CN114135983B - 一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统 - Google Patents

一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开属于联合优化调度技术领域，提供了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统，包括以下步骤：获取环境温度影响参数；根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；其中，聚合层优化调度模型环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，考虑风冷热泵机组中的压缩机0‑1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控。

Description

一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统
技术领域
本公开属于联合优化调度技术领域，具体涉及一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高比例新能源接入电网对系统的调节能力提出了严峻挑战。目前的电力系统普遍存在着调节灵活性不足的问题。为显著提高电力系统非化石能源占比，保障电网安全运行，亟需增强系统灵活调节能力。在提升电源侧及电网侧调节能力的同时，应大力发展各类灵活性电力负荷，加大负荷调度与控制规模，促进大规模新能源的消纳。
大型楼宇中央空调负荷先把水制热成50℃/7℃左右的热/冷水，然后通过水泵经水管路输送到各个房间，与室内进行热交换，达到制热/冷目的。楼宇中央空调负荷是热惯性较大的负荷，楼宇房间内温度作出小范围改变不会明显影响用户温度舒适性，充分利用楼宇中央空调负荷建筑物及水循环系统蓄热/冷能力，使楼宇中央空调负荷参与电网的调度与控制，将对电力系统的功率平衡控制起到至关重要作用。
目前广泛应用的大型楼宇中央空调分为水冷机组和风冷热泵机组，两类型空调的工作特性不同，亟需针对中央空调水冷机组与风冷热泵机组进行联合优化调度。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法及系统，通过负荷聚合层聚合来参与电网的调度控制，考虑爬坡率约束，进而实现中央空调水冷机组与风冷热泵机组的联合调控，实现楼宇室内温度变化最小。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，采用如下技术方案：
一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，包括以下步骤：
获取环境温度影响参数；
根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控。
作为进一步的技术限定，所述环境温度影响参数包括室内温度、室内空气湿度、室外温度、室外空气湿度和光照强度。
作为进一步的技术限定，所述水冷机组通过调整功率来改变输入的热/冷量来调温，在开启之后其功率是连续变化的，以一定的爬坡率上升到目标功率值。
进一步的，所述爬坡率和所述目标功率值取决于空调负荷的控制参数，所述控制参数通过测试或参数辨识得到。
作为进一步的技术限定，所述风冷热泵机组通过启停热水泵机组、组群集中控制来改变输入的热/冷量来调温。
进一步的，每台风冷热泵机组设置有两个压缩机；所述压缩机启动时为1，此时功率为额定功率，关闭时为0，此时的功率为零。
作为进一步的技术限定，所述目标函数的约束条件包括功率平衡约束吧、室内温度约束、室内温度与功率之间的关系约束，以及楼宇空调机组的出力约束。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统，采用如下技术方案：
一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统，包括：
获取模块，被配置为获取环境温度影响参数；
调控模块，被配置为根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开充分考虑楼宇中央空调负荷的参与电网调度与控制的潜能，将空调负荷作为分散式负荷，通过负荷聚合层聚合再参与电网调度与控制，因中央空调中的水冷机组与风冷热泵机组的工作特性不同，基于负荷聚合层调控中央空调水冷机组与风冷热泵机组，考虑爬坡率等约束的前提下，实现楼宇室内温度变化最小。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法的流程图；
