CN114200845A - 基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，包括如下步骤：根据家用电热水器的工作特性和控制要求，结合家用电热水器热力学特性，分析家用电热水器的能耗和温度变化，构建家用电热水器的负荷温度演变模型；分析家用电热水器的运行状态和温度重置规制，计算温度加热时长，结合聚合商感知用户用水时间和温度设置信息，计算可调加热时长和舒适温度差；结合家用电热水器的可调度状态、运行状态、可调节时长、设备舒适温度差信息，对负荷群集群进行分群；根据调控量，选择负荷群集群的家用电热水器参与调控，以及确定调控方式。本发明的有益效果在于：可实现居民负荷电器级的深度感知和精准调节，更能满足用户舒适度的要求，对配合电网削峰填谷，提升清洁能源消纳能力具有重大意义。

Description

基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略

技术领域

本发明涉及智能家居用电技术领域，具体涉及一种基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略。

背景技术

在生态环境不断恶劣的当下，近年来我国可再生能源发电装机容量和装机比重逐年上升，相关研究表明预计2030年新能源发电装机比重将超过40％，发展清洁能源已经成为大势所趋。但风能、太阳能等新能源的不确定性和随机性使其并入电网后有诸多限制，导致不少弃风、弃光等能源浪费的情况出现。采用直接负荷控制的手段进行需求响应对消纳新能源、提高能源利用率有着积极的意义。需求侧家用电器负荷，尤其是家用电热水器在消纳新能源方面有着很大的潜力，原因如下。第一，能量控制简单，可快速响应；第二，可进行能量储存，负荷可调节性高；第三，在居民中普及高，数量分布广，聚合后调节容量大。

随着国网公司和家电厂商的合作推进，空调和热水器中安装随器计量芯片，已经逐渐提高居民用能与电网需求友好互动，无需安装智能插座等部件就可实现深度感知和精准调节，通过用能控制系统调节居民客户的热水器加热时间，可实现降低台区用电峰时段总负荷和消纳新能源。

对于热水器集群负荷参与电网调控方面，目前已有很多文献进行研究讨论。戚野白等认为温控负荷的调整量是变量，以归一化温度延伸裕度NTEM作为优先级指标，对负荷集群进行排序调控，根据调整信号和负荷序列来调整响应群体温度设定值，但考虑到实际温度设置值的问题，误差较大；曾璐琨等同样采用温度设置值调整的方式，提出一种计及设置值阈值约束的协同控制策略，该策略状态感知、实时分析、科学决策和精准执行这4部分组成，但会存在控制间隔和系统的采集间隔不对等的情况，使得控制不精确；孙毅等采用区域划分，以小区为单位进行负荷集群，以人体舒适度指数为目标，利用粒子群算法寻优，对负荷群进行排序，通过改变温度设置值来满足负荷调控需求，提出了计及用户舒适性与公平性的热泵负荷集群控制策略。能够提高用户舒适度和减少单一负荷调控频次，但控制策略的实时性不够；刘向军等提出了考虑多级功率热水器集群的负荷调控，通过改变热水器运行功率以及通过改变温度设置值改变热水器开启状态，通过遗传算法选择调控的热水器，可以实现精确控制，但分群较为粗糙，没有考虑用户用水时间的影响；另外还有文献提出通过额外安装物理硬件方式来改变热水器运行的电压，从而实现对功率的调整，但操作复杂，经济成本高，难以实现。

发明内容

本发明公开了一种基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据家用电热水器的工作特性和控制要求，结合家用电热水器热力学特性，分析家用电热水器的能耗和温度变化，构建家用电热水器的负荷温度演变模型；

步骤2、分析家用电热水器的运行状态和温度重置规制，计算温度加热时长，结合聚合商感知用户用水时间和温度设置信息，计算可调加热时长和舒适温度差；

步骤3、结合家用电热水器的可调度状态、运行状态、可调节时长、设备舒适温度差信息，对负荷群集群进行分群；

步骤4、根据调控量，选择负荷群集群的家用电热水器参与调控，以及确定调控方式。

作为本发明的一种优选改进，步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、假设从进水管进入水箱的冷水与水箱内的水瞬时混合产生新的平均温度，以及入口温度处的水是零能量，控制过程被离散化为若干个时隙t，每个时隙为一个控制周期，单位采样时间间隔内，即t时刻到t+1时刻，家用电热水器的内部能量可以表示为：

