本發(fā)明涉及需求側(cè)響應控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于建筑物熱慣性的空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)意義上，發(fā)電機的控制方式相比于負荷的控制方式比較容易，通常視電力系統(tǒng)負荷為被動的物理終端，采用發(fā)電跟蹤負荷變化的控制方式來實現(xiàn)電力系統(tǒng)有功功率的平衡控制，控制對象始終在電源側(cè)。然而，電力系統(tǒng)的負荷變化是引起系統(tǒng)有功功率不平衡的主要原因之一。

隨著環(huán)境污染問題的日益嚴重，大力開發(fā)風能、太陽能等可再生能源，減少化石能源的消耗和排放，是我國能源發(fā)展的必然趨勢。隨著可再生能源的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤耗高的燃煤機組裝機容量所占比例將會大幅下降，而清潔無污染的風能和太陽能等可再生資源發(fā)電機組的裝機容量在電力系統(tǒng)總裝機容量中所占的比例將大幅上升。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)電結(jié)構(gòu)在新時期發(fā)生巨大變化，新時期的有功平衡控制不再局限于控制燃煤機組的傳統(tǒng)控制方式。原因如下：一方面，為了提高燃煤機組的運行效率，并降低運行成本和減少污染物的排放，燃煤機組向著大容量超臨界方向發(fā)展，因此應減少其跟蹤負荷變化和提供備用的比例；另一方面，由于可再生能源具有的隨機性和波動性特點，尤其是風電還具有的一定程度上的反調(diào)峰特性，隨著這些可再生能源裝機比例的逐年升高，使得電源跟蹤負荷變化的能力下降，同時可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)使得對系統(tǒng)備用容量的要求顯著提高。綜上所述，依靠電源側(cè)調(diào)整跟蹤負荷變化的有功平衡的傳統(tǒng)控制方式受到了極大的挑戰(zhàn)。

隨著智能電網(wǎng)以及通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展完善，增強了負荷的可控性，奠定了源側(cè)和荷側(cè)協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)有功平衡的基礎(chǔ)，負荷由傳統(tǒng)意義上的被動控制變成了主動參與有功平衡控制。

隨著國民經(jīng)濟的增長，電力需求成直線上升的態(tài)勢，電力供應經(jīng)常處于緊張狀態(tài)，給電力系統(tǒng)有功平衡控制帶來巨大挑戰(zhàn)。特別是近年來極端氣候的頻繁出現(xiàn)，使得空調(diào)使用量逐年增多，空調(diào)負荷的急劇增長已成為夏季電網(wǎng)負荷特性惡化和電力緊缺的重要原因。為滿足不斷增長的空調(diào)負荷的需求，建設(shè)高成本的調(diào)峰電廠或者遇到負荷高峰簡單地對用戶采用拉閘限電等負荷管理措施，這些都不能滿足形式發(fā)展的需要。

空調(diào)負荷作為溫控負荷的一種，可以將電能轉(zhuǎn)化為儲存在房間內(nèi)的熱能，該能量轉(zhuǎn)化及儲存的特性使得空調(diào)成為最具需求響應潛力的負荷。另外，建筑物的圍護結(jié)構(gòu)具有很好的保溫作用，室內(nèi)與室外的熱交換非常緩慢，建筑物具有極大的熱惰性。因此可以利用空調(diào)和建筑物的這種熱慣性，在負荷高峰時段，并在不影響用戶舒適性的前提下，采取合適方式控制空調(diào)的啟停時間，降低空調(diào)負荷高峰。

