一种基于需求响应的中央空调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于需求响应的中央空调建模及控制策略，包括以下步骤：建立房间模型，即房间室内、外温度与显热冷负荷间的关系；建立适合需求响应的系统运行中央空调模型，即空调负荷与决策变量间的关系；确定控制策略，即明确目标函数、控制变量、约束条件等；采用结合状态空间截断的和声算法求解目标函数；得到结果，对结果进行分析处理。本发明专利技术通过细致建立模型，明确多控制变量协同优化的策略，为中央空调参与需求响应的系统运行提供了科学理论支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于需求响应的中央空调控制方法
本专利技术涉及电力系统及其自动化技术，具体涉及一种中央空调参与需求响应的建模及控制策略。
技术介绍
日前，我国电力供需仍有可能出现紧张状态，需求响应技术是解决这一矛盾的关键，它可以增强系统应对潮流波动的能力、提高系统运行效率、促进节能减排。在夏季负荷高峰期时，空调负荷在电网中已占尖峰负荷的30％-40％，使得空调负荷成为需求响应技术应用的主要研究对象。空调负荷所属建筑环境具备一定的热存储能力，且在一定的温度范围内人体无明显的不适感觉，从而为负荷调整创造了条件。特别是中央空调系统，与分体式空调相比，中央空调系统一般容量更大，可控性更强，即具有更高的需求响应潜力和挖掘意义。目前采用的中央空调控制技术主要是以节能或节支为主要目的，且更注重硬件的改造，而研究中央空调参与需求响应的很少。本专利技术提供了建立了适合参与需求响应的中央空调系统的模型，以削减高峰负荷或跟踪负荷曲线为目标，分析了多个控制变量协同控制下影响下的系统控制策略。采用结合状态空间截断的和声算法，求解目标函数，并通过实例验证了模型和控制策略的准确性。为进一步研究中央空调参与系统运行、调峰调频提供参考。研究中央空调参与需求响应，有利于更有效的电网调度，有利于调动电力用户参与需求响应的积极性实现有限电能资源的高效利用，提高用电效率。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术从参与需求响应的角度出发，提供一种新的中央空调建模及控制策略，通过建立常规中央空调系统各模块的模型，以削减高峰负荷或跟踪负荷曲线为目标，同时给出多个控制变量协同控制下的系统控制策略，并利用结合状态空间截断的和声算法求解函数。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于需求响应的中央空调建模及控制策略，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；包括如下步骤：(1)建立房间模型，即建立室内温度、室外温度与显热冷负荷间的关系，具体为：Q＝Qc-∑σQin(式2)Qc＝EgQc_d(式4)式中：表示t时刻的室内温度，表示t时刻的室外温度，Q为显热冷负荷，A为导热系数，ε为散热系数，Qc为空调制冷负荷，σ为热负荷影响系数(本专利技术考虑到室内热负荷的随机性，令σ服从[0,1]上的均匀分布)，Qin为室内热负荷，τ为控制时间间隔，Tc为时间常数，Eg为热交换效率，Qc_d为制冷机设计冷量；(2)建立适合需求响应的系统运行中央空调模型，即空调负荷与决策变量间的关系，具体为：P∑＝Pc(tco,tni,ts,tN)+Pf(ts,tN)+Pp(ts,tco,tci,tN)+Pz(tni)(式5)式中：P∑为总功率，Pc为制冷机功率，Pf为风机功率，Pp为水泵功率，Pz为冷却塔功率；tco为制冷机出水温度，tni为冷却水进水温度，ts为送风温度，tN为室内干球温度，tci为制冷机进水温度；考虑中央空调参与日前市场需求响应，一般将控制时间间隔τ设定为5-10min，并忽略调整时间；(3)确定控制策略，即明确目标函数、控制变量和约束条件；(4)根据上级调度部门指标，针对这一大规模、多变量、多约束混合整数非线性多目标规划问题，采用结合状态空间截断的和声搜索算法(简称HS算法)对目标函数进行求解；(5)得到结果，对结果进行分析处理。