E_inside(t+1)＝E_inside(t)+ΔE_input-ΔE_loss-ΔE_usage

其中，E_inside(t)为t时刻水箱里的能量；E_inside(t+1)为t+1时刻水箱里的能量；ΔE_input为单位采样时间间隔内水箱加热元件的输入能量；ΔE_loss为单位采样时间间隔内水箱常规热损失；ΔE_usage为单位采样时间间隔内用水事件消化的能量；

步骤1.2、分析家用电热水器的能耗、温度变化，可表示为：

E_inside(t)＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]

ΔE_usage＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]f_hotΔt

ΔE_input＝P_EWH(t)η_EWHS_EWH(t)Δt

其中，c为水的比热容/kg·℃；ρ为水的密度，kg/m³；V_tank为热水器水箱容积；T_inside(t)为t时刻水箱内的水温；T_inlet为流入水箱的冷水温度；f_hot为水箱内热水流出速率；Δt为每个时隙的持续时间；P_EWH(t)热水器在t时刻的运行功率；η_EWH为热水器的运行效率；S_EWH(t)为热水器在t时刻的开关状态，关闭时取值为0，打开时取值为1；A_tank为热水器的表面积；R_EWH为热水器的热阻；T_amb为室内环境温度；

步骤1.3、构建家用电热水器的负荷温度演变模型，可以表示为：

T_inside(t+1)＝κT_inside(t)+ψ

作为本发明的一种优选改进，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、家用电热水器在t时刻的开关状态可以表示为：

其中，D为热水器的保温区间；S_EWH(t-1)热水器在t-1时刻的开关状态；T_set(t)为用户设置的温度值，T_min≤T_set(t)-D&T_set(t)≤T_max，T_min、T_max为热水器的温度上下限；

步骤2.2、对加热非用水群进行分析，将负荷聚合商接受到需求响应事件的时段定义为t₀，当前时刻的水温小于设置温度，从T_inside(t₀)加热到T_set(t)为加热时长定义为t_set，上一个用水结束时间定义为t_end，下一个用水时间定义为t_start；当电热水器在t₀时刻至t时刻均处于开启状态，热水器从T_inside(t₀)加热到T_set(t)，所需的时间t_set(min)为：

t_set＝a-kln(T_inside(t₀)-T_amb)

a＝δln((T_set(t)-T_amb)

则可调加热时长为：

ε＝t_start-t₀-t_set

若ε＞0，说明该热水器在功率削减任务中有可调加热时长能力，ε越大，可调节范围能力越强；

若ε≤0，说明该热水器在功率削减任务中可调加热时长为零，可改变功率档位的情况下或重置温度设置方可参与本次需求响应；

步骤2.3、热水器i剩余可调加热时长可以表示为：

ζ_i(t)＝ε_i-Δt_i

其中ζ_i(t)表示热水器i在时间间隙t内剩余可调加热时长，Δt_i为该热水器i在本次需求响应中总响应时长；

步骤2.4、热水器i舒适温度差可以表示为：

ΔT_i(t)＝T_i，inside(t)-T_i，set(t)

其中ΔT_i(t)表示热水器i在时间间隙t内舒适温度差，T_i，inside(t)为该热水器i在时间间隙t内温度，T_i，set(t)为该热水器i在时间间隙t内舒适温度。

作为本发明的一种优选改进，步骤3具体包括如下步骤：

将时间间隙内的t内的热水器负荷调度状态分群，该负荷群的热水器加热功率分别存在P₁、P₂、P₃，其中P₁＜P₂＜P₃，A^t为该负荷群所有需求响应资源，可分为用水可消纳群B^t，非用水可消纳可削减群C^t、D^t、可消纳保温群E^t、不可调度群F^t，可以表示为：

