一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法及系统

技术领域

本发明涉及能源调控技术领域，具体为一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法及系统。

背景技术

随着社会的迅猛发展，人们对电能的需求量也急剧增长。全社会用电量增长的同时需求侧在尖峰用电时段产生的电力峰值负荷也持续攀升，电力负荷峰谷差不断拉大的前提下出现冬夏电力负荷双峰并峙现象。然而，夏季空调制冷和冬季空调制热造成的峰值用电是造成这一现象的主要原因之一。使用空调导致的尖峰耗电也已逐渐成为威胁电网安全、引起电力供需矛盾的主要因素之一。对于空调等用电设备造成的短暂电网尖峰用电，如果一贯依靠在供电侧增加装机容量来满足，那不仅需要付出巨额的投资，还会浪费社会资源。需求响应(Demand Response,DR)可以在不增加装机容量、利用现有发电设施的前提下，通过调控需求侧用电资源在用电高峰或用电低谷时期响应电网实现调峰或填谷，进而缓解电网供需矛盾。

在传统的空调负荷需求响应中，空调用户只能被动接受电力市场的电价信息并调整用电行为，忽视了用户的主观意愿和个人热舒适偏好。实时电价在需求响应中的应用潜力较大，然而目前缺乏实时电价参与空调系统需求响应方面的研究，若在整个运行期间允许电力用户以电力需求投标到电力市场的方式主动参与电力市场交易，根据实时电价的波动趋势调整用电行为，则有利于系统实现灵活用能，节省能耗并能保证用户个性化的热舒适偏好。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法及系统，利用交易控制(Transactive Control，TC)实现需求响应的策略及装置，能通过比较实时电价和投标电价确定室内温度设定值，不涉及市场清算价格，降低了控制的复杂性，在需求响应时段为电网提供需求响应服务，同时保证用户的热舒适性，在无需求响应事件时节约系统能耗，降低空调系统运行成本。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法，包括以下步骤：

步骤1、获取电网的电价数据，其包括实时电价、设定时间段内的平均电价和电价的标准差；

步骤2、根据电价参数、以及舒适系数和设定的室内温度设定阈值，并依据投标电价计算方法确定用户的投标电价；

步骤3、确定投标电价与实时电价的电价差，并将该差值与设定的电价差阈值比较，根据比较结果确定温度调整量，当室内空气温度处于热舒适温度范围以内，根据温度调整量使室内空气温度在最短时间内调整到期望的室内空气温度；

当室内温度处于室内热舒适温度范围以外，根据经济性指标和舒适性指标调控室内空气温度，使室内空气温度在最短时间内将调整到期望的室内空气温度。

优选的，步骤2中所述投标电价包括制冷工况的投标电价和制热工况的投标电价；

所述制冷工况的投标电价的计算方法如下：

所述制热工况的投标电价如下：

式中：P

优选的，步骤3中采用温度调整量调控室内温度设定值，使室内空气温度在最短时间内调整到期望的室内空气温度。

优选的，步骤3中当

当

优选的，步骤4中根据经济性指标调控室内空气温度的方法如下：

室内空气温度不在热舒适范围内时(当

其中，

优选的，步骤4中，当室内空气温度在热舒适温度范围内(当

在夏季制冷工况，将

所述预冷时刻，若空调用户在夏季工况选择预冷房间，室内温度设定值为室内最小温度设定值，否则室内温度设定值为空调用户期望的室内空气温度；

所述预热时刻，若空调用户在冬季工况选择预热房间，室内温度设定值为室内最大温度设定值，否则室内温度设定值为空调用户期望的室内空气温度。

优选的，步骤4中，当室内空气温度在热舒适温度范围内，且处于非预冷或预热时刻(

夏季工况

当冬季工况

优选的，步骤4中，当室内空气温度在热舒适温度范围内且处于非预冷或预热时刻，以及非需求响应时刻时(

当

当

优选的，步骤4中，当室内空气温度在热舒适温度范围内且处于非预冷或预热时刻，以及非需求响应时刻时，制热工况确定温度设定值的方法如下：

当

当

一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法的系统，包括，

采集模块，用于获取电网的电价数据，其包括实时电价、设定时间段内的平均电价和电价的标准差，室内空气温度；

热舒适性设置模块：用户可以按照自己的意愿和热舒适性偏好进行用户热舒适性设置，包括设置以下这些参数的值：空调用户设定的t时刻室内最小温度设定值、最大温度设定值，舒适系数，温度设定值调整量，空调用户期望的室内空气温度，最大电价差，最小电价差，预冷和预热电价差；