图2是本公开实施例一中的中央空调水冷机组的原理图；
图3是本公开实施例一中的中央空调风冷热泵机组的原理图；
图4是本公开实施例一中的风冷热泵机组群的原理图；
图5是本公开实施例一中的楼宇中央空调负荷参与电网调度与控制构架图；
图6是本公开实施例一中的中央空调水冷机组的工作特性图；
图7是本公开实施例二中的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法。
如图1所示的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，包括以下步骤：
获取环境温度影响参数；
根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控。
首先，针对中央空调展开介绍：
如图2所示的中央空调水冷机组，由主机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统三部分组成。本实施例以制冷运行状态中央空调为例介绍其基本工作原理。
1)主机
主机由蒸发器、冷凝器、制冷压缩机、单向阀、冷媒(制冷剂)等组成，其循环工作过程如下：高压液态冷媒流经节流降压装置，由于压力降低，冷媒由液体变成为气体、液体混合物，之后流入蒸发器。在蒸发器中，冷媒不断蒸发气化，吸收冷冻水中大量的热量，使其温度降低，用于冷冻水循环系统与各房间进行热量交换。从蒸发器流出的冷媒变为低压气体，经由制冷压缩机加压流入冷凝器。在冷凝器中，冷媒被加压液化变为高压液体，此过程中会释放大量热量，由冷却水吸收，并由冷却水循环系统散发到大气中。经过冷凝器的冷媒重新变为高压液体，重新流经节流降压装置，如此往复循环。其中单向阀的作用是保证气态冷媒单方向流动。
2)冷冻水循环系统
冷冻水循环系统由冷冻泵、冷冻水管道、房间风机盘管、室内风机、节流阀等组成，其循环工作过程如下：冷冻水流入主机蒸发器，冷媒气化过程中吸收冷冻水的热量，使其温度降低。从蒸发器流出的低温冷冻水(出水)由冷冻泵加压送入冷冻水管道，流入各房间的风机盘管进行热量交换，降低房间内温度，流回到主机蒸发器的冷冻水(回水)温度升高。一般出水温度为5～7℃，回水温度为12～15℃。室内风机的作用是将空气吹过冷冻水管道，加速室内气体与冷冻水之间的热交换。节流阀用于控制冷冻水流量。
3)冷却水循环系统
冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道、冷却塔、冷却塔风机、节流阀等组成，其循环工作过程如下：冷却水流入主机冷凝器，冷媒液化过程中释放大量热量，使其温度升高。从冷凝器流出的高温冷却水(出水)由冷却泵加压送入冷却水管道，流入冷却塔进行热量交换，流回到主机冷凝器的冷却水(回水)温度降低。一般回水可比出水降低4～5℃。冷却塔风机的作用是吹过冷却塔管道，加速室外气体与冷却水之间的热交换。节流阀用于控制冷却水的流量。
如图3所示的风冷热泵机组，，包括：压缩机、液汽分离器、第一热交换器、节流装置、过滤器、单向阀、储液罐、第二热交换器、空调水泵、电磁阀、热水器套管和热水水泵。
空气源热泵基于逆卡诺原理进行工作，以制热状态的空气源热泵为例分析其基本工作原理，如图3所示。低压气态冷媒吸收空气中低品位热能后，进入压缩机，热泵压缩机把低温低压气态冷媒转换成高压高温气态，与水进行热量交换。高压冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态，冷媒放出热能用来进一步与水进行热量交换。高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具备吸热蒸发的能力。低温低压的液态冷媒经过蒸发器(空气热交换器)吸收空气中热能自身蒸发，由液态变为气态，回到比外界低温度，再吸收空气中低品位热能后由压缩机吸入进行压缩，如此往复循环，不断地从空气中吸热，而在水侧换热器放热，制取热水。空气能热泵可以把压缩机所消耗的电能变为比电能多4～6倍的热能，即压缩机压缩功能转化的热能与冷媒从空气中吸收的热能之和，用于加热水。
多组同型号的热泵机组一般并联使用，构成热泵机组群，如图4所示。对热泵机组群进行自动化控制：当房间内热量使用少时，可以通过控制只使用部分热水泵机组而把其他关闭。当房间内热量使用较多时，可以把热水泵机组全部开启。对于一万平米的楼宇大约要配备500kW的额定容量的空气源热泵负荷，一个热水泵机组功率从几十到几百千瓦不等，大多为非变频机组，包含2个压缩机。
楼宇中央空调负荷参与电网调度与控制的构架如图5所示，“从下往上”包括传感器层、就地控制器、负荷聚合层及调控中心四个层级，通过4G/5G、云网络以及光纤网络等连接到一起。
(1)中央空调负荷数据采集层
