一种变频空调集群响应能力评估方法及系统与流程

1.本发明属于电力系统需求响应能力评估领域，涉及一种考虑用户意愿的变频空调集群响应能力评估方法及系统。


背景技术：

2.随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调负荷在电力负荷中的占比越来越大。以中国沿海经济发达的地区为例，空调负荷的占比超过甚至了50％。空调负荷的可控性强、调度潜力大，是电力系统中重要的需求响应资源，通常由聚合商对分散的空调负荷进行聚合和响应能力评估后，参与电网的调度。
3.根据空调的种类不同，可以将空调分为定频空调和变频空调。在对定频空调聚合和响应能力评估时，首先建立以占空比为控制变量的单台空调数学模型；然后，基于参数辨识、蒙特卡罗模拟、福克普朗克定理以及马尔可夫链等方法建立空调集群聚合功率模型；最后，在考虑用户热舒适度等因素后，建立定频空调响应潜力评估模型，从而获得其响应能力。然而，随着科技的发展和节能环保的要求，变频空调已成为当前空调的主流，针对变频空调的功率聚合和响应能力评估方法还属于空白。


技术实现要素：

4.为解决变频空调的聚合和响应能力评估问题，本发明提供一种考虑用户意愿的变频空调集群响应能力评估方法及系统，为居民空调参与电网的负荷调控提供依据。
5.本发明采用的一种技术方案为：一种变频空调集群响应能力评估方法，其包括以下步骤：
6.步骤s1：确定参与需求响应的变频空调负荷规模，选取部分变频空调作为负荷样本，然后估算空调房间热力学参数和空调的特性参数；
7.步骤s2：根据步骤s1中估算的空调房间热力学参数和空调的特性参数，计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率；
8.步骤s3：在考虑用户舒适度的基础上，将分时电价中平时段的电价作为基础电价，得到各时段用户的响应意愿，并基于该响应意愿得到各时段用户室内温度的可调范围；
9.步骤s4：根据步骤s2中的变频空调集群的聚合功率和步骤s3中的用户室内温度可调范围，计算各时段变频空调集群的响应能力。
10.进一步的，所述步骤s2中，采用以下方法计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率：
11.将n台变频空调进行聚合，则其聚合功率p
tagg
表示为：
[0012][0013]
其中，ri为房间i的等效热容，为空调i设定的温度，为室外环境温度；a、b、m、n分别为常数系数，a和m均大于0。
[0014]
更进一步的，对变频空调采用温度控制法控制空调参与需求响应，变频空调稳定运行时室内温度维持不变，得到空调稳定运行时的功率p
tiac
为：
[0015][0016]
其中，τ
set
为空调设定的温度，r为空调房间的等效热容；
[0017]
设第i个空调的温度可调大小为δi，则其温度的上、下限表示为：
[0018][0019]
空调集群聚合功率的上、下限分别表示为：
[0020][0021][0022]
因此，空调集群的聚合功率p
tagg
表示为区间[p
tagg,d
,p
tagg,u
]中的任意值：
[0023]
p
tagg
＝αp
tagg,d
(1-α)p
tagg,u
，α∈[0,1]。
[0024]
进一步的，所述步骤s3中，用户参与需求响应的意愿与当前电价以及用户的预期有关，假设用户的预期电价为基础电价p
base
，如果当前电价高于基础电价p
base
，则表示当前用电成本高于用户预期，此时，用户期望通过参与需求响应来降低用电成本，即愿意参与需求响应；反之，用户更在意热舒适性；定义用户意愿度因子μ
t
来反映参与需求响应的意愿，则表示为：
[0025][0026]
式中，p
max
为最高的电价；
[0027]
室内温度可调范围是在用户初始的可调温度范围上根据用户意愿动态变化的，因此，由用户意愿引起的温度可调范围的变化量为：
[0028][0029][0030][0031]
式中，和分别为用户i舒适温度的下限值和上限值，和分别为用户i在t时刻考虑用户意愿后的温度可调上界和下界。