投标模块，用于根据电价参数、以及舒适系数和设定的室内温度设定阈值，并依据投标电价计算方法确定用户的投标电价；

温度设定模块，用于确定投标电价与实时电价的电价差，并将该差值与设定的电价差阈值比较，根据比较结果确定温度调整量，当室内空气温度处于热舒适温度范围以内，根据温度调整量使室内空气温度在最短时间内调整到期望的室内空气温度；

当室内温度处于室热舒适温度范围以外，根据经济性指标和舒适性指标调控室内空气温度，使室内空气温度在最短时间内将调整到期望的室内空气温度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法，用户可以按照自己的意愿和热舒适性偏好进行用户热舒适性设置。该策略可自动识别需求响应时刻、预冷时刻以及预热时刻。在电价较高的需求响应时刻通过自动调节温度设定值来减少空调系统用电需求，以此增强电网稳定性。在预冷时刻以及预热时刻通过自动调节温度设定值来预冷或预热房间，以此充分利用用电低谷期的低廉电价。因此，该策略可以实现削峰填谷，并增加用能灵活性和需求响应弹性。该策略基于实时电价机制使温度设定值随着市场电价的波动而变化，使空调用户主动依据电价的动态波动情况调整其用电行为和习惯，降低高电价时段的用电负荷，并将部分用电负荷转移到低电价时段。因此该交易控制策略能够依据实时电价调控空调系统电力需求。本发明采用交易控制策略后可以在尊重用户个性化热舒适偏好的前提下既可以实现需求响应、降低空调系统的总用电量，又可以减少总运行费用，同时比常规控制策略更能保证室内热舒适性。

附图说明

图1是本发明集中空调系统需求响应方法实施流程图；

a图为冬季制热工况集中空调系统需求响应方法的实施流程图；

b图为夏季制冷工况集中空调系统需求响应方法的实施流程图；

图2是本发明空调系统的结构示意图；

图3是实例中TC策略与常规控制策略对比室内温度设定值和室内空气温度变化；

a图为实例中采用TC策略控制的Day1和采用常规控制策略的Day4对比室内空气温度和室内温度设定值；

b图为实例中采用TC策略控制的Day2和采用常规控制策略的Day4对比室内空气温度和室内温度设定值；

c图为实例中采用TC策略控制的Day3和采用常规控制策略的Day4对比室内空气温度和室内温度设定值；

图4是实例中TC策略和常规控制策略对比总耗电量变化；

图2中各标号：1、上位机；2、PLC机柜；3、制冷装置；4、第一电磁阀；5、第二电磁阀；6、第三电磁阀；7、第四电磁阀；8、缓冲水箱；9、循环水泵；10、组合式空调机组；11、静压传感器；12、温度传感器；13、风速传感器；14、变风量末端；15、房间温湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-4，一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法，所述方法包括：

步骤1、定义控制变量：

温度设定值调整量ε，

步骤2、获取电网的电价参数并设置温度调节参数。

系统参数设置：设置Δt的取值(Δt一般取15分钟、10分钟或5分钟)，t＝StartTime；用户热舒适性设置：空调用户依据个人热舒适偏好自由设定每个时刻

电网侧输入：空调自动控制系统获取t时刻电网提供的实时电价

空调房间输入：空调自动控制系统从第i个空调房间(虽然图1只显示了一个空调房间，实际上考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法可同时控制多个空调房间)采集t时刻的室内空气温度

步骤3、根据电价参数、以及舒适系数和设定的室内温度设定阈值，并依据投标电价计算方法确定用户的投标电价；

具体的，交易控制使用市场信息(投标电价和实时电价)来修改常规控制。投标电价的含义是将空调用户对制热或制冷需求以及热舒适性和节省运行费用的偏好转换为愿意出价购买下一个电力市场周期内的电价并将其投标到电力市场。

