内温度，℃；
Figure BDA0002818839560000055
表示t+1时刻的室外温度，℃；C为等效热容，J/℃；R为等效热阻，℃/W；s为空调启停状态变量，1表 示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；η为空调的能耗比；ηP为空调的制 冷/热量。
输出空调在温度区间的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”、“控制周期τc”的方法如下：
若设定室内温度限值[Tmin，Tmax]，控制周期为τc，空调打开时间为τ1，关断时间为τ0， 并假设控制周期内环境温度设定值，将室内温度上下限代入式(1)、(2)，同时将e-Δt/RC记 作ε，To为室外温度，经迭代计算可以得到：
Figure BDA0002818839560000056
Figure BDA0002818839560000057
τc＝τ0+τ1 (5)
由此可求得在一定的室外温度下，一定的室内温度控制区间内的空调打开时间、关断时 间为：
Figure BDA0002818839560000061
Figure BDA0002818839560000062
第二步中的空调的状态队列模型构建方法如下：
将推导的“τ0”、“τ1”代入(1)、(2)中建立空调的状态队列模型：
Figure BDA0002818839560000063
Figure BDA0002818839560000064
第二步中的空调的聚合功率(聚合空调负荷)的计算公式：
Figure BDA0002818839560000065
式中，n1为周期中打开状态的个数；nc为运行周期的总状态数；N为空调机组总数；利 用每个时间段处于“打开”状态的状态组数n1计算聚合空调负荷；P为空调机组的制冷/热 功率(空调的聚合功率(聚合空调负荷))。
步骤三中：采用空调的上下限温度均提高的方法控制空调温度，温度调整前处于“关闭” 状态的空调机组，在温度调节后，空调的状态转换过程在新旧温度调节范围结合区间内进行 转换；这种方法使得处于“打开”状态的空调机组逐步减少，“关闭”状态的空调机组逐步 增多，这就是聚合负荷下降的原理。并画出状态队列图与状态分布表。
将空调温度区间提高，对于温度调整前处于“关闭”状态的空调机组；在温度调节后， 需要按照温度设定值
Figure BDA0002818839560000066
(
Figure BDA0002818839560000067
为温度调节前温度区间最小值，
Figure BDA0002818839560000068
为温度调节后温度区间最大值)运行，接着当这些机组依次转变为“打开”状态时，温度设 定范围改为
Figure BDA0002818839560000069
(
Figure BDA00028188395600000610
为温度调节后温度区间的最小值，
Figure BDA00028188395600000611
为温度调节后温度区间的 最大值)。而对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调节后，需按照温度设 定值
Figure BDA00028188395600000612
(
Figure BDA00028188395600000613
为温度调节前温度区间的最小值，
Figure BDA00028188395600000614
为温度调节前温度区间的最小 值)运行，当这些机组转变为“关闭”状态则按照上述温度调整前处于“关闭”的机组实现 转换，完成空调状态的转变过程。
第三步中基于改进温度调节聚合空调功率调度模型如下：
数学符号作如下定义：Γ表示调度总时段数；Ngroup表示空调聚合小组总数；Nplan表示 所有空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Nplani表示第i个空调聚合小组可行温度调节方 案的集合；Mj表示本次调度中，第j个方案的最大可选次数；Θj表示第j个方案的波动持 续时段数，即温度调节后经过Θj才能进入稳定状态；Pj,k表示第j个方案开始后的第k时段 的负荷增减值；si,j,l表示第j个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值 为1；Pdispatcht表示时段t的经过调度决策后的负荷值；Ptargett表示时段t的调度决策目标负荷值；
建立调度模型，时段t的调度决策负荷值可由下式计算：
Figure BDA0002818839560000071
决策模型的优化目标为
Figure BDA0002818839560000072
式中，Pt target为时段t调度决策负荷目标值。
约束条件为：
3)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案。
Figure BDA0002818839560000073
4)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数。
Figure BDA0002818839560000074
