一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法及系统与流程

1.本发明属于一般的控制或调节系统领域，尤其涉及一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前电力系统普遍存在调节灵活性不足的问题，近年来，随着外电的接入规模持续扩大、新能源装机迅猛增长、直调公用机组供热面积不断扩大、核电机组从无到有，电源结构正在经历着一个由量变积累到质变的关键时期，多重因素叠加造成常规火电机组调峰资源几近枯竭，一度被迫采取安排大容量火电机组频繁日内启停、时段性弃风弃光等措施缓解电网调峰压力。部分地区具有较为严重的弃风或弃光现象。为了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的规模，促进大规模新能源的消纳。亟需挖掘负荷侧的调节潜能，促进风电、光伏等间歇式新能源发电的消纳利用。
4.空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。它是热泵的一种形式。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热量）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。
5.日常生活中，由于用热量随一天内的时段而变化，在上午九点到十一点、下午两点到六点，晚上八点到十一点，用热量会明显增多，而其他时间用热量会减少很多。但是在现有技术中，不管是哪个时间段开启的热泵数量是不变的，这样会产生大量的热量浪费。由于水和建筑物热惯性时间常数较大（甚至可以增加蓄热水罐等储热装置进一步增加储热能力），因此可以存储大量热量，从而实现空气源热泵启停（用电）状态与室内目标温度之间的解耦。因此，如何在以设定的室内温度变化最小为目的，调控楼宇内多少空气源热泵负荷开启是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法及系统，其以室内温度最小为目的，优化调控开启空气源热泵的数量。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明的第一个方面提供一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法。
8.一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法，包括：在预设时段内，以空气源热泵聚合层所辖负荷的总温度变化最小为目的，构建目
标函数；根据目标函数和约束条件，构建空气源热泵负荷优化调度模型；在当前时段内，采用空气源热泵负荷优化调度模型，得到需要调度的空气源热泵负荷所在楼宇和数量；根据需要调度的空气源热泵负荷所在楼宇和数量，控制空气源热泵负荷的开启或关闭；所述约束条件包括：功率平衡的约束条件、室内温度的约束条件和室内温度与功率之间关系的约束条件；所述室内温度根据以下公式获得：式中：t
i
是室内温度；k
air
和c
air
分别为末端房间的热导和热容；t
o
是室外温度；q
ex
是热/冷冻水与房间的热交换功率。
9.进一步地，所述功率平衡的约束条件为：式中：为时段t时负荷聚合层需要跟踪的目标功率；为空气源热泵的电功率，m为空气源热泵的个数。
10.进一步地，所述室内温度的约束条件为：室内温度不低于室内最低温度限制、不高于室内最高温度限制。
11.进一步地，所述室内温度与功率之间关系的约束条件为：式中：为空气源热泵i在时段t内的室内温度离最佳舒适温度阈值变化；为空气源热泵的电功率，也就是q
ej
；函数为楼宇室内温度与空气源热泵功率之间关系，由公式1
‑
公式5组成微分代数方程组确定，难以给出其显式解析解，一般采用数值方法进行求解，常用的方法有欧拉法和龙格库塔法；所述公式1
‑
公式5为：空气源热泵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，表示为公式1：式中：q
ej
和q
hpj
分别表示空气源热泵j的电功率和制热/冷量；cop
j
为制热/冷能效比，表示空气源热泵j单位功率下的制热/冷量；根据热力学第一定律，空气源热泵出水温度随时间t的变化表示为公式2：
式中：t
b
表示空气源热泵回水温度；t
e
表示空气源热泵出水温度；c
e
表示空气源热泵出水热容；k
w
=cv是热/冷冻水的热导；c是热/冷冻水的比热容；v是热/冷冻水的流量；s
j
表示热泵j的启停状态：开启时为1，关闭时为0；n表示非变频热泵机组的台数；根据热力学第一定律，空气源热泵回水温度随时间t的变化表示为公式3：式中：t
b
表示空气源热泵回水温度；c
b
表示空气源热泵回水热容；q
ex
是热/冷冻水与房间的热交换功率；热/冷冻水与末端房间的冷冻水与室内热量交换满足公式4：式中：t
i
是室内温度；k
air
‑
water
是热交换热导；室内温度变化用热空间模型描述为公式5：式中：k
air
和c
air
分别为末端房间的热导和热容；t
o
是室外温度。