[0032]
进一步的，所述步骤s4中，采用以下方法计算变频空调集群响应能力：
[0033]
假设t时刻所有用户的室内温度均为空调的初始设定值，则空调集群的聚合功率为：
[0034][0035]
式中，e(x)表示随机变量x的期望；
[0036]
根据用户室内温度的可调范围，确定出空调集群聚合功率的可调节区间为：
[0037][0038][0039]
其中，和分别为用户室内温度的可调范围的最大值和最小值，p
tagg,min
和p
tagg,max
分别为空调集群聚合功率p
tagg
可调节范围的下限与上限；r为房间的等效热容，为空调i设定的温度，为室外环境温度；a、b、m、n分别为常数系数，a和m均大于0；
[0040]
于是，空调集群的变频空调集群响应能力为：
[0041][0042]
式中，为空调集群的变频空调集群响应能力。
[0043]
本发明采用的另一种技术方案为：一种变频空调集群响应能力评估系统，其包括：
[0044]
参数估算单元：确定参与需求响应的变频空调负荷规模，选取部分变频空调作为负荷样本，然后估算空调房间热力学参数和空调的特性参数；
[0045]
聚合功率计算单元：根据参数估算单元中估算的空调房间热力学参数和空调的特性参数，计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率；
[0046]
用户室内温度可调范围获取单元：在考虑用户舒适度的基础上，将分时电价中平时段的电价作为基础电价，得到各时段用户的响应意愿，并基于该响应意愿得到各时段用户室内温度的可调范围；
[0047]
响应能力计算单元：根据变频空调集群的聚合功率和用户室内温度可调范围，计算各时段变频空调集群的响应能力。
[0048]
本发明为一种考虑用户意愿的变频空调集群响应能力评估方法及系统，具有的有益效果为：
[0049]
1、本发明通过对变频空调控制策略的研究，建立了变频空调的数学模型，并根据单台变频空调负荷参数和空调房间热力学参数推导了变频空调集群的聚合功率模型，填补了变频空调集群的聚合模型的空白。
[0050]
2、本发明基于变频空调集群聚合功率和用户意愿对变频空调集群响应能力进行评估，为居民空调参与电网的负荷调控提供了依据。
附图说明
[0051]
图1为本发明应用例中夏季典型日空调集群的聚合结果图；
[0052]
图2为本发明应用例中用户响应意愿与可调温度范围图；
[0053]
图3为本发明应用例中空调集群响应能力图。
具体实施方式
[0054]
下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0055]
实施例1
[0056]
一种考虑用户意愿的变频空调集群响应能力评估方法，所述评估方法包括如下步骤：
[0057]
步骤s1：确定参与需求响应的变频空调负荷规模，选取部分变频空调作为负荷样本，估算出空调房间热力学参数和空调的特性参数。
[0058]
步骤s2：计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率。
[0059]
对变频空调采用温度控制法控制空调参与需求响应，变频空调稳定运行时室内温度维持不变，可以得到空调稳定运行时的功率p
tiac
为：
[0060][0061]
其中，为空调i设定的温度，为室外环境温度；a、b、m、n分别为常数系数，a和c为正数；
[0062]
将n台变频空调进行聚合，则其聚合功率p
tagg
可以表示为：
[0063][0064]
其中，r为房间的等效热容。
[0065]
设第i个空调负荷的温度可调大小为δi，则其温度的上、下限可以表示为：
[0066][0067]
空调集群聚合功率的上、下限可以分别表示为：
[0068][0069][0070]
因此，空调集群的聚合功率p
tagg
可以表示为区间[p
tagg,d
,p
tagg,u
]中的任意值：
[0071]
p
tagg
＝αp
tagg,d
(1-α)p
tagg,u
,α∈[0,1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0072]