具体的，所述步骤(2)中，建立适合需求响应的系统运行中央空调模型的具体步骤为：(2.1)建立制冷机的模型式中：COPd为制冷机设计COP值，βC&T为制冷机制冷量因数，βE&T为制冷机EIR温度因数，βE&F为制冷机EIR负荷率因数；EIR指能量消耗与制冷量的比值，EIR与COP互为倒数关系；(2.2)建立风机的模型式中：μf为风机部分负荷因数，ma_d为风机设计风量，Pd为风机设计压力，εf为风机总功率，ρa为空气密度；式中：Cf1、Cf2、Cf3、Cf4和Cf5为风机特性系数，ma为送风风量；式中：1.01为干空气定压比热；(2.3)建立水泵的模型Pp＝μpPp_d(式10)式中：Pp_d为水泵设计功率，μp为水泵部分负荷因数；式中：Cp1、Cp2、Cp3和Cp4为变速冷冻水泵特性系数，mw为变速冷冻水泵流量，ρw为水密度，vw_d为变速冷冻水泵设计水流速；变速冷冻水泵采用变温差控制，即mw随表冷器温差变化：式中：tai为表冷器进风温度，tao为表冷器出风温度，twi为表冷器进水温度，two为表冷器出水温度；(2.4)建立冷却塔的模型Pz＝ωzPz_d(式13)式中：ωz为冷却塔风机的开启率，Pz_d为冷却塔风机的额定功率；ωz与冷却塔出水温度存在近似线性关系，因此冷却塔功率由冷却塔出水温度决定；而在不考虑水泵升温的情况下，可设定冷却塔出水温度tzo和冷却水进水温度tni相等，因此有：ωz＝kztni(式14)式中：kz为冷却系数；(2.5)建立表冷器的模型表冷器是连接冷冻水循环和空腔循环的模块，表冷器不产生功率消耗，但是表冷器将各个模块的决策变量联系在一起；表冷器的热交换效率为：可设定表冷器出风温度tao等于送风温度ts，表冷器进风温度tai通过下式计算：式中：ma为送风风量，mx为新风风量，tr为回风温度，tx新风温度；表冷器的冷却水回路中，冷冻水来自制冷机，在不考虑水泵升温的情况下，表冷器进水温度twi等于制冷机出水温度tco。具体的，所述步骤(2.1)中，建立制冷机的模型的具体步骤为：(2.1.1)βC&T为制冷机制冷量因数，制冷机冷量与温度之间的曲线是一个二次的性能曲线，包括两个自变量，即制冷机出水温度tco和冷却水进水温度tni：式中：CCT1、CCT2、CCT3、CCT4和CCT5为制冷机特性系数；(2.1.2)βE&T为制冷机EIR温度因数，EIR与部分负荷率之间的关系曲线是一个二次曲线，它可以定义为制冷机EIR随部分负荷率的变化，部分负荷率是指实际冷负荷与制冷机可用冷量的比值：式中：CET1、CET2、CET3、CET4、CET5和CET6为制冷机特性系数；(2.1.3)βE&F为制冷机EIR负荷率因数，EIR与部分负荷率之间的关系曲线是一个二次曲线，它可以定义为制冷机EIR随部分负荷率的变化，部分负荷率是指实际冷负荷与制冷机可用冷量的比值：式中：CEF1、CEF2和CEF3为制冷机特性系数，μc为制冷机部分负荷率；(2.1.4)系统中，冷却水由冷却塔提供，忽略定速冷却水泵的升温，则制冷机的冷却水进水温度tni与冷却塔出水温度tzo相等；根据制冷机冷负荷和制冷机功率，求得冷却水回路负荷，在此基础上，冷却水出水温度tno按下式求解：式中：ηc为压缩机效率，mc为冷却水流量，Cp为冷却水的比热。具体的，所述步骤(3)中，确定控制策略的过程具体包括以下步骤：(3.1)建立目标函数①单台空调情况：在参与控制前后，有最大的负荷削减量，要求n个控制周期削减负荷总量最大，目标函数为：②单台空调情况：电网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于需求响应的中央空调建模及控制策略，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；其特征在于：包括如下步骤：(1)建立房间模型，即建立室内温度、室外温度与显热冷负荷间的关系，具体为：(式1)Q＝Qc‑∑σQin           (式2)(式3)Qc＝EgQc_d              (式4)式中：表示t时刻的室内温度，表示t时刻的室外温度，Q为显热冷负荷，A为导热系数，ε为散热系数，Qc为空调制冷负荷，σ为热负荷影响系数，Qin为室内热负荷，τ为控制时间间隔，Tc为时间常数，Eg为热交换效率，Qc_d为制冷机设计冷量；(2)建立适合需求响应的系统运行中央空调模型，即空调负荷与决策变量间的关系，具体为：P∑＝Pc(tco,tni,ts,tN)+Pf(ts,tN)+Pp(ts,tco,tci,tN)+Pz(tni)            (式5)式中：P∑为总功率，Pc为制冷机功率，Pf为风机功率，Pp为水泵功率，Pz为冷却塔功率；tco为制冷机出水温度，tni为冷却水进水温度，ts为送风温度，tN为室内干球温度，tci为制冷机进水温度；(3)确定控制策略，即明确目标函数、控制变量和约束条件；(4)根据上级调度部门指标，采用结合状态空间截断的和声搜索算法对目标函数进行求解；(5)得到结果，对结果进行分析处理。...