3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量si,j,l求和，须 为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θj表示采用第j个方案，且此时的决 策变量与第j个负荷增减方案须一致，式(15)决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θj，保证每次跳读之前所有空调聚合小组均已经结束过渡状态，处在稳定状态。
Figure BDA0002818839560000075
第三步中的完成调度的方式如下：
聚合商对参数相同或相近空调进行分组“即聚合小组数”，温度调节范围设置在向上调 整0.1～0.5℃及向下调整0.1～0.5℃这10种方案。以调度决策后负荷量与调度决策目标负荷 值之差的最小值为目标函数，最大程度地逼近负荷增/减目标为优化目标，为空调负荷参与 系统运行提供方法支持。
步骤一中基于室温室温变化与空调运行电功率之间关系，建立二阶ETP模型，
该模型在一阶ETP模型的基础上考虑内部产热，空气与固体温度不同等因素推导得到 的。将室温设定区间[Tmin，Tmax]分别代入到ETP模型中，推导出空调在控制周期内，“打开 时间τ1”“关闭时间τ0”、“控制周期τc”。
3.根据权利1所述基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，其特征在于
步骤二中空调机组的状态队列模型(SQ)基于空调的控制周期建立的，结合SQ模型掌握空调机组状态队列图及状态分布表的含义，根据空调状态组数中处于“打开”的空调组数(即消耗功率的空调数)推导出聚合空调负荷的计算公式。
4.根据权利1所述基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，其特征在于
步骤三中是在传统空调温度调节方法上改进得到的温度调节方法，该方法对空调集群中 单独个体进行设定温度上、下限分离控制。对空调温度的上下限均上/下调，空调的状态转 换过程是在新旧结合的温度区间内完成的状态过渡过程，这种方式使得处于“打开”状态的 空调机组逐步减少，“关闭”状态的空调机组逐步增多，这就是聚合负荷下降的原理。
4.根据权利1所述基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，其特征在于
步骤四中建立空调负荷聚合调度模型的计算流程，介绍空调聚合小组原理、空调温度调 节方法的使用条件(即空调聚合小组温度设定值范围在用户舒适度上限时，只能向下调整空 调温度；空调聚合小组温度设定值范围在用户舒适度下限时，只能向上调整空调温度)根据 调度决策后的负荷值与调度决策的目标值的差值最小为优化目标，包括调度方法选择、方案 最大可选次数等约束条件。根据优化目标实现调度过程。
下面对本发明做进一步的说明：
基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，建立空调二阶ETP模型。
模拟空调电能消耗的关键是准备模拟空调的热交换过程，ETP模型如图1表示。根据图 1模型的简化可以得室内温度Ti的计算公式：
Figure BDA0002818839560000081
Figure BDA0002818839560000082
式中：
Figure BDA0002818839560000083
表示t时刻的室内温度，℃；
Figure BDA0002818839560000084
表示t+1时刻的室外温度，℃；C为等效热容，J/℃；R为等效热阻，℃/W；s为空调启停状态变量，1表示空调启动，0表示空调停止； Δt为仿真时间间隔。
若设定室内温度限值[Tmin，Tmax]，控制周期为τc，空调打开时间为τ1，关断时间为τ0， 并假设控制周期内环境温度设定值，将室内温度上下限代入式(1)、(2)，同时将e-Δt/RC记 作ε，经迭代计算可以得到：
Figure BDA0002818839560000085
Figure BDA0002818839560000086
τc＝τ0+τ1 (5)
由此可求得在一定的室外温度下，一定的室内温度控制区间内的空调打开时间、关断时 间为：
Figure BDA0002818839560000087
Figure BDA0002818839560000088
基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，建立SQ模型及求出空调聚合功率。
将推导“τ0”、“τ1”代入(1)、(2)中建立空调的SQ模型：
Figure BDA0002818839560000089
Figure BDA0002818839560000091
如图2所示：为一台空调机组的运行状态队列图，在其中每个运行周期内共需经历15 个状态变化，状态1-10为空调关停状态，而11-15为空调运行状态。本发明对于N台型号参数相同或者相似的空调聚合系统，初始状态如图2所示。即在给定室外温度To及温度限值[Tmin，Tmax]的情况下每台空调将会按照关停10min，启动5min的规律运行，将该过程分 为15个状态，每个状态持续1min。
每个状态所包含的空调机组数为N/15，称之为1个“状态组”。时间每退役1min，原来 状态中的状态组即向前移动，进入到下一个状态，一次递推。如在进入第1min时，原来的状态1中状态组进入到状态2，状态2的状态组将会进入状态3，而状态15中的状态组则会 进入到状态1，进入新一轮循环。具体表述如表1，空调机组状态分布表。从纵向看，表中 数据表示某一状态组虽时间的推移逐步进行状态切换的过程；从横向上看，表中数据表示某 个时间段内各状态组所处的状态，每个单元格内容为m-n形式，表示第m状态组现处于第 n状态中，表中的阴影表示该表格内状态为“打开”；根据表格最后1列的数据为处在“打 开”状态的状态组数，由此可得到聚合空调负荷的计算公式：