优选的，夏季制冷工况下，t时刻空调用户投标电价

优选的，冬季制热工况下，t时刻空调用户投标电价

式中：P

步骤4、确定温度设定值调整量。

ε是t时刻的室内温度设定值

步骤5、室内空气温度不在热舒适温度范围内时确定温度设定值。

不成立表明室内空气温度不在热舒适温度范围内，当

优选地，k

步骤6、室内空气温度在热舒适温度范围内且处于预冷或预热时刻时确定温度设定值。

代表相比于/>

步骤7、室内空气温度在热舒适温度范围内、处于非预冷或预热时刻、处于需求响应时刻时确定温度设定值。

电网处于峰值时会升高电价来减少用户用电量，因此电网的高电价时段正是需要需求响应时刻；

优选的，即使是对于同一空调系统，不同空调用户的空调用户需求响应时刻、预冷时刻以及预热时刻都是存在差异的。本发明方法可以自动识别这些时刻。

步骤8、室内空气温度在热舒适温度范围内且处于非预冷或预热时刻、非需求响应时刻时确定温度设定值。

当

优选地，夏季制冷工况，当

优选地，冬季制热工况，当

优选地，无论在制冷还是制热条件下，本发明方法始终保证

步骤9、调整当前室内温度设定值、更新系统状态。

基于以上步骤1到步骤8得到t时刻第i个空调房间的

本发明还提供了一种考虑交易控制的集中空调系统需求响应方法的系统，包括，

采集模块，用于获取电网的电价数据，其包括实时电价、设定时间段内的平均电价和电价的标准差；

投标模块，用于根据电价参数、以及舒适系数和设定的室内温度设定阈值，并依据投标电价计算方法确定用户的投标电价；

温度设定模块，用于确定投标电价与实时电价的电价差，并将该差值与设定的电价差阈值比较，根据比较结果确定温度调整量，当室内空气温度处于热舒适温度范围以内，根据温度调整量使室内空气温度在最短时间内调整到期望的室内空气温度；

当室内温度处于室热舒适温度范围以外，根据经济性指标和舒适性指标调控室内空气温度，使室内空气温度在最短时间内将调整到期望的室内空气温度。

该方法通过对比投标电价和实时电价大小来确定温度设定值的交易控制方法，比起传统交易控制策略的投标、清算和调整三个步骤，本发明设计的交易控制不涉及清算这个步骤，只包括投标和调整两个步骤，控制过程更简单。本发明设计的交易控制策略中所有投标和用户响应过程均可以通过一个可编程交易控制器自动执行，用户仅需通过温控器进行热舒适性设置。

实施例1

一种上述控制方法的制冷系统，包括自动控制系统、缓冲水箱8、制冷装置3、循环水泵9、组合式空调机组10和变风量末端14。

所述自动控制系统包括上位机1、PLC机柜2、各位传感器、各类执行器；在上位机编写本发明的控制方法的算法来运行本发明方法，PLC机柜和各位传感器实现实时数据采集；上位机1与PLC机柜2连接；PLC机柜分别与第一电磁阀4、第二电磁阀5、第三电磁阀6、第四电磁阀7、静压传感器11、温度传感器12、风速传感器13、房间温湿度传感器15和执行器连接；制冷装置与缓冲水箱连接，缓冲水箱通过供水管与组合式空调机组连接，缓冲水箱通过回水管与循环水泵连接，组合式空调机组通过风管与变风量末端连接，所述缓冲水箱上设置多个电磁阀，电磁阀与控制单元连接，用于控制缓冲水箱的工作状态。

以夏季制冷工况为例，选取四个典型日(Day1-Day4)进行实验，办公时间定为早上9：00至下午18:00。四个典型日办公时段室外空气平均温度与31℃的差值≤±0.5℃，在实验误差允许范围内可以将Day1-Day4视作是在同一室外空气温度下进行的对比实验。各变量的取值如下所示：

四个典型日实验方案如表1所示。为了研究实施本发明的TC策略(室内温度设定值实时变动)和不使用TC策略的常规控制策略(常规控制策略的室内温度设定值始终为26℃)运行方法的区别，选取的四个典型日中有三个典型日实施了TC策略，一个典型日按常规控制策略运行。为了研究在实施TC策略时k

表1四个典型日实验方案

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各个变量设定完毕后，按照流程可依次确定用户投标电价和温度设定值。

图3(a)-3(b)分别是采用本发明的TC策略控制的Day1-Day3分别和采用常规控制策略的Day4对比室内空气温度

图4是TC策略和常规控制策略对比总耗电量变化。采用TC策略控制的Day1-Day3总耗电量均小于常规控制策略的Day4，说明TC策略可以降低耗电量。Day1-Day3早上9:00-10:20这段时间TC策略控制下的耗电量均大于常规控制，证明早上这段时间处于用电低谷期、实时电价低，所以TC策略降低

表2是采用TC策略的Day1-Day3的耗电量和运行费用分析表，表中百分比数值均是相较于常规控制策略对应数值计算而得，且百分比数值是正值表示该值相较于常规控制策略削减，相反负值表示该值相较于常规控制策略增加。相比于常规控制策略的Day4，采用TC策略的Day1和Day2在需求响应时段的耗电量和运行费用均下降，且耗电量削减百分比分别为59.29％和56.00％，运行费用削减百分比分别为66.12％和56.04％，说明TC策略可以响应需求响应时刻电网用电负荷，同时降低需求响应时刻运行费用的。而采用TC策略的Day3在需求响应时段的耗电量和运行费用并没有得到削减可能是因为Day3的室外空气温度略高于Day1和Day2，引起Day3空调负荷亦高于Day1和Day2。然而，实验平台的空调系统制冷效果不佳致使Day3的空调负荷一直较大、室内空气温度较高，导致Day3在需求响应时刻即使将

表2

表3为本发明中各物理参数的注释表。

表3

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以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。