【技术特征摘要】
1.一种基于需求响应的中央空调控制方法，中央空调系统运行中涉及三个循环，分别为冷却水循环、冷冻水循环和空气循环，冷却水循环将制冷机中的热量通过冷却水带入冷却塔中冷却，冷冻水循环将制冷机产生的冷量通过冷冻水带入表冷器，冷冻水循环通过表冷器与空气循环进行热交换，风机设置在空气循环中，在冷却水循环上设置定速冷却水泵，在冷冻水循环上设置变速冷冻水泵；其特征在于：包括如下步骤：(1)建立房间模型，即建立室内温度、室外温度与显热冷负荷间的关系，具体为：式中：表示t时刻的室内温度，表示t时刻的室外温度，Q为显热冷负荷，A为导热系数，ε为散热系数，Qc为空调制冷负荷，σ为热负荷影响系数，Qin为室内热负荷，τ为控制时间间隔，Tc为时间常数，Eg为热交换效率，Qc_d为制冷机设计冷量；(2)建立适合需求响应的系统运行中央空调模型，即空调负荷与决策变量间的关系，具体为：P∑＝Pc(tco,tni,ts,tN)+Pf(ts,tN)+Pp(ts,tco,tci,tN)+Pz(tni)(式5)式中：P∑为总功率，Pc为制冷机功率，Pf为风机功率，Pp为水泵功率，Pz为冷却塔功率；tco为制冷机出水温度，tni为冷却水进水温度，ts为送风温度，tN为室内干球温度，tci为制冷机进水温度；具体步骤为：(2.1)建立制冷机的模型式中：COPd为制冷机设计COP值，βC&T为制冷机制冷量因数，βE&T为制冷机EIR温度因数，βE&F为制冷机EIR负荷率因数；EIR指能量消耗与制冷量的比值，EIR与COP互为倒数关系；具体步骤为：(2.1.1)βC&T为制冷机制冷量因数，制冷机冷量与温度之间的曲线是一个二次的性能曲线，包括两个自变量，即制冷机出水温度tco和冷却水进水温度tni：式中：CCT1、CCT2、CCT3、CCT4和CCT5为制冷机特性系数；(2.1.2)βE&T为制冷机EIR温度因数，EIR与温度之间的关系曲线是一个二次曲线，定义为制冷机EIR随温度的变化，部分负荷率是指实际冷负荷与制冷机可用冷量的比值：式中：CET1、CET2、CET3、CET4、CET5和CET6为制冷机特性系数；(2.1.3)βE&F为制冷机EIR负荷率因数，EIR与部分负荷率之间的关系曲线是一个二次曲线，定义为制冷机EIR随部分负荷率的变化，部分负荷率是指实际冷负荷与制冷机可用冷量的比值：式中：CEF1、CEF2和CEF3为制冷机特性系数，μc为制冷机部分负荷率；(2.1.4)系统中，冷却水由冷却塔提供，制冷机的冷却水进水温度tni与冷却塔出水温度tzo相等；根据制冷机冷负荷和制冷机功率，求得冷却水回路负荷，在此基础上，冷却水出水温度tno按下式求解：式中：ηc为压缩机效率，mc为冷却水流量，Cp为冷却水的比热；(2.2)建立风机的模型式中：μf为风机部分负荷因数，ma_d为风机设计风量，Pd为风机设计压力，εf为风机总效率，ρa为空气密度；式中：Cf1、Cf2、Cf3、Cf4和Cf5为风机特性系数，ma为送风风量；式中：1.01为干空气定压比热；(2.3)建立水泵的模型Pp＝μpPp_d(式10)式中：Pp_d为水泵设计功率，μp为水泵部分负荷因数；式中：Cp1、Cp2、Cp3和Cp4为变速冷冻水泵特性系数，mw为变速冷冻水泵流量，ρw为水密度，vw_d为变速冷冻水泵设计水流速；变速冷冻水泵采用变温差控制，即mw随表冷器温差变化：式中：tai为表冷器进风温度，tao为表冷器出风温度，twi为表冷器进水温度，two为表冷器出水温度；(2.4)建立冷却塔的模型Pz＝ωzPz_d(式13)式中：ωz为冷却塔风机的开启率，Pz_d为冷却塔风机的额定功率；ωz＝kztni(式14)式中：kz为冷却系数；(2.5)建立表冷器的模型表冷器是连接冷冻水循环和空腔循环的模块，表冷器不产生功率消耗，但是表冷器将各个模块的决策变量联系在一起；表冷器的热交换效率为：设定表冷器出风温度tao等于送风温度ts，表冷器进风温度tai通过下式计算：式中：ma为送风风量，mx为新风风量，tr为回风温度，tx新风温度；表冷器的冷却水回路中，冷冻水来自制冷机，表冷器进水温度tw...

【专利技术属性】
技术研发人员：高赐威，张良杰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32