CN117638953B - 一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法 - Google Patents

一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况；采集正常运行状态下商业建筑用电电价和电动汽车补偿电价；构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益；本发明实现了具有采用直接控制虚拟储能和电价激励租户负荷的方式来提高商业建筑参与需求响应的能力的功能，且能将商业建筑公共区域内的柔性负荷变换成虚拟储能设备并参与建筑的需求响应调节，这样采用价格激励的方式能引导租户参与需求响应，适合被广泛推广和使用。

Description

一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷 控制方法
技术领域
本发明涉及转供电控制技术领域，具体涉及一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法。
背景技术
商业建筑普遍装有光伏、空调和电动汽车等柔性可调设备，是商业建筑负荷控制的重要资源。
目前，商业建筑中的负荷分为公共区域负荷和租户负荷两部分，其中商业建筑中的公共区域空调负荷和电动汽车具有能量缓冲和能量延时的作用，能够被直接控制参与建筑内的能量调度；租户的柔性负荷作为商业建筑柔性资源的一部分，同样能够协同参与能量调度，但在现有转供电环境下商业建筑无法直接控制租户的负荷；因此，需要设计一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，为更好的有效解决现有转供电环境下商业建筑无法直接控制租户负荷的问题，提供了一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，其实现了具有采用直接控制虚拟储能和电价激励租户负荷的方式来提高商业建筑参与需求响应的能力的功能，且能将商业建筑公共区域内的柔性负荷变换成虚拟储能设备并参与建筑的需求响应调节，这样采用价格激励的方式能引导租户参与需求响应。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，包括以下步骤，
步骤(A)，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况；
步骤(B)，采集正常运行状态下商业建筑用电电价e＝[e1,e2,…,eT]和电动汽车补偿电价eev；
步骤(C)，构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益Ipro,0；
步骤(D)，由转供电主体发出负荷控制信号，并确认公共区域用电量Qpublic,t、电动汽车充放电量QEV,t、租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t及动态电价e′＝[e′1,e′2,…,e'T]；
步骤(E)，确定每辆电动汽车的到达时间、离开时间及剩余电池电量QEV,start；
步骤(F)，根据动态电价e'更新租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t；
步骤(G)，构建公共区域虚拟储能最优控制方案，并计算转供电主体进行负荷控制的收益Ipro,n；
步骤(H)，判断转供电收益两次迭代结果的差是否小于预先设定的精度要求||Ipro,n-Ipro,n-1||2≤ε，若收敛，则输出最终负荷控制方案，否则更新动态电价e′＝[e′1,e'2,…,e'T]并跳转到步骤(F)。
前述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，步骤(A)，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况，其中商业建筑公共区域的用电负荷曲线包含空调负荷曲线、照明负荷曲线和电动汽车负荷曲线。
前述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，步骤(B)，采集正常运行状态下商业建筑用电电价e＝[e1,e2,…,eT]和电动汽车补偿电价eev，其中商业建筑用电电价分为峰段、平段和谷段。
前述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，步骤(C)，构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益Ipro,0，其中转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型如公式(1)所示，
Qgrid,t＝Qpublic,t+Quser,t-Qpv,t+QEV,t，