传感器采集中央空调负荷数据，包括进水温度、出水温度、回水温度、电源开关状态、防冻温度传感器参数，化霜温度传感器参数，排气温度传感器参数等。室外环境参数包括室外温度、空气湿度、光照等。室内环境参数，包括室内温度、空气湿度。
(2)就地控制层
上传到就地控制器，就地控制器周期性执行水温控制逻辑，确定所辖中央空调负荷群各机组的启停状态，在准确楼宇热力学模型基础上，可实现室内温度精准控制。
(3)中央空调负荷聚合层功能：
日内：可调节容量评估与调节成本上报、调控指令优化分配、水冷机组的能耗测算方法；
日前：负荷曲线的上报：负荷预测；
(4)网络传输层
就地控制器通过4G/5G网络将采集的空气源热泵系统信息，包括工作模式、启停状态、出水温度、进水温度、机组运行状态等，以及室内外温度、湿度、风速、光照等信息上传到云系统服务器，通过云传输的负荷聚合层。
负荷聚合层承担沟通空气源热泵负荷与调度中心的作用，将聚合的负荷群运行状态传输至调度中心。调度中心根据电网当前的运行状态、各类电源、负荷状态制定优化控制指令，将负荷控制指令下达到负荷聚合层，并下达到各就地控制器。
中央空调水冷机组的功率是连续变化的，如图6所示。控制指令为设定温度，当上调控制指令下达时，水冷机组功率以一定的爬坡率上升到目标功率值，爬坡率以及目标功率取决于空调控制器的控制参数，可通过测试或者参数辨识的方法得到相应的控制特性。
风冷热泵机组一般以群组集中控制的方式进行供暖/冷，每台热泵机组一般包括两个压缩机，压缩机启动即为额定功率，关闭功率为零，可表示为：
Figure GDA0003494188350000091
式中，Pej表示空气源热泵j压缩机的额定电功率；sk表示开关函数，当压缩机启动时为1，关闭时为0；K表示空气源热泵群组压缩机个数。
室外温度、湿度、风速、光照以及楼宇的保温特性等均影响室内温度变化，水冷机组通过调整功率，风冷热泵机组通过启停热水泵机组改变输入的热/冷量而保持室内温度的恒定，需要建立在精确的楼宇热力学模型的基础上。
中央空调水冷机组主机的制冷效率即主机电功率与制冷量之间的关系可表示为：
Figure GDA0003494188350000101
式中：Qe和Qchiller分别表示主机电功率和制冷量；a0、a1、a2和a3是多项式系数。
风冷热泵机组j的制热/冷效率，即空气源热泵电功率与制热/冷量之间关系，可表示为：
QHPj＝copjQej  (3)
式中：Qej和QHPj分别表示风冷热泵机组j的电功率和制热/冷量；copj为制热/冷能效比，表示空气源热泵负荷j单位功率下的制热/冷量。
根据热力学第一定律，楼宇空调负荷出水温度随时间t的变化可表示为：
Figure GDA0003494188350000102
式中，Te表示出水温度(℃)；Ce表示出水热容(J/℃)；Kw＝cv是热/冷冻水的热导(W/℃)；c是热/冷冻水的比热容(J/℃·kg)；v是热/冷冻水的流量(kg/s)。Qc是楼宇空调制冷量。
对于中央空调水冷机组Qchiller即为Qc；对于空气源热泵负荷
Figure GDA0003494188350000103
为Qc，N表示热泵机组的台数。
根据热力学第一定律，空气源热泵回水温度随时间t的变化可表示为：
Figure GDA0003494188350000104
式中，Tb表示回水温度(℃)；Cb表示回水热容(J/℃)；Qex是热/冷冻水与房间的热交换功率(W)。
热/冷冻水与末端房间的冷冻水与室内热量交换满足：
Qex＝Kair-water(Ti-Te)  (6)
式中，Ti是室内平均温度(℃)；Kair-water是热交换热导(W/℃)。
室内平均温度变化可以用热空间模型描述：
Figure GDA0003494188350000111
式中，Kair和Cair分别末端房间的热导(W/℃)和热容(J/℃)；To是室外温度(℃)。
关于聚合层优化调度模型
(1)目标函数
聚合层优化调度模型追求所管辖楼宇的室内温度变化最小，目标函数为：
Figure GDA0003494188350000112
式中：F为负荷聚合层所辖负荷的总温度变化；ΔTi t为楼宇中央空调负荷i在时段t内的室内温度变化；T为一个周期内被均分成的时段数；M为楼宇中央空调负荷个数，其中N个为中央空调水冷机组；t为时段。
(2)约束条件
1)功率平衡约束
Figure GDA0003494188350000113
式中，
Figure GDA0003494188350000114
为时段t时负荷聚合层需要跟踪的目标功率。
2)室内温度约束
Tmin≤Ti≤Tmax   (10)
式中，Tmax、Tmin分别为楼宇室内温度的最高、低温度限制。
3)室内温度与功率之间关系约束
ΔTi t＝f(Pi t)   (11)
式中，函数f(.)为楼宇室内温度与空气源热泵群功率之间关系，如式(2)～(7)。