12.进一步地，所述空气源热泵聚合层控制若干楼宇内的空气源热泵。
13.本发明的第二个方面提供一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配系统。
14.一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配系统，包括：目标函数构建模块，其被配置为：在预设时段内，以空气源热泵聚合层所辖负荷的总温度变化最小为目的，构建目标函数；模型建立模块，其被配置为：根据目标函数和约束条件，构建空气源热泵负荷优化调度模型；输出模块，其被配置为：在当前时段内，采用空气源热泵负荷优化调度模型，得到需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量；调度模块，其被配置为：根据需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量，控制空气源热泵负荷的开启或关闭；所述约束条件包括：功率平衡的约束条件、室内温度的约束条件和室内温度与功率之间关系的约束条件；所述室内温度根据以下公式获得：式中：t
i
是室内温度；k
air
和c
air
分别为末端房间的热导和热容；t
o
是室外温度；q
ex
是热/冷冻水与房间的热交换功率。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用空气源热泵负荷优化调度模型，以负荷聚合层所辖楼宇温度变化最小为目标，优化控制指令，在满足温度变化最小的阈值范围内，控制部楼宇内的部分空气源热泵负荷开启或关闭，实现优化控制，实现节能的效果，避免资源浪费。
16.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.图1是本发明实施例中空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法的流程图；图2是本发明实施例中空气源热泵工作原理图；图3是本发明实施例中空气源热泵机组群工作原理图；其中，1、压缩机，2、气液分离器，3、第一热交换器，4、节流装置，5、过滤器，6、单向阀，7、储液罐，8、第二热交换器，9、空调水泵，10、四通电磁阀，11、热水器套管，12、热水水泵。
具体实施方式
19.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
20.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.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发明的示例性实施方式。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。
22.需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
23.实施例一如图1所示，本实施例提供了一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以
是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本技术在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：s101：在预设时段内，以空气源热泵聚合层所辖负荷的总温度变化最小为目的，构建目标函数；s102：根据目标函数和约束条件，构建空气源热泵负荷优化调度模型；s103：在当前时段内，采用空气源热泵负荷优化调度模型，得到需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量；s104：根据需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量，控制空气源热泵负荷的开启或关闭。
24.具体的，本发明的技术方案涉及空气源热泵，空气源热泵的工作原理如下：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2所示，包括：压缩机1、气液分离器2、第一热交换器3、节流装置4、过滤器5、单向阀6、储液罐7、第二热交换器8、空调水泵9、四通电磁阀10、热水器套管11、热水水泵12。
25.低压气态冷媒吸收空气中低品位热能后，进入压缩机1，压缩机1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。空气源热泵可以把压缩机1所消耗的电能变为比电能多4~6倍的热能，即压缩机1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。
26.空气源热泵供暖/冷原理：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3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，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。