文獻“Ramanathan B,Vittal V.A framework for evaluation of advanced direct load control with minimum disruption[J].IEEE Transactions on Power Systems,2008,23(4):1681-1688.”提出一種直接負荷控制構(gòu)架，建立了優(yōu)化調(diào)度模型，目標是對負荷用電負面影響以及所控制負荷的總量做到最小化。文獻“Ruiz N,Cobelo I,Oyarzabal J.A direct load control model for virtual power plant management[J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24(2):959-966.”利用仿真工具EnergyPlus對空調(diào)等具有熱慣性的負荷進行建模，可以得到不同控制輸入下的負荷終端溫度曲線，即室內(nèi)溫度曲線。文獻“高賜威,李倩玉,李揚.基于DLC的空調(diào)負荷雙層優(yōu)化調(diào)度和控制策略[J].中國電機工程學報,2014,34(10):1546-1554.”在電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度中考慮了空調(diào)負荷，提出針對空調(diào)負荷的雙層優(yōu)化調(diào)度和控制模型。文獻“周磊,李揚,高賜威.聚合空調(diào)負荷的溫度調(diào)節(jié)方法改進及控制策略[J].中國電機工程學報,2014,34(31):5579-5589.”基于一種改進的空調(diào)聚合負荷溫度調(diào)節(jié)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在長時間范圍，小幅度變化的情況下實現(xiàn)負荷增減，減小對用戶舒適度的影響。

因此，非常有必要研究建筑物的熱慣性，利用建筑物的熱慣性對空調(diào)負荷進行適當控制，實現(xiàn)空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于建筑物熱慣性的空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的方法，該方法基于建筑物的熱慣性，其特征在于：通過控制空調(diào)的啟停，實現(xiàn)主動參與電力調(diào)峰。

在電負荷低峰時段，空調(diào)增加開啟時間，超過建筑物制冷需求的制冷量存儲在建筑物中；在電負荷高峰時段，空調(diào)增加關(guān)閉時間，不滿足建筑物制冷需求的部分，通過儲存在建筑物中的冷量來釋放彌補，以控制室內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)。

該方法包括以下步驟：

S1：分析空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性以及空調(diào)的占空比工作方式，并分別對其進行建模；

S2：基于所述空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性模型，對空調(diào)負荷進行協(xié)調(diào)控制，得出空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的具體方案。

所述步驟S1中具體包括以下步驟：

S21：對空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性進行建模，建立以溫度為控制變量的多個數(shù)學表達式；

S22：分析空調(diào)占空比工作方式，得出占空比工作方式的控制周期與啟停時間。

所述空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性的建模過程如下：

對于t時刻的制冷房間i來說，其瞬態(tài)的熱平衡方程式為：

(∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i)(T_out,i,t-T_in,i,t)dt

+{∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k)+[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)]}dt

+I_idT＝Q_ac,i,tX_i,tdt

其中，δ_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)；K_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；F_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的面積；T_out,i,t為房間i在時刻t的室外空氣溫度；T_in,i,t為房間i在時刻t的室內(nèi)空氣溫度；q_f,k為外窗k的日射得熱量最大值；F_c,k為外窗k的面積；C_s,k為外窗k的玻璃類型修正系數(shù)；C_n,k為外窗k的內(nèi)遮陽的遮陽系數(shù)；C_cl,k為外窗k的外窗玻璃冷負荷系數(shù)；n₁為用電設(shè)備的安裝系數(shù)；n₂為用電設(shè)備的負荷系數(shù)；n₃為用電設(shè)備的同時使用率；n₄為照明設(shè)備的蓄熱系數(shù)；n₅為整流器消耗功率的系數(shù)；n₆為照明設(shè)備的安裝系數(shù)；n₇為照明設(shè)備的同時使用率；P_e,i為房間i中用電設(shè)備的安裝功率；P_l,i為房間i中照明設(shè)備的安裝功率；C_r為人體顯熱散熱冷負荷系數(shù)；n_p,i為房間i中的總?cè)藬?shù)；φ_i為房間i中男子、女子和兒童折合成成年男子的散熱比例群集系數(shù)；q_r為每個成年男子的顯熱散熱量；q_q為每個成年男子的潛熱散熱量；I_i為房間i的總熱容量；T為溫度變量符號；c_a為室外熱空氣的定壓比熱；ρ_a為室外計算溫度下的空氣密度；G_nw,i為房間i的新風量；X_j,t為房間j的空調(diào)開關(guān)狀態(tài)變量，0或1；X_j,t＝1表示空調(diào)處于開啟狀態(tài)，X_j,t＝0表示空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)；i、j、k為自然數(shù)，Q_ac,i,τ為空調(diào)恒定制冷量；