Figure BDA0002818839560000092
式中，n1为周期中打开状态的个数；nc为运行周期的总状态数；N为空调机组总数。这 样就可以利用每个时间段处于“打开”状态的状态组数计算聚合空调负荷。
基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，温度调节方法
结合图3和表1来说明这种温度调整方法。对于温度调整前处于“关闭”状态的机组， 首先需要按照温度设定值
Figure RE-GDA0003066081510000092
运行；接着当这些机组一次转变为“打开”状态，则一 次地将这些机组温度设定值改为
Figure RE-GDA0003066081510000093
即完成转化，图3(a)展示了上述转化过程。而对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调节操作开始后，需要继续按照温度设定值
Figure RE-GDA0003066081510000094
运行；当这些机组一次转变为“关闭”状态，则一次修改对应机组的温 度设定值
Figure RE-GDA0003066081510000095
接着当这些机组一次转变为“打开”状态，再一次修改对应机组的温 度设定值
Figure RE-GDA0003066081510000096
即完成转化，图3(b)展示了上述转化过程。
在这种控制方法下，原来处于“打开”状态的空调机组依次变为“关闭”，同时，由于原来处于“关闭”状态的空调机组温度设定值区间变宽，将不会很快变为“打开”状态，这 种方式使得处于“打开”状态的空调机组逐步减少，“关闭”状态的空调机组逐步增多，这 就是聚合负荷下降的原理，上述过程被详细地记录在表1在时段1-4中。在进入时段5后， 原来处于“打开”状态的最后一个状态组—11号状态组也转化为“关闭”状态，同时原来 处于“关闭”状态的状态组开始逐步进入“打开”状态。表1的6～8min表现了上述过程， 时段9以后聚合系统进入到新的循环状态。
基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，建立调度模型及优化目标。
对于大规模的空调个体，一定纯在众多的具有相同或相似参数的空调，将这些参数相同 的空调分为若干聚合小组，就可以对每个空调聚合小组进行温度调节控制，在每次调度开始 前，负荷聚合商需要获取上级调度芬欧诶的系统功率缺额(分配的缺额一旦确定则不会发生 改变，对于有其他负荷用电行为改变或发电侧突发事件导致的功率不平衡由上级调度通过其 他方法吸收)并制定增/减目标，通过对若干空调聚合小组的温度进行优化调整，最大程度 地逼近负荷增/减目标。
设负荷聚合商共有N台参数相同的可调空调，共分为Ngroup空调聚合小组，负荷聚合商 需要获知室外温度即各空调聚合小组的温度设定值，并制定负荷增/减方案。一般用户的舒 适的温度区间为20～22℃。本发明的调节方法分为向上调整0.1～0.5℃，向下调整0.1～0.5℃， 十种方案；某空调聚合小组温度设定值为20.5～21.5℃，则此聚合小组可以选择向上调整 0.1～0.5℃，向下调整0.1～0.5℃的十种方案；某空调聚合小组温度设定值为21～22℃，则 此聚合小组不可以选择向上调整温度的方案，但可以选择向下调整0.1～0.5℃这五种方案。 同样地，某空调聚合小组温度设定值为20～21℃，则此聚合小组则不可以选择向下调整温 度的方案，但它可以选择向上调整0.1～0.5℃这五种方案。控制流程如图4所示。
数学符号作如下定义：Γ表示调度总时段数；Ngroup表示空调聚合小组总数；Nplan表示 所有空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Nplani表示第i个空调聚合小组可行温度调节方 案的集合；Mj表示本次调度中，第j个方案的最大可选次数；Θj表示第j个方案的波动持 续时段数，即温度调节后经过Θj才能进入稳定状态；Pj,k表示第j个方案开始后的第k时段 的负荷增减值；si,j,l表示第j个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值 为1；Pdispatcht表示时段t的经过调度决策后的负荷值；Ptargett表示时段t的调度决策目标负荷值；
建立调度模型，时段t的调度决策负荷值可由下式计算：
Figure BDA0002818839560000101
决策模型的优化目标为
Figure BDA0002818839560000102
约束条件为：
5)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案。
Figure BDA0002818839560000103
6)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数。
Figure BDA0002818839560000104