步骤s3：将分时电价中平时段的电价作为基础电价，得到各时段用户的响应意愿，基于该响应意愿进一步得到各时段用户室内温度的可调范围。
[0073]
用户参与需求响应的意愿与当前电价以及用户的预期有关。假设用户的预期电价为基础电价p
base
，如果当前电价高于基础电价p
base
，则表示当前用电成本高于用户心理预期，此时，用户期望通过参与需求响应来降低用电成本，即愿意参与需求响应。反之，用户更在意热舒适性。定义用户意愿度因子μ
t
来反映参与需求响应的意愿，则可以表示为：
[0074][0075]
式中，p
max
为最高的电价。
[0076]
室内温度可调范围是在用户初始的可调温度范围上根据用户意愿动态变化的。因此，由用户意愿引起的温度可调范围的变化量为：
[0077][0078][0079][0080]
式中，和分别为用户i舒适温度的下限值和上限值，和分别为用户i在t时刻考虑用户意愿后的温度可调上界和下界。
[0081]
步骤s4：计算各时段变频空调集群的响应能力。
[0082]
假设t时刻所有用户的室内温度均为空调的初始设定值，式(6)中的α的取值为0.5，则空调集群的聚合功率为：
[0083][0084]
空调集群聚合功率的可调节区间为：
[0085]
p
tagg,min
≤p
tagg
≤p
tagg,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0086][0087][0088]
式中，e(x)表示随机变量x的期望，p
tagg,min
和p
tagg,max
分别为空调集群聚合功率可调节范围的下限与上限。
[0089]
于是，空调集群的变频空调集群响应能力为：
[0090][0091]
实施例2
[0092]
一种变频空调集群响应能力评估系统，其包括：
[0093]
参数估算单元：确定参与需求响应的变频空调负荷规模，选取部分变频空调作为负荷样本，然后估算空调房间热力学参数和空调的特性参数；
[0094]
聚合功率计算单元：根据参数估算单元中估算的空调房间热力学参数和空调的特性参数，计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率；
[0095]
用户室内温度可调范围获取单元：在考虑用户舒适度的基础上，将分时电价中平时段的电价作为基础电价，得到各时段用户的响应意愿，并基于该响应意愿得到各时段用户室内温度的可调范围；
[0096]
响应能力计算单元：根据变频空调集群的聚合功率和用户室内温度可调范围，计算各时段变频空调集群的响应能力。
[0097]
具体的，所述聚合功率计算单元中，采用以下方法计算负荷样本中的变频空调集群的聚合功率：
[0098]
对变频空调采用温度控制法控制空调参与需求响应，变频空调稳定运行时室内温度维持不变，得到空调稳定运行时的功率p
tiac
为：
[0099][0100]
其中，τ
set
为空调设定的温度，r为空调房间的等效热容；为室外环境温度；a、b、m、n分别为常数系数，a和m均大于0。
[0101]
将n台变频空调进行聚合，则其聚合功率p
tagg
表示为：
[0102][0103]
其中，ri为房间i的等效热容，为空调i设定的温度。
[0104]
设第i个空调的温度可调大小为δi，则其温度的上、下限表示为：
[0105][0106]
空调集群聚合功率的上、下限分别表示为：
[0107][0108][0109]
因此，空调集群的聚合功率p
tagg
表示为区间[p
tagg,d
,p
tagg,u
]中的任意值：
[0110]
p
tagg
＝αp
tagg,d
(1-α)p
tagg,u
，α∈[0,1]。
[0111]
具体的，所述用户室内温度可调范围获取单元中，用户参与需求响应的意愿与当前电价以及用户的预期有关，假设用户的预期电价为基础电价p
base
，如果当前电价高于基础电价p
base
，则表示当前用电成本高于用户预期，此时，用户期望通过参与需求响应来降低用电成本，即愿意参与需求响应；反之，用户更在意热舒适性；定义用户意愿度因子μ