其中，A^t为该负荷群所有需求响应资源，用水可消纳群B^t为一级消纳响应资源，非用水可消纳可削减群C^t为一级削减响应资源以及二级消纳响应资源；非用水可消纳可削减群D^t为二级削减响应资源以及二级消纳响应资源；保温可消纳保温群E^t为三级消纳资源；不可调度群F^t的热水器不具备消纳和削减的能力。

作为本发明的一种优选改进，步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1、时间间隙t内的调控量为：

P_total(t)＝P_base(t)+P_target(t)

其中，P_total(t)为时间间隙t内热水器集群A^t的总目标功率；P_base(t)为时间间隙t内聚合负荷群的负荷基线；P_need(t)为时间间隙t内热水器集群A^t实际的调控量；P_EWH，i(t)为时间间隙t内热水器i的开启功率；

步骤4.2、若P_need(t)＞0，时间间隙t内负荷群A^t应该增加负荷，优先考虑将用水可消纳群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.3、若P_need(t)＜0，时间间隙t内负荷群A^t应该减少负荷，优先考虑调控非用水可消纳可削减群C^t：

作为本发明的一种优选改进，在步骤4.2中，具体包括如下步骤：

步骤4.21、若ΔP₁(t)≤0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率可以完成消纳任务，对用水可消纳群B^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.22、若ΔP₁(t)＞0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率无法完成消纳任务，首先将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器全部调整至P₃档位，考虑将时间间隙t内用群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.23、若ΔP₂(t)≤0，说明改变用水群C^t、D^t加热功率可以完成消纳任务，对群C^t、D^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.24、若ΔP₂(t)＞0，说明改变群B^t、C^t、D^t的加热功率无法完成消纳任务，先将时间间隙t内用群B^t、C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，最后通过升高温度设置重新开启可消纳保温群E^t的热水器来消纳新能源，可消纳保温群E^t群由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群E^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_3，i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₃。

作为本发明的一种优选改进，在步骤4.4中，具体包括如下步骤：

步骤4.41、若ΔP₃(t)≤0，说明转移群C^t的加热时间可以完成削减任务；

群C^t由ζ_i(t)的值按降序排序：

在群C^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

步骤4.42、若ΔP₃(t)＞0，说明转移群C^t的加热时间无法完成削减任务，首先转移群C^t的加热时间，考虑将时间间隙t内用群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行减少的功率；

步骤4.43、若ΔP₄(t)≤0，说明调整群D^t加热功率可以完成削减任务，对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.44、若ΔP₄(t)＞0，说明调整群D^t加热功率可以无法削减任务，先对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行，最后通过降低温度设置关闭群D^t的热水器，群D^t由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群D^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_1，i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₁。

本发明的有益效果如下：考虑热水器多级功率存在，能源控制器、随器计量家电等系列泛在物联设备安装，智慧家庭用能下的聚合商可获得多元的用户信息，可实现居民负荷电器级的深度感知和精准调节，更能满足用户舒适度的要求，对配合电网削峰填谷，提升清洁能源消纳能力具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图，其中：

图1为本发明中基于智慧家庭用能的电热水器消纳新能源策略实现架构图；

图2为本发明中电热水器消纳新能源策略流程图；

图3为本发明中电热水器能量交换原理图；

图4为本发明中可调加热时长示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明中基于智慧家庭用能的电热水器消纳新能源策略实现架构图，本发明中针对具有单一加热器储水罐的家用电多级功率热水器负荷建模，居民侧通过随器计量技术采集热水器的用电信息，负荷聚合商通过部署能源控制器和能源路由器，有效的汇聚和调控居民侧负荷资源。在智慧用能互动架构下，聚合商可以获得用户的用水时间、设置温度、设备开启状况、开启功率级别等，从而通过云计算平台计算可调加热时长、舒适温度差等对负荷群进行分群。负荷聚合商根据电网运营商的消纳信号，选择不同的负荷群参与消纳任务。