3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量si,j,l求和，须 为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θj表示采用第j个方案，且此时的决 策变量与第j个负荷增减方案须一致，式(15)决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θj，保证每次跳读之前所有空调聚合小组均已经结束过渡状态，处在稳定状态。
Figure BDA0002818839560000105
图1中；P为空调机组的制冷/热功率，kW；η为空调的能耗比；ηP为空调的制冷/ 热量；Ca为气体比热容，J/℃；Cm为固体比热容，J/℃；To为室外温度，℃；Ti为室内温度，℃； Tm为室内固体温度，℃。
图2为1台空调机组的运行状态队列图，在其每个运行周内共需要经历15个状态变化， 状态1-10为空调关停状态，而11-15为空调运行状态，在未收到外界干扰(如室温限值调 整)的情况下，该空调会由状态1至状态15依次切换，保证室内温度处在[Tmin,Tmax]的范围 内。
图3(a)为提高温度设定值时的状态转移图—“关闭”状态空调机组的状态转移图
对于温度调整前处于“关闭”状态的机组，首先需要按照温度设定值
Figure BDA0002818839560000112
运行； 接着当这些机组一次转变为“打开”状态，则一次地将这些机组温度设定值改为
Figure BDA0002818839560000113
即完成转化，图3(a)展示了上述转化过程。
图3(b)提高温度设定值时的状态转移图—“打开”状态空调机组的状态转移图
对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调节操作开始后，需要继续按照 温度设定值
Figure BDA0002818839560000114
运行；当这些机组一次转变为“关闭”状态，则一次修改对应机组的 温度设定值
Figure BDA0002818839560000115
接着当这些机组一次转变为“打开”状态，再一次修改对应机组的温度设定值
Figure BDA0002818839560000116
即完成转化，图3(b)展示了上述转化过程。
表1提高温度设定值时的状态分布表
Figure BDA0002818839560000111
表中数据表示某个时段内各个状态组所处的状态；每个单元格内容为m-n，表示第m状态组 线处于第n状态中；表中阴影表示该表格内状态为“打开”；表格最后1列的数据为处在“打 开”状态的状态组数。其中“n”表示为旧状态，“n`”表示为新状态。
综上，本发明的创新使用单体空调的二阶等效热参数模型(ETP模型)、状态队列模型 (SQ模型)、基于SQ模型的聚合空调功率计算公式、使用改进的空调温度调节控制方法，对空调集群中单独个体进行设定温度上、下限分离控制，设定新的空调温度范围后，在过渡阶段并没有直接将处于旧温度范围而非处于新温度范围的空调状态“丢弃”，而是新旧温度范围结合的过渡过程。通过建立目标值与负荷值最小差值优化目标实现调度控制过程，为空 调负荷参与系统运行提供方法支持。

Claims (9)

1.基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步：将室内温度设定范围室内温度最小值Tmin，室内温度最大值Tmax分别代入单体空调二阶等效热参数模型中，输出空调在温度区间的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”和“控制周期”τc；
第二步：将第一步中的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”代入第一步中的单体空调二阶等效热参数模型中，输出空调的状态队列模型；并根据空调的状态队列模型，得聚合空调中“打开”的空调组数，进而确认空调的聚合功率；
第三步：采用空调的上下限温度均提高的方法，对第二步中的空调的聚合功率进行空调功率消减；并依据基于改进温度调节聚合空调功率调度模型，完成调度。
2.根据权利要求1所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：
第一步中单体空调二阶等效热参数模型为：
Figure FDA0002818839550000011
Figure FDA0002818839550000012
Figure FDA0002818839550000013
式中：Ti t表示t时刻的室内温度，
Figure FDA0002818839550000014
表示t时刻的室内温度，℃；
Figure FDA0002818839550000015
表示t+1时刻的室外温度，℃；C为等效热容，J/℃；R为等效热阻，℃/W；s为空调启停状态变量，1表示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；η为空调的能耗比；ηP为空调的制冷/热量。
3.根据权利要求2所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：输出空调在温度区间的“打开时间τ1”、“关闭时间τ0”、“控制周期τc”的方法如下：
若设定室内温度限值[Tmin，Tmax]，控制周期为τc，空调打开时间为τ1，关断时间为τ0，并假设控制周期内环境温度设定值，将室内温度上下限代入式(1)、(2)，同时将e-Δt/RC记作ε，To为室外温度，经迭代计算可以得到：