在此，令

A_i＝∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i

θ_i,t＝T_out,i,t-T_in,i,t

T_i＝I_i/A_i

Q_so,i,t＝∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k)

Q_eq,i＝[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)]

進而可得

其中，θ_i,t為房間i在時刻t的室外與室內(nèi)空氣相對溫度；A_i為房間i的單位溫差傳熱功率；T_i為房間i的熱儲備系數(shù)；X_i,t為房間i的空調(diào)開關(guān)狀態(tài)變量，0或1；X_i,t＝1表示空調(diào)處于開啟狀態(tài)，X_i,t＝0表示空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)。

所述控制周期與啟停時間的計算方法如下：

設(shè)置建筑物室內(nèi)溫度的范圍為[T_i,min,T_i,max]，當空調(diào)開啟，即X_i,t＝1的時間段內(nèi)，室內(nèi)溫度由T_i,max下降到T_i,min，這段時間為，

當空調(diào)關(guān)閉，即X_i,t＝0的時間段內(nèi)，室內(nèi)溫度由T_i,min上升到T_i,max，這段時間為，

則空調(diào)的控制周期為，

t_c＝t_on+t_off；

在控制周期t_c內(nèi)，空調(diào)機組按照恒定制冷量Q_ac,i,t運行t_on時間并停止運行t_off時間的占空比方式進行工作，使得室內(nèi)溫度在T_i,min與T_i,max之間循環(huán)變化；T_out為室外溫度；T_i,min為房間i的最低溫度，T_i,max為房間i的最高溫度。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的基于建筑物熱慣性的空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的方法具有以下優(yōu)點：1、集中控制后的空調(diào)負荷數(shù)量可觀，調(diào)度方式靈活，參與系統(tǒng)調(diào)峰的潛力巨大，是電力公司重要的需求響應資源，可納入到常態(tài)化的電力系統(tǒng)調(diào)度中；2、建筑物面積巨大，圍護結(jié)構(gòu)保溫效果顯著，具有很好的熱慣性，相當于一種非常優(yōu)質(zhì)的儲能設(shè)備，儲能量巨大，而且無需投資；3、通過合理的直接負荷控制手段，對空調(diào)和建筑物負荷進行合理控制，不僅能夠快速響應電網(wǎng)側(cè)的調(diào)度，降低高峰時段的電力需求，有效緩解電力供需矛盾，而且與發(fā)電裝機容量的投資相比，需求響應的成本較低，對用戶用電舒適度的影響很小。

附圖說明

圖1是空調(diào)制冷建筑物的熱量平衡示意圖。

圖2是某空調(diào)占空比工作方式下的室內(nèi)溫度及空調(diào)開關(guān)狀態(tài)。

圖3是一定條件下，空調(diào)啟停規(guī)律以及空調(diào)逐小時的平均耗電功率。

圖4是一定條件下，建筑物室內(nèi)溫度變化規(guī)律及逐小時的平均室內(nèi)溫度。

具體實施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整的描述：

基于建筑物熱慣性的空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的方法，提出基于建筑物熱慣性的空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的實現(xiàn)思路?？照{(diào)和建筑物等具有能量儲存特性的負荷，短時間內(nèi)關(guān)斷或者改變運行參數(shù)，不會對終端用戶的使用特性造成明顯的影響。這類負荷具有主動改變運行狀態(tài)，積極參與電力調(diào)峰的潛能。空調(diào)負荷是一種典型的溫控負荷，可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存在建筑物房間中，這種能量轉(zhuǎn)換特性使得空調(diào)具有較大的需求響應潛力。

另外，建筑物的圍護結(jié)構(gòu)具有很好的保溫作用，室內(nèi)與室外的熱交換非常緩慢，建筑物具有極大的熱惰性。也就是說對于裝有空調(diào)的房間，在一定的室外溫度下，開啟空調(diào)之后，室內(nèi)溫度在空調(diào)的制冷作用下逐漸降低，當空調(diào)關(guān)閉以后，室外空氣熱量通過建筑物的門窗和圍護結(jié)構(gòu)與室內(nèi)空氣進行熱交換，室內(nèi)空氣溫度逐漸升高，這個熱交換的過程比較緩慢，因此可以利用空調(diào)和建筑物的這種熱慣性，負荷高峰時段在不影響用戶舒適性的前提下，適當關(guān)停空調(diào)一段時間，降低空調(diào)負荷高峰。通過合理控制空調(diào)的啟停，實現(xiàn)主動參與電力調(diào)峰。具體步驟為：