t
来反映参与需求响应的意愿，则表示为：
[0112][0113]
式中，p
max
为最高的电价；
[0114]
室内温度可调范围是在用户初始的可调温度范围上根据用户意愿动态变化的，因此，由用户意愿引起的温度可调范围的变化量为：
[0115]
[0116][0117][0118]
式中，和分别为用户i舒适温度的下限值和上限值，和分别为用户i在t时刻考虑用户意愿后的温度可调上界和下界。
[0119]
具体的，所述响应能力计算单元中，采用以下方法计算变频空调集群响应能力：
[0120]
假设t时刻所有用户的室内温度均为空调的初始设定值，则空调集群的聚合功率为：
[0121][0122]
式中，e(x)表示随机变量x的期望；
[0123]
根据用户室内温度的可调范围，确定出空调集群聚合功率的可调节区间为：
[0124][0125][0126]
其中，和分别为用户室内温度的可调范围的最大值和最小值，p
tagg,min
和p
tagg,max
分别为空调集群聚合功率可调节范围的下限与上限；r为房间的等效热容，为空调i设定的温度，为室外环境温度；a、b、m、n分别为常数系数，a和m均大于0；
[0127]
于是，空调集群的变频空调集群响应能力为：
[0128][0129]
式中，为空调集群的变频空调集群响应能力。
[0130]
应用例
[0131]
采用本发明的评估方法或评估系统对含有5000台变频空调的空调集群为应用对象进行说明。
[0132]
根据步骤s1或参数估算单元，在5000空调集群中随机抽取1000台变频空调作为负荷样本，根据该负荷样本估计出空调房间的热力学参数和变频空调特性参数的分布，如表1所示：
[0133]
表1空调和房间的参数分布
[0134]
参数分布参数分布r(kj/℃)u(4,4.5)a(℃)u(0.016,0.021)c(℃/kw)u(2.5,3)b(℃)u(0.060,0.080)τ
set
(℃)n(26,0.25)m(℃)u(0.040,0.045)δ(℃)n(2.5,0.04)n(℃)u(0.180,0.200)
[0135]
根据步骤s2或聚合功率计算单元，以夏季的典型日为例，得到一天内空调集群的聚合结果如图1所示。图1为双y轴图，左边的y轴表示室外温度，右边的y轴表示聚合功率。由图可见，随着室外温度的升高，空调集群的聚合功率也增大。聚合功率上限和下限分别为聚合功率估计值的120％和80％左右。
[0136]
根据步骤s3或用户室内温度可调范围获取单元，得到各时段用户响应意愿和用户室内温度的可调范围如图2所示。图2中，在0:00～7:00时段，电价为低谷电价，低于基础电价，用户参与需求响应的意愿度为-0.185，这说明该时段用户不愿意参与需求响应。在8:00～10:00、16:00～18:00以及22:00～24:00时段，用户意愿度为0，这表示用户参与需求响应的态度为中立态度，因为在该时段电价为基础电价。在11:00～15:00和19:00～21:00时段，电价为高峰电价，用于参与需求响应的意愿强烈，该时段用户意愿度为0.312。在用户不愿意参与需求响应的时段，用户可调温度范围为25.26℃～26.84℃，小于原始的可调温度范围。在用户积极参与需求响应的高峰时段，用户可调温度范围为24.02℃～28.08℃，超过了原始的可调温度范围。这表明该时段用户愿意牺牲一部分热舒适性来获得经济补偿。
[0137]
根据步骤s4或响应能力计算单元，计算出各时段空调集群的响应潜力如图3所示。在电价低谷时段，用户不愿意参与需求响应，因此该时段响应潜力小，仅为428.76kw。在用户对参与需求响应持中立态度的时段，聚合体响应潜力等于原始的响应潜力，为665.73kw。在用户积极参与需求响应的时段，用户室内温度的可调范围广，系统的响应潜力大，为1064.77kw。
[0138]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书保护范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。