27.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，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。当前对于热泵机组群的控制较为粗放，大多未计及楼宇模型，难以实现对出水温度的精准控制。
28.空气源热泵模型：空气源热泵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：(1)式中：q
ej
和q
hpj
分别表示空气源热泵j的电功率和制热/冷量；cop
j
为制热/冷能效比，表示空气源热泵j单位功率下的制热/冷量。
29.根据热力学第一定律，空气源热泵出水温度随时间t的变化可表示为：(2)式中：t
e
表示空气源热泵出水温度（
°
c）；c
e
表示空气源热泵出水热容（j/
°
c）；k
w
=cv是热/冷冻水的热导（w/
°
c）； c是热/冷冻水的比热容（j/
°
c
∙
kg）；v是热/冷冻水的流量（kg/s）；s
j
表示热泵j的启停状态：开启时为1，关闭时为0；n表示非变频热泵机组的台数。
30.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：(3)式中：t
b
表示空气源热泵回水温度（
°
c）；c
b
表示空气源热泵回水热容（j/
°
c）；q
ex
是热/冷冻水与房间的热交换功率（w）。
31.热/冷冻水与末端房间的冷冻水与室内热量交换满足：(4)式中：t
i
是室内温度（
°
c）；k
air
‑
water
是热交换热导（w/
°
c）。
32.室内温度变化可以用热空间模型描述：(5)式中：k
air
和c
air
分别末端房间的热导（w/
°
c）和热容（j/
°
c）；t
o
是室外温度（
°
c）。
33.可调节裕度评估方法：负荷聚合层周期性上报调节潜力，调度周期一般为15min，上层调度控制中心根据各负荷聚合层的调节能力约束以及调节成本优化各负荷聚合层的功率调整值，并下达各负荷聚合层。负荷聚合层根据调节指令，制定各楼宇调峰控制指令的优化分配方法。
34.本实施例的技术方案可以参考如下公式实现：空气源热泵负荷优化调度模型追求所管辖所有楼宇的室内温度离最佳舒适温度阈值变化最小，目标函数为：(6)式中：f为空气源热泵聚合层所辖负荷的总温度变化；为空气源热泵i在时段t内的室内温度离最佳舒适温度阈值变化；t为一个周期内被均分成的时段数；m为空气源热泵个数； t为时段。其中，最佳舒适温度阈值在不同的季节可以相同也可以不同，最佳舒适温度阈值可以是18
°
c，也可以是其他合适的数值或者范围，上述最佳舒适温度阈值仅是为了举例说明，而不应该认为是对本发明的限定条件。
35.约束条件如下：1）功率平衡约束(7)
式中：为时段t时负荷聚合层需要跟踪的目标功率。
36.2）室内温度约束(8)式中：t
max
、t
min
分别为楼宇室内温度的最高、低温度限制。
37.3）室内温度与功率之间关系约束(9)式中：为空气源热泵的电功率，也就是q
ej
；函数f(.)是的表示，函数f(.)为楼宇室内温度与空气源热泵功率之间关系，由式(1)~ (5)组成微分代数方程组，难以给出其显式解析解，一般采用数值方法进行求解，常用的方法有欧拉法和龙格库塔法。
38.空气源热泵负荷具有参与电网调度与控制的潜能，空气源热泵负荷作为分散式负荷，需要通过负荷聚合层聚合再参与电网调度与控制。调控中心优化各负荷聚合层的调控指令下达到负荷聚合层后，聚合层需要在各楼宇之间进行控制指令的优化分配。
39.实施例二本实施例提供了一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配系统。
40.一种空气源热泵负荷的调峰控制指令优化分配系统，包括：目标函数构建模块，其被配置为：在预设时段内，以空气源热泵聚合层所辖负荷的总温度变化最小为目的，构建目标函数；模型建立模块，其被配置为：根据目标函数和约束条件，构建空气源热泵负荷优化调度模型；输出模块，其被配置为：在当前时段内，采用空气源热泵负荷优化调度模型，得到需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量；调度模块，其被配置为：根据需要调度的空气源热泵负荷所在的楼宇和数量，控制空气源热泵负荷的开启或关闭；所述约束条件包括：功率平衡的约束条件、室内温度的约束条件和室内温度与功率之间关系的约束条件；所述室内温度的获得：式中：k
air
和c
air
分别末端房间的热导（w/
°
c）和热容（j/
°
c）；t
o
是室外温度（
°
c）。
41.此处需要说明的是，上述目标函数构建模块、模型建立模块、输出模块和调度模块对应于实施例一中的步骤s101至s105，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
42.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。