如图2所示，基于智慧家庭用能的电热水器消纳新能源策略，具体包括以下几个步骤：

步骤1、根据家用电热水器的工作特性和控制要求，结合电热水器热力学特性，分析家用电热水器的能耗、温度变化，构建家用电热水器的负荷温度演变模型，具体包括如下步骤：

步骤1.1、考虑水箱中的所有水视为一个温度均匀的单体，本发明中电热水器能量交换原理图如图3所示，假设从进水管进入水箱的冷水与水箱内的水瞬时混合产生新的平均温度，以及入口温度处的水是零能量，控制过程被离散化为若干个时隙t，每个时隙为一个控制周期，单位采样时间间隔内，即t时刻到t+1时刻，家用电热水器的内部能量可以表示为：

E_inside(t+1)＝E_inside(t)+ΔE_input-ΔE_loss-ΔE_usage

其中，E_inside(t)为t时刻水箱里的能量；E_inside(t+1)为t+1时刻水箱里的能量；ΔE_input为单位采样时间间隔内水箱加热元件的输入能量；ΔE_loss为单位采样时间间隔内水箱常规热损失；ΔE_usage为单位采样时间间隔内用水事件消化的能量；

步骤1.2、分析家用电热水器的能耗、温度变化，可表示为：

E_inside(t)＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]

ΔE_usage＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]f_hotΔt

ΔE_input＝P_EWH(t)η_EWHS_EWH(t)Δt

其中，c为水的比热容/kg·℃；ρ为水的密度，kg/m³；V_tank为热水器水箱容积；T_inside(t)为t时刻水箱内的水温；T_inlet为流入水箱的冷水温度；f_hot为水箱内热水流出速率；Δt为每个时隙的持续时间；P_EWH(t)热水器在t时刻的运行功率；η_EWH为热水器的运行效率；S_EWH(t)为热水器在t时刻的开关状态，关闭时取值为0，打开时取值为1；A_tank为热水器的表面积；R_EWH为热水器的热阻；T_amb为室内环境温度；

步骤1.3、构建家用电热水器的负荷温度演变模型，可以表示为：

T_inside(t+1)＝κT_inside(t)+ψ

步骤2、分析热水器运行状态，温度重置规制，计算温度加热时长，结合聚合商感知用户用水时间、温度设置等信息，计算可调加热时长、舒适温度差等；

用户的用水时间和温度设置可通过智慧用能APP设置，聚合商精确感知。

步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、电热水器当前时刻的温度和用户设置的温度值决定了热水器的开关状态，家用电热水器在t时刻的开关状态可以表示为：

其中，D为热水器的保温区间；S_EWH(t-1)热水器在t-1时刻的开关状态；T_set(t)为用户设置的温度值，T_min≤T_set(t)-D&T_set(t)≤T_max，T_min、T_max为热水器的温度上下限；

步骤2.2、图4为本发明中可调加热时长示意图，对加热非用水群进行分析，将负荷聚合商接受到需求响应事件的时段定义为t₀，当前时刻的水温小于设置温度，从T_inside(t₀)加热到T_set(t)为加热时长定义为t_set，上一个用水结束时间定义为t_end，下一个用水时间定义为t_start。当电热水器在t₀时刻至t时刻均处于开启状态，热水器从T_inside(t₀)加热到T_set(t)，所需的时间t_set(min)为：

t_set＝a-kln(T_inside(t₀)-T_amb)

a＝δln((T_set(t)-T_amb)

则可调加热时长为：

ε＝t_start-t₀-t_set

若ε＞Δt，说明该热水器在功率削减任务中有可调加热时长能力，ε越大，可调节范围能力越强；

若ε≤Δt，说明该热水器在功率削减任务中可调加热时长为零，可改变热水器功档位率的情况下或重置温度设置方可参与本次需求响应；

步骤2.3、为防止热水器过度响应影响用户舒适度，需计算热水器i剩余可调加热时长：

ζ_i(t)＝ε_i-Δt_i

其中ζ_i(t)表示热水器i在时间间隙t内剩余可调加热时长，Δt_i为该热水器i在本次需求响应中总响应时长；

步骤2.4、热水器i舒适温度差可以表示为：

ΔT_i(t)＝T_i，inside(t)-T_i，set(t)