其中，Ipro为转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益，QDR,t为参与需求响应的实际电量；pt为参与需求响应的合约价格；Qgrid,t为转供电主体t时段的购电量；et为t时段的分时电价价格；QEV,t为t时段电动汽车的发电量；eev为电动汽车在t时段与参与需求响应的补贴价格；为提供需求响应租户的补偿成本；Qpublic,t为t时段公共区域用电量；Quser,t为t时段终端租户用电量；Qpv,t为t时段光伏发电量；QEV,t为t时段电动汽车充电量或放电量。
前述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，步骤(G)，构建公共区域虚拟储能最优控制方案，并计算转供电主体进行负荷控制的收益Ipro,n，其中公共区域虚拟储能包括空调虚拟储能和电动汽车虚拟储能，具体步骤如下，
步骤(G1)，构建空调虚拟储能模型，其中空调虚拟储能模型如公式(2)所示，
H＝Qτ,heat-Qτ,load，Tmin≤Tτ≤Tmax，
其中，H为空调系统虚拟储能充放功率，H>0时空调处于储能状态；H<0时处于放能状态；Qτ,heat和Qτ,load分别为τ时段内空调处的热功率和公共区域向外耗散的热负荷；Tmax和Tmin分别为人体温度舒适度上限和下限；cp为空气定压比热；ρt为空气密度；V为空间体积；t为时间；hk为建筑内第k个围护结构与外界的综合换热系数；Ak为空间第k个围护结构的面积；Tk,t为t时刻第k个围护结构的温度；是空调的制冷量；Pt ac为空调的电功率；cop为变频空调的能效比；
步骤(G2)，构建电动汽车虚拟储能模型，其中电动汽车虚拟储能模型如公式(3)所示，
其中，B为电动汽车电池容量；为电动汽车用户i在t时段的充电功率；/>为用户i在t时段的放电功率；/>为充电系数，当/>时为EV处于充电状态，当/>时为EV处于非充电状态；/>为放电系数，当/>时为EV处于放电状态，当/>时为EV处于非放电状态；μc和μd分别为电动汽车电池的充放电效率；Tc,i为能满足用户充电期望的最小时间段数；SOCe,i为用户期望在离开时的荷电状态；SOCmin为设定的电池临界荷电状态；/>和分别为EV充放电的最大值；
步骤(G3)，基于空调虚拟储能模型和电动汽车虚拟储能模型，构建商业建筑中虚拟储能荷电状态约束，如公式(4)，
SOCt+1＝SOCt+ΔQt/E，SOCmin≤SOCt≤SOCmax，
其中，SOCt为t时段的虚拟储能设备广义荷电状态；ΔQt为在t时段的虚拟储能设备容量变化；E为虚拟储能的理论容量；为t时段空调负荷的虚拟储能荷电状态；为t时段电动汽车负荷的虚拟储能荷电状态；ΔTmax为商业建筑内的最大可调节温差。
本发明的有益效果是：本发明的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，首先确立了基于动态电价的租户参与需求响应收益模型，其中该收益模型考虑了租户的用电效用，接着建立了商业建筑虚拟储能模型并优化得到虚拟储能的最优控制方案，再根据该方案确立转供电主体参与需求响应的收益模型，随后建立转供电主体与租户之间的斯塔伯格博弈模型，并将转供电主体与租户均以自身收益最大化为目标，再通过调整动态电价使博弈达到均衡并输出最优控制方案，有效的实现了该控制方法具有采用直接控制虚拟储能和电价激励租户负荷的方式来提高商业建筑参与需求响应的能力的功能，且能将商业建筑公共区域内的柔性负荷变换成虚拟储能设备并参与建筑的需求响应调节，这样采用价格激励的方式能引导租户参与需求响应，而通过斯塔伯格博弈能求解商业建筑转供电主体与租户之间的最优动态电价从而获得最大收益。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是本发明的商业建筑公共区域用能负荷曲线示意图；
图3是本发明的商业建筑分时电价和需求响应收益价格示意图；
图4是本发明的优化前后空调负荷控制对比图；
图5是本发明的电动汽车控制方案示意图；
图6是本发明的商业建筑动态电价示意图；
图7是本发明的商业建筑总负荷控制曲线示意图；
图8是本发明的商业建筑负荷变化量柱状图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，包括以下步骤，
如图2所示，步骤(A)，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况，其中商业建筑公共区域的用电负荷曲线包含空调负荷曲线、照明负荷曲线和电动汽车负荷曲线；
如图3所示，步骤(B)，采集正常运行状态下商业建筑用电电价e＝[e1,e2,…,eT]和电动汽车补偿电价eev，其中商业建筑用电电价分为峰段、平段和谷段；
其中，商业建筑用电电价为峰段(12:00～14:00,19:00～22:00)1.2元/(kW·h)、平段(9:00～12:00,22:00～24:00)0.8元/(kW·h)、谷段(00:00～09:00)0.3元/(kW·h)。