Figure FDA0002818839550000016
Figure FDA0002818839550000017
τc＝τ0+τ1 (5)
由此可求得在一定的室外温度下，一定的室内温度控制区间内的空调打开时间、关断时间为：
Figure FDA0002818839550000018
Figure FDA0002818839550000019
4.根据权利要求3所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：第二步中的空调的状态队列模型构建方法如下：
将推导的“τ0”、“τ1”代入(1)、(2)中建立空调的状态队列模型：
Figure FDA0002818839550000021
Figure FDA0002818839550000022
5.根据权利要求4所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度建模方法，其特征在于：第二步中的空调的聚合功率的计算公式：
Figure FDA0002818839550000023
式中，n1为周期中打开状态的个数；nc为运行周期的总状态数；N为空调机组总数；利用每个时间段处于“打开”状态的状态组数n1计算聚合空调负荷；P为空调机组的制冷/热功率。
6.根据权利要求1所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：
步骤三中：采用空调的上下限温度均提高的方法控制空调温度，温度调整前处于“关闭”状态的空调机组，在温度调节后，空调的状态转换过程在新旧温度调节范围结合区间内进行转换；
将空调温度区间提高，对于温度调整前处于“关闭”状态的空调机组，在温度调节后，需要按照温度设定值
Figure FDA0002818839550000024
运行，接着当这些机组依次转变为“打开”状态时，温度设定范围改为
Figure FDA0002818839550000025
而对于温度调整前处于“打开”状态的空调机组；在温度调节后，需按照温度设定值
Figure FDA0002818839550000026
运行，当这些机组转变为“关闭”状态则按照上述温度调整前处于“关闭”的机组实现转换，完成空调状态的转变过程。
7.根据权利要求6所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：第三步中基于改进温度调节聚合空调功率调度模型如下：
数学符号作如下定义：Γ表示调度总时段数；Ngroup表示空调聚合小组总数；Nplan表示所有空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Nplani表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Mj表示本次调度中，第j个方案的最大可选次数；Θj表示第j个方案的波动持续时段数，即温度调节后经过Θj才能进入稳定状态；Pj,k表示第j个方案开始后的第k时段的负荷增减值；si,j,l表示第j个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；Pdispatcht表示时段t的经过调度决策后的负荷值；Ptargett表示时段t的调度决策目标负荷值；
建立调度模型，时段t的调度决策负荷值可由下式计算：
Figure FDA0002818839550000027
决策模型的优化目标为
Figure FDA0002818839550000028
式中，Pt target为时段t调度决策负荷目标值。
8.根据权利要求7所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：
约束条件为：
1)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案。
Figure FDA0002818839550000031
2)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数。
Figure FDA0002818839550000032
3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量si,j,l求和，须为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θj表示采用第j个方案，且此时的决策变量与第j个负荷增减方案须一致，式(15)决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θj，保证每次跳读之前所有空调聚合小组均已经结束过渡状态，处在稳定状态。
Figure FDA0002818839550000033
9.根据权利要求8所述的基于聚合空调的温度调节控制及调度方法，其特征在于：第三步中的完成调度的方式如下：
聚合商对参数相同或相近空调进行分组“即聚合小组数”，温度调节范围设置在向上调整0.1～0.5℃及向下调整0.1～0.5℃这10种方案。以调度决策后负荷量与调度决策目标负荷值之差的最小值为目标函数，最大程度地逼近负荷增/减目标为优化目标，为空调负荷参与系统运行提供方法支持。
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