其中ΔT_i(t)表示热水器i在时间间隙t内舒适温度差，T_i，inside(t)为该热水器i在时间间隙t内温度，T_i，set(t)为该热水器i在时间间隙t内舒适温度。

步骤3、结合设备可调度状态、运行状态、可调节时长、设备舒适温度差等信息，对负荷群进行分群；具体包括：

负荷商云计算平台对时间间隙内的t内的热水器负荷调度状态进行计算感知，分为可消纳状态、可削减状态、可削减可消纳状态、不可调度状态。

该负荷群的热水器加热功率分别存在P₁、P₂、P₃(其中P₁＜P₂＜P₃)，于是可分为用水可消纳群B^t，群B^t的热水器负荷具备可消纳的能力；非用水可消纳可削减群C^t、D^t，群C^t、D^t的热水器负荷均具备可消纳和可削减的能力；可消纳保温群E^t，群E^t的热水器负荷具备可消纳的能力，不可调度群F^t不参与需求响应，不具备消纳和削减的能力。

其中，A^t为该负荷群所有需求响应资源，用水可消纳群B^t为一级消纳响应资源，非用水可消纳可削减群C^t为一级削减响应资源以及二级消纳响应资源；非用水可消纳可削减群D^t为二级削减响应资源以及二级消纳响应资源；保温可消纳保温群E^t为三级消纳资源。

步骤4、根据调控量，选择负荷群集群的电热水器参与调控，以及确定调控方式。

具体的，负荷聚合商根据接受到的电网运营商的消纳信号，然后精准分配给热水器负荷群。

步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1、时间间隙t内的调控量为：

P_total(t)＝P_base(t)+P_target(t)

其中，P_total(t)为时间间隙t内热水器集群A^t的总目标功率；P_base(t)为时间间隙t内聚合负荷群的负荷基线；P_need(t)为时间间隙t内热水器集群A^t实际的调控量；P_EWH，i(t)为时间间隙t内热水器i的开启功率；

步骤4.2、若P_need(t)＞0，时间间隙t内负荷群A^t应该增加负荷，优先考虑将用水可消纳群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.21、若ΔP₁(t)≤0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率可以完成消纳任务，对用水可消纳群B^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.22、若ΔP₁(t)＞0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率无法完成消纳任务，首先将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器全部调整至P₃档位，考虑将时间间隙t内用群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.23、若ΔP₂(t)≤0，说明改变用水群C^t、D^t加热功率可以完成消纳任务，对群C^t、D^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.24、若ΔP₂(t)＞0，说明改变群B^t、C^t、D^t的加热功率无法完成消纳任务，先将时间间隙t内用群B^t、C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，最后通过升高温度设置重新开启可消纳保温群E^t的热水器来消纳新能源，可消纳保温群E^t群由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群E^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_3，i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₃；

步骤4.3、若P_need(t)＜0，时间间隙t内负荷群A^t应该减少负荷，优先考虑调控非用水可消纳可削减群C^t：

步骤4.31、若ΔP₃(t)≤0，说明转移群C^t的加热时间可以完成削减任务；

群C^t由ζ_i(t)的值按降序排序：

在群C^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

步骤4.32、若ΔP₃(t)＞0，说明转移群C^t的加热时间无法完成削减任务。首先转移群C^t的加热时间，考虑将时间间隙t内用群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位；

其中，

为时间间隙t内将群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行减少的功率；

步骤4.33、若ΔP₄(t)≤0，说明调整群D^t加热功率可以完成削减任务，对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.34、若ΔP₄(t)＞0，说明调整群D^t加热功率可以无法削减任务，先对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行。最后通过降低温度设置关闭群D^t的热水器，群D^t由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群D^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_1，i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₁。

本发明的有益效果如下：考虑热水器多级功率存在，能源控制器、随器计量家电等系列泛在物联设备安装，智慧家庭用能下的聚合商可获得多元的用户信息，可实现居民负荷电器级的深度感知和精准调节，更能满足用户舒适度的要求，对配合电网削峰填谷，提升清洁能源消纳能力具有重大意义。