S1：分析制冷建筑物的熱動態(tài)特性以及空調(diào)的占空比工作方式，并分別對其進行建模。這里包括制冷建筑物的熱動態(tài)特性分析及建模，與空調(diào)占空比工作方式分析與建模。

1-1)對空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性進行建模，建立以溫度為控制變量的多個數(shù)學表達式。

如圖1所示，為空調(diào)制冷建筑物的熱量平衡示意圖。從該圖中可以看出，夏季空調(diào)制冷建筑物的熱量平衡是一個動態(tài)過程，其中建筑物得冷途徑為空調(diào)的制冷量，建筑物的失冷途徑為：太陽輻射造成的冷損失、新風負荷造成的冷損失、室外空氣通過建筑物門窗和墻體與室內(nèi)空氣進行熱交換造成的冷損失以及室內(nèi)的用電照明設(shè)備及人體的散熱造成的冷損失。

對于t時刻的制冷房間i來說，其瞬態(tài)的熱平衡方程式為：

其中，δ_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)；K_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)(W/(m²·℃))；F_i,j為房間i第j面圍護結(jié)構(gòu)的面積(m²)；T_out,i,t為房間i在時刻t的室外空氣溫度(℃)；T_in,i,t為房間i在時刻t的室內(nèi)空氣溫度(℃)；q_f,k為外窗k的日射得熱量最大值(W/m²)；F_c,k為外窗k的面積(m²)；C_s,k為外窗k的玻璃類型修正系數(shù)；C_n,k為外窗k的內(nèi)遮陽的遮陽系數(shù)；C_cl,k為外窗k的外窗玻璃冷負荷系數(shù)；n₁為用電設(shè)備的安裝系數(shù)；n₂為用電設(shè)備的負荷系數(shù)；n₃為用電設(shè)備的同時使用率；n₄為照明設(shè)備的蓄熱系數(shù)；n₅為整流器消耗功率的系數(shù)；n₆為照明設(shè)備的安裝系數(shù)；n₇為照明設(shè)備的同時使用率；P_e,i為房間i中用電設(shè)備的安裝功率(W)；P_l,i為房間i中照明設(shè)備的安裝功率(W)；C_r為人體顯熱散熱冷負荷系數(shù)；n_p,i為房間i中的總?cè)藬?shù)；φ_i為房間i中男子、女子和兒童折合成成年男子的散熱比例群集系數(shù)；q_r為每個成年男子的顯熱散熱量(W)；q_q為每個成年男子的潛熱散熱量(W)；I_i為房間i的總熱容量(J/℃)；T為溫度變量符號；c_a為室外熱空氣的定壓比熱(kJ/(kg·℃))；ρ_a為室外計算溫度下的空氣密度(kg/m³)；G_nw,i為房間i的新風量(kg/s)；X_j,t為房間j的空調(diào)開關(guān)狀態(tài)變量，0或1；X_j,t＝1表示空調(diào)處于開啟狀態(tài)，X_j,t＝0表示空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)。

在此，令

A_i＝∑δ_i,jK_i,jF_i,j+1000c_aρ_aG_nw,i (2)

θ_i,t＝T_out,i,t-T_in,i,t (3)

T_i＝I_i/A_i (4)

Q_so,i,t＝∑(q_f,kF_c,kC_s,kC_n,kC_cl,k) (5)

Q_eq,i＝[n₁n₂n₃P_e,i+n₄n₅n₆n₇P_l,i+(C_rn_p,iφ_iq_r+n_p,iφ_iq_q)] (6)