步骤(C)，构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益Ipro,0，其中转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型如公式(1)所示，
Qgrid,t＝Qpublic,t+Quser,t-Qpv,t+QEV,t，
其中，Ipro为转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益，QDR,t为参与需求响应的实际电量；pt为参与需求响应的合约价格；Qgrid,t为转供电主体t时段的购电量；et为t时段的分时电价价格；QEV,t为t时段电动汽车的发电量；eev为电动汽车在t时段与参与需求响应的补贴价格；为提供需求响应租户的补偿成本；Qpublic,t为t时段公共区域用电量；Quser,t为t时段终端租户用电量；Qpv,t为t时段光伏发电量；QEV,t为t时段电动汽车充电量或放电量；
步骤(D)，由转供电主体发出负荷控制信号，并确认公共区域用电量Qpublic,t、电动汽车充放电量QEV,t、租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t及动态电价e′＝[e′1,e'2,…,e'T]；
步骤(E)，确定每辆电动汽车的到达时间、离开时间及剩余电池电量QEV,start；
步骤(F)，根据动态电价e'更新租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t；
如图4-6所示，步骤(G)，构建公共区域虚拟储能最优控制方案，并计算转供电主体进行负荷控制的收益Ipro,n，其中公共区域虚拟储能包括空调虚拟储能和电动汽车虚拟储能，具体步骤如下，
步骤(G1)，构建空调虚拟储能模型，其中空调虚拟储能模型如公式(2)所示，
H＝Qτ,heat-Qτ,load，Tmin≤Tτ≤Tmax，
其中，H为空调系统虚拟储能充放功率，H>0时空调处于储能状态；H<0时处于放能状态；Qτ,heat和Qτ,load分别为τ时段内空调处的热功率和公共区域向外耗散的热负荷；Tmax和Tmin分别为人体温度舒适度上限和下限；cp为空气定压比热；ρt为空气密度；V为空间体积；t为时间；hk为建筑内第k个围护结构与外界的综合换热系数；Ak为空间第k个围护结构的面积；Tk,t为t时刻第k个围护结构的温度；是空调的制冷量；Pt ac为空调的电功率；cop为变频空调的能效比；
步骤(G2)，构建电动汽车虚拟储能模型，其中电动汽车虚拟储能模型如公式(3)所示，
其中，B为电动汽车电池容量；为电动汽车用户i在t时段的充电功率；/>为用户i在t时段的放电功率；/>为充电系数，当/>时为EV处于充电状态，当/>时为EV处于非充电状态；/>为放电系数，当/>时为EV处于放电状态，当/>时为EV处于非放电状态；μc和μd分别为电动汽车电池的充放电效率；Tc,i为能满足用户充电期望的最小时间段数；SOCe,i为用户期望在离开时的荷电状态；SOCmin为设定的电池临界荷电状态；/>和/>分别为EV充放电的最大值；
步骤(G3)，基于空调虚拟储能模型和电动汽车虚拟储能模型，构建商业建筑中虚拟储能荷电状态约束，如公式(4)，
SOCt+1＝SOCt+ΔQt/E，SOCmin≤SOCt≤SOCmax，
其中，SOCt为t时段的虚拟储能设备广义荷电状态；ΔQt为在t时段的虚拟储能设备容量变化；E为虚拟储能的理论容量；为t时段空调负荷的虚拟储能荷电状态；为t时段电动汽车负荷的虚拟储能荷电状态；ΔTmax为商业建筑内的最大可调节温差；
步骤(H)，判断转供电收益两次迭代结果的差是否小于预先设定的精度要求||Ipro,n-Ipro,n-1||2≤ε，若收敛，则输出最终负荷控制方案，否则更新动态电价e′＝[e′1,e'2,…,e'T]并跳转到步骤(F)。
为更好的阐述本发明的使用效果，下面介绍使用本发明方法的一个具体实施例。
该实施例中最优控制方法下的总负荷曲线控制结果如图7所示，可以看出，在收到需求响应信号后，转供电主体将调整响应价格曲线并发布给用户，激励用户优化自身电量。动态电价结果如图6所示，负荷变化量如图8所示，可以看出商户的用电支出成本波动性与转供电主体的电价设置明显相关，通过改变动态电价有效了控制了租户负荷参与需求响应。
综上所述，本发明的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，首先采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况，再采集正常运行状态下商业建筑用电电价和电动汽车补偿电价，接着构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益，随后由转供电主体发出负荷控制信号，并确认公共区域用电量、电动汽车充放电量、租户在负荷控制时段降低的电量及动态电价，再确定每辆电动汽车的到达时间、离开时间及剩余电池电量，并根据动态电价e'更新租户在负荷控制时段降低的电量，然后构建公共区域虚拟储能最优控制方案并计算转供电主体进行负荷控制的收益，再判断，若收敛，则输出最终负荷控制方案，有效的实现了该控制方法具有采用直接控制虚拟储能和电价激励租户负荷的方式来提高商业建筑参与需求响应的能力的功能，且能将商业建筑公共区域内的柔性负荷变换成虚拟储能设备并参与建筑的需求响应调节，这样采用价格激励的方式能引导租户参与需求响应，而通过斯塔伯格博弈能求解商业建筑转供电主体与租户之间的最优动态电价从而获得最大收益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况；