方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据家用电热水器的工作特性和控制要求，结合家用电热水器热力学特性，分析家用电热水器的能耗和温度变化，构建家用电热水器的负荷温度演变模型；

步骤2、分析家用电热水器的运行状态和温度重置规制，计算温度加热时长，结合聚合商感知用户用水时间和温度设置信息，计算可调加热时长和舒适温度差；

步骤3、结合家用电热水器的可调度状态、运行状态、可调节时长、设备舒适温度差信息，对负荷群集群进行分群；

步骤4、根据调控量，选择负荷群集群的家用电热水器参与调控，以及确定调控方式。

2.根据权利要求1所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、假设从进水管进入水箱的冷水与水箱内的水瞬时混合产生新的平均温度，以及入口温度处的水是零能量，控制过程被离散化为若干个时隙t，每个时隙为一个控制周期，单位采样时间间隔内，即t时刻到t+1时刻，家用电热水器的内部能量可以表示为：

E_inside(t+1)＝E_inside(t)+ΔE_input-ΔE_loss-ΔE_usage

其中，E_inside(t)为t时刻水箱里的能量；E_inside(t+1)为t+1时刻水箱里的能量；ΔE_input为单位采样时间间隔内水箱加热元件的输入能量；ΔE_loss为单位采样时间间隔内水箱常规热损失；ΔE_usage为单位采样时间间隔内用水事件消化的能量；

步骤1.2、分析家用电热水器的能耗、温度变化，可表示为：

E_inside(t)＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]

ΔE_usage＝cρV_tank[T_inside(t)-T_inlet]f_hotΔt

ΔE_input＝P_EWH(t)η_EWHS_EWH(t)Δt

其中，c为水的比热容/kg·℃；ρ为水的密度，kg/m³；V_tank为热水器水箱容积；T_inside(t)为t时刻水箱内的水温；T_inlet为流入水箱的冷水温度；f_hot为水箱内热水流出速率；Δt为每个时隙的持续时间；P_EWH(t)热水器在t时刻的运行功率；η_EWH为热水器的运行效率；S_EWH(t)为热水器在t时刻的开关状态，关闭时取值为0，打开时取值为1；A_tank为热水器的表面积；R_EWH为热水器的热阻；T_amb为室内环境温度；

步骤1.3、构建家用电热水器的负荷温度演变模型，可以表示为：

T_inside(t+1)＝κT_inside(t)+ψ

3.根据权利要求1所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、家用电热水器在t时刻的开关状态可以表示为：

其中，D为热水器的保温区间；S_EWH(t-1)热水器在t-1时刻的开关状态；T_set(t)为用户设置的温度值，T_min≤T_set(t)-D&T_set(t)≤T_max，T_min、T_max为热水器的温度上下限；

步骤2.2、对加热非用水群进行分析，将负荷聚合商接受到需求响应事件的时段定义为t₀，当前时刻的水温小于设置温度，从T_inside(t₀)加热到T_set(t)为加热时长定义为t_set，上一个用水结束时间定义为t_end，下一个用水时间定义为t_start；当电热水器在t₀时刻至t时刻均处于开启状态，热水器从T_inside(t₀)加热到T_set(t)，所需的时间t_set(min)为：

t_set＝a-kln(T_inside(t₀)-T_amb)

a＝δln((T_set(t)-T_amb)

则可调加热时长为：

ε＝t_start-t₀-t_set

若ε>0，说明该热水器在功率削减任务中有可调加热时长能力，ε越大，可调节范围能力越强；

若ε≤0，说明该热水器在功率削减任务中可调加热时长为零，可改变功率档位的情况下或重置温度设置方可参与本次需求响应；

步骤2.3、热水器i剩余可调加热时长可以表示为：

ζ_i(t)＝ε_i-Δt_i

其中ζ_i(t)表示热水器i在时间间隙t内剩余可调加热时长，Δt_i为该热水器i在本次需求响应中总响应时长；

步骤2.4、热水器i舒适温度差可以表示为：

ΔT_i(t)＝T_i,inside(t)-T_i,set(t)