進而可得

其中，θ_i,t為房間i在時刻t的室外與室內(nèi)空氣相對溫度(℃)；A_i為房間i的單位溫差傳熱功率(W/℃)；T_i為房間i的熱儲備系數(shù)(s)。

由于最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度模型是離散化模型，因此假設(shè)在每一個調(diào)度時段內(nèi)，空調(diào)制冷量與室外溫度均保持不變，不同調(diào)度時段間的空調(diào)制冷量與室外溫度可能不同，按照調(diào)度時段間隔Δt對公式(7)進行離散化求解，得到：

θ_i,t+1＝T_out,i,t+1-T_in,i,t+1 (9)

1-2)分析空調(diào)占空比工作方式，得出占空比工作方式的控制周期與啟停時間。

傳統(tǒng)意義上，無論電力系統(tǒng)負荷是否處于高峰期，用戶都會根據(jù)室外溫度和自己的需求，控制空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，整體上呈現(xiàn)一種無序狀態(tài)。但是，夏季室外溫度較高的時段，用戶呈現(xiàn)集中開啟空調(diào)的狀態(tài)，這就會造成空調(diào)用電負荷高峰。若利用建筑物的熱慣性，并將分散的空調(diào)負荷進行集中控制，使得建筑物室內(nèi)溫度可以在不影響用戶舒適度的情況下在一定的范圍內(nèi)變化，在電負荷低峰時段，空調(diào)可以適當開啟較長時間，超過建筑物制冷需求的制冷量可以存儲在建筑物中；在電負荷高峰時段，空調(diào)可以適當增加關(guān)閉時間，不滿足建筑物制冷需求的部分，可以通過儲存在建筑物中的冷量來釋放彌補，以控制室內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)。

設(shè)置建筑物室內(nèi)溫度的范圍為[T_i,min,T_i,max]，當空調(diào)開啟，即X_i,τ＝1的時間段內(nèi)，室內(nèi)溫度由T_i,max下降到T_i,min，這段時間為

當空調(diào)關(guān)閉，即X_i,τ＝0的時間段內(nèi)，室內(nèi)溫度由T_i,min上升到T_i,max，這段時間為

則空調(diào)的控制周期為

t_c＝t_on+t_off (12)

如圖2所示，為某空調(diào)占空比工作方式下的室內(nèi)溫度及空調(diào)開關(guān)狀態(tài)?？照{(diào)開啟時，室內(nèi)溫度逐漸降低；空調(diào)關(guān)閉時，室內(nèi)溫度逐漸升高。在控制周期t_c內(nèi)，空調(diào)機組按照恒定制冷量Q_ac,i,t運行t_on時間并停止運行t_off時間的占空比方式進行工作時，可以使得室內(nèi)溫度在T_i,min與T_i,max之間循環(huán)變化，適當控制這個溫度范圍，可以不影響用戶的舒適性。

S2：基于空調(diào)制冷建筑物的熱動態(tài)特性模型，對空調(diào)負荷進行協(xié)調(diào)控制，得出空調(diào)負荷主動控制參與電力調(diào)峰的具體方案。

如圖3和圖4所示，分別為一定條件下，空調(diào)啟停規(guī)律和空調(diào)逐小時的平均耗電功率，以及建筑物室內(nèi)溫度變化規(guī)律和逐小時的平均室內(nèi)溫度。從這兩個圖中可以看出，通過合理控制空調(diào)的啟停，使得室內(nèi)溫度在最高允許溫度和最低允許溫度范圍內(nèi)往復變化。一般地，夏季電負荷的高峰時段有兩個，可以在每個高峰時段內(nèi)，基于建筑物的熱慣性對空調(diào)負荷進行有序控制，然后針對相應的調(diào)度時段求取平均值，得到高峰時段內(nèi)，每個調(diào)度時段的空調(diào)負荷平均耗電功率以及建筑物房間的平均室內(nèi)溫度。通過這種有序控制，使得室內(nèi)溫度在電負荷高峰時段不再維持在滿足人體舒適度的最低溫度，而是有一定的波動范圍，使得總的空調(diào)負荷在電負荷高峰時段有所降低，緩解由于空調(diào)集中用電造成的電負荷高峰。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。