4)楼宇空调机组的出力约束
Pmin≤Pi≤Pmax   (12)
式中，Pmin为楼宇空调机组的最小出力，对于中央空调水冷机组一般有最小出力限制，对于风冷热泵机组最小出力为0；Pmax为楼宇空调机组的最大出力，对于中央空调水冷机组受限于限制电流百分比参数，即机组的出力不能超过该限制，对于风冷热泵机组最大出力为满功率。
5)中央空调水冷机组爬坡率约束
-DiΔt≤Pi t+1-Pi t≤UiΔt   (13)
式中，Ui和Di分别为中央空调水冷机组单位时间内的最大上升和下降速率；t为每个时段所持续的时间。t＝1,2,…,T；i∈N。
可对模型采用成熟的商业软件，如CPLEX、GAMS等进行求解。
楼宇中央空调负荷具有参与电网调度与控制的潜能。作为分散式负荷，需要通过负荷聚合层聚合再参与电网调度与控制。当前楼宇主要包括中央空调水冷机组与风冷热泵机组，两种机组的工作特性不同，本实施例提出了负荷聚合层的中央空调水冷机组与风冷热泵机组联合调控方法，考虑爬坡率等约束的前提下，实现楼宇室内温度变化最小。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统。
如图7所示的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统，包括：
获取模块，被配置为获取环境温度影响参数；
调控模块，被配置为根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控。
详细步骤与实施例一提供的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取环境温度影响参数；
根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，将空调负荷作为分散式负荷，通过负荷聚合层聚合再参与电网调度与控制，基于负荷聚合层调控中央空调水冷机组与风冷热泵机组，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控；
所述环境温度影响参数包括室内温度、室内空气湿度、室外温度、室外空气湿度和光照强度；
所述目标函数的约束条件包括功率平衡约束、室内温度约束、室内温度与功率之间的关系约束，以及楼宇空调机组的出力约束。
2.如权利要求1中所述的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，其特征在于，所述水冷机组通过调整功率来改变输入的热/冷量来调温，在开启之后其功率是连续变化的，以一定的爬坡率上升到目标功率值。
3.如权利要求2中所述的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，其特征在于，所述爬坡率和所述目标功率值取决于空调负荷的控制参数，所述控制参数通过测试或参数辨识得到。
4.如权利要求1中所述的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，其特征在于，所述风冷热泵机组通过启停热水泵机组、组群集中控制来改变输入的热/冷量来调温。
5.如权利要求4中所述的一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法，其特征在于，每台风冷热泵机组设置有两个压缩机；所述压缩机启动时为1，此时功率为额定功率，关闭时为0，此时的功率为零。
6.一种水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度系统，其特征在于，包括：
获取模块，被配置为获取环境温度影响参数；
调控模块，被配置为根据所获得的环境温度影响参数和聚合层优化调度模型，得到水冷机组与风冷热泵机组的最优调度方案；
其中，聚合层优化调度模型以环境温度变化最小为目标，构建目标函数，计及空调负荷的电网调度，将空调负荷作为分散式负荷，通过负荷聚合层聚合再参与电网调度与控制，基于负荷聚合层调控中央空调水冷机组与风冷热泵机组，考虑风冷热泵机组中的压缩机0-1启停和水冷机组功率上升过程中的爬坡率，控制水冷机组和风冷热泵机组的开启或关闭，实现负荷聚合层的优化调控；
所述环境温度影响参数包括室内温度、室内空气湿度、室外温度、室外空气湿度和光照强度；
所述目标函数的约束条件包括功率平衡约束、室内温度约束、室内温度与功率之间的关系约束，以及楼宇空调机组的出力约束。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的水冷机组与风冷热泵机组的联合优化调度方法中的步骤。
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