其中ΔT_i(t)表示热水器i在时间间隙t内舒适温度差，T_i,inside(t)为该热水器i在时间间隙t内温度，T_i,set(t)为该热水器i在时间间隙t内舒适温度。

4.根据权利要求1所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：步骤3具体包括如下步骤：

将时间间隙内的t内的热水器负荷调度状态分群，该负荷群的热水器加热功率分别存在P₁、P₂、P₃，其中P₁<P₂<P₃，A^t为该负荷群所有需求响应资源，可分为用水可消纳群B^t，非用水可消纳可削减群C^t、D^t、可消纳保温群E^t、不可调度群F^t，可以表示为：

其中，A^t为该负荷群所有需求响应资源，用水可消纳群B^t为一级消纳响应资源，非用水可消纳可削减群C^t为一级削减响应资源以及二级消纳响应资源；非用水可消纳可削减群D^t为二级削减响应资源以及二级消纳响应资源；保温可消纳保温群E^t为三级消纳资源；不可调度群F^t的热水器不具备消纳和削减的能力。

5.根据权利要求1所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1、时间间隙t内的调控量为：

P_total(t)＝P_base(t)+P_target(t)

其中，P_total(t)为时间间隙t内热水器集群A^t的总目标功率；P_base(t)为时间间隙t内聚合负荷群的负荷基线；P_need(t)为时间间隙t内热水器集群A^t实际的调控量；P_EWH,i(t)为时间间隙t内热水器i的开启功率；

步骤4.2、若P_need(t)>0，时间间隙t内负荷群A^t应该增加负荷，优先考虑将用水可消纳群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.3、若P_need(t)<0，时间间隙t内负荷群A^t应该减少负荷，优先考虑调控非用水可消纳可削减群C^t：

6.根据权利要求5所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：在步骤4.2中，具体包括如下步骤：

步骤4.21、若ΔP₁(t)≤0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率可以完成消纳任务，对用水可消纳群B^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.22、若ΔP₁(t)>0，说明改变用水可消纳群B^t的加热功率无法完成消纳任务，首先将群B^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器全部调整至P₃档位，考虑将时间间隙t内用群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位运行增加的功率；

步骤4.23、若ΔP₂(t)≤0，说明改变用水群C^t、D^t加热功率可以完成消纳任务，对群C^t、D^t内加热功率处于P₁、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.24、若ΔP₂(t)>0，说明改变群B^t、C^t、D^t的加热功率无法完成消纳任务，先将时间间隙t内用群B^t、C^t、D^t加热功率处于P₁、P₂档位热水器调整至P₃档位，最后通过升高温度设置重新开启可消纳保温群E^t的热水器来消纳新能源，可消纳保温群E^t群由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群E^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_3,i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₃。

7.根据权利要求6所述的基于智慧家庭用能的电热水器集群消纳新能源策略，其特征在于：在步骤4.4中，具体包括如下步骤：

步骤4.41、若ΔP₃(t)≤0，说明转移群C^t的加热时间可以完成削减任务；

群C^t由ζ_i(t)的值按降序排序：

在群C^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

步骤4.42、若ΔP₃(t)>0，说明转移群C^t的加热时间无法完成削减任务，首先转移群C^t的加热时间，考虑将时间间隙t内用群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位，可以表示为：

其中，

为时间间隙t内将群D^t加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行减少的功率；

步骤4.43、若ΔP₄(t)≤0，说明调整群D^t加热功率可以完成削减任务，对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器选择性的执行变功率操作，通过粒子群算法计算；

步骤4.44、若ΔP₄(t)>0，说明调整群D^t加热功率可以无法削减任务，先对群D^t内加热功率处于P₃、P₂档位热水器调整至P₁档位运行，最后通过降低温度设置关闭群D^t的热水器，群D^t由ΔT_i(t)的值按升序排序：

在群D^t中正向搜索以确定参与调控的设备，需满足如下条件：

其中，P_1,i(t)表示时间间隙t内热水器i的开启功率为P₁。

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