步骤(B)，采集正常运行状态下商业建筑用电电价e＝[e1,e2,…,eT]和电动汽车补偿电价eev；
步骤(C)，构建转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型，得到对建筑进行负荷控制的收益Ipro,0，其中转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益模型如公式(1)所示，
Qgrid,t＝Qpublic,t+Quser,t-Qpv,t+QEV,t，
其中，Ipro为转供电主体在参与需求响应场景下对建筑进行负荷控制的收益，QDR,t为参与需求响应的实际电量；pt为参与需求响应的合约价格；Qgrid,t为转供电主体t时段的购电量；et为t时段的分时电价价格；QEV,t为t时段电动汽车的发电量；eev为电动汽车在t时段与参与需求响应的补贴价格；为提供需求响应租户的补偿成本；Qpublic,t为t时段公共区域用电量；Quser,t为t时段终端租户用电量；Qpv,t为t时段光伏发电量；
步骤(D)，由转供电主体发出负荷控制信号，并确认公共区域用电量Qpublic,t、电动汽车充放电量QEV,t、租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t及动态电价e′＝[e'1,e'2,…,e'T]；
步骤(E)，确定每辆电动汽车的到达时间、离开时间及剩余电池电量QEV,start；
步骤(F)，根据动态电价e'更新租户在负荷控制时段降低的电量QDR,t；
步骤(G)，构建公共区域虚拟储能最优控制方案，并计算转供电主体进行负荷控制的收益Ipro,n，其中公共区域虚拟储能包括空调虚拟储能和电动汽车虚拟储能，具体步骤如下，
步骤(G1)，构建空调虚拟储能模型，其中空调虚拟储能模型如公式(2)所示，
其中，H为空调系统虚拟储能充放功率，H>0时空调处于储能状态；H<0时处于放能状态；Qt,heat和Qt,load分别为t时段内空调处的热功率和公共区域向外耗散的热负荷；Tmax和Tmin分别为人体温度舒适度上限和下限；cp为空气定压比热；ρt为空气密度；V为空间体积；t为时间；hk为建筑内第k个围护结构与外界的综合换热系数；Ak为空间第k个围护结构的面积；Tk,t为t时刻第k个围护结构的温度；是空调的制冷量；Pt ac为空调的电功率；cop为变频空调的能效比；
步骤(G2)，构建电动汽车虚拟储能模型，其中电动汽车虚拟储能模型如公式(3)所示，
其中，B为电动汽车电池容量；为电动汽车用户i在t时段的充电功率；/>为用户i在t时段的放电功率；/>为充电系数，当/>时为EV处于充电状态，当/>时为EV处于非充电状态；/>为放电系数，当/>时为EV处于放电状态，当/>时为EV处于非放电状态；μc和μd分别为电动汽车电池的充放电效率；Tc,i为能满足用户充电期望的最小时间段数；SOCe,i为用户期望在离开时的荷电状态；SOCmin为设定的电池临界荷电状态；/>和分别为EV充放电的最大值；
步骤(G3)，基于空调虚拟储能模型和电动汽车虚拟储能模型，构建商业建筑中虚拟储能荷电状态约束，如公式(4)，
SOCt+1＝SOCt+ΔQt/E，SOCmin≤SOCt≤SOCmax，
其中，SOCt为t时段的虚拟储能设备广义荷电状态；ΔQt为在t时段的虚拟储能设备容量变化；E为虚拟储能的理论容量；为t时段空调负荷的虚拟储能荷电状态；/>为t时段电动汽车负荷的虚拟储能荷电状态；ΔTmax为商业建筑内的最大可调节温差；
步骤(H)，判断转供电收益两次迭代结果的差是否小于预先设定的精度要求||Ipro,n-Ipro,n-1||2≤ε，若收敛，则输出最终负荷控制方案，否则更新动态电价e′＝[e'1,e'2,…,e'T]并跳转到步骤(F)。
2.根据权利要求1所述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，其特征在于：步骤(A)，采集正常运行状态下商业建筑公共区域的用电负荷曲线、租户的负荷曲线及光伏发电情况，其中商业建筑公共区域的用电负荷曲线包含空调负荷曲线、照明负荷曲线和电动汽车负荷曲线。
3.根据权利要求2所述的一种转供电环境下考虑虚拟储能和需求响应的商业建筑负荷控制方法，其特征在于：步骤(B)，采集正常运行状态下商业建筑用电电价e＝[e1,e2,…,eT]和电动汽车补偿电价eev，其中商业建筑用电电价分为峰段、平段和谷段。
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