参与负荷调节的电热水器控制方法、系统及控制器

技术领域

本发明属于建筑柔性负荷技术领域，具体涉及参与负荷调节的电热水器控制方法、系统及控制器。

背景技术

在低碳发展的进程中，以可再生能源为主体的新型能源结构对电力系统提出了新的要求，可再生能源的间歇性、波动性、不可预测性使交流电网承受着新的压力。现有的建筑电力系统中，多采用交流配电，而家用电器多数为直流用电，需要频繁将交流转换为直流，降低了系统稳定性，增加了系统电耗，也难以进行统一控制。通过实现建筑柔性和建筑直流用电的方式，可以很大程度地消纳可再生能源，减轻对电网的依赖，促进电力系统的低碳化建设。

具有柔性调节能力、支持直流配电系统的家用电器控制系统具有广阔的应用前景。其中，电热水器因其对时间、功率要求较低的特殊性，是实现建筑柔性负荷调节的最佳选项之一。《民用建筑直流配电设计标准》虽然对直流母线电压主动变化，使用电负载功率变化进行了简单说明。然而，迄今为止，并未见有相关文献公开参与负荷响应的直流电热水器的具体控制过程。直流电热水器的智能控制策略亟待开发，以实现基于“光储直柔”系统原理的电器柔性用能调节。

发明内容

本发明针对现有技术中未公开电热水器具体如何参与负荷调节的不足，提供参与建筑柔性负荷调节的电热水器控统一制方法，根据直流母线电压调节电热水器功率，使电热水器参与负荷调节，提高建筑电器参与负荷调节的能力。本发明同时提供参与建筑柔性负荷调节的电热水器控一统制系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法，所述参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法包括：

通过直流母线获取各电热水器的相关信息；

接收负荷调节指令，计算分配给所有电热水器的总响应功率；

根据总响应功率、各电热水器的相关信息，确定针对各电热水器的工作状态的控制策略；

将所述控制策略发送至各电热水器，各电热水器依据所述控制策略调整各自工作状态。

本发明的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法，接收负荷调节指令，计算分配给所有电热水器的总响应功率即响应时段所有电热水器的总运行功率，根据总响应功率和各电热水器的相关信息，确定控制策略并调整各电热水器工作状态；通过直流母线获取各电热水器的相关信息，无需额外的通信手段。

作为改进，电热水器统一控制方法还包括预先获取各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线，根据总响应功率、各电热水器的相关信息和各电热水器的曲线确定所述控制策略，所述控制策略包括统一的直流母线响应电压。各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线上显示了热水器功率与直流母线电压值的对应关系。通过该曲线能够明确在某个直流母线电压值下电热水器的功率，从而可以确定合适的直流母线电压值，得各电热水器的总功率匹配总响应功率。统一的直流母线响应电压作为触发信号，各电热水器根据直流母线响应电压调整自身工作状态。在其它方案中，直流母线响应电压还可以是电压变化值。作为改进，电热水器的相关信息包括用户设定信息、状态信息和运行功率。

作为改进，电热水器的用户设定信息包括预设优先级、预设功率和/或预设温度，预设优先级包括跟随母线电压变化和停止加热。

作为改进，预设优先级还包括不参与负荷调节。

作为改进，对于被预设为不参与负荷调节的电热水器，其工作状态不受控制策略影响。

作为改进，控制策略优先设为功率跟随母线电压变化，当随母线电压变化不能满足需求时，使部分电热水器停止加热。

作为改进，所述控制策略还包括对优先级预设为停止加热的电热水器设置轮值序列。

作为改进，电热水器包括档位式电热水器和无级调节电热水器；

削峰时，档位式电热水器功率随母线电压变化的控制过程是：所述控制策略包括主动降低直流母线响应电压，当直流母线响应电压低于电压阈值，响应功率随着直流母线电压减小而逐级降低；当直流母线响应电压等于或大于电压阈值，响应功率将不随着直流母线响应电压变化；

削峰时，无级调节电热水器功率随母线电压变化的控制过程是：控制策略包括主动降低直流母线响应电压，当直流母线响应电压低于电压阈值，响应功率随着直流母线响应电压减小而连续降低；当直流母线电压等于或大于电压阈值，响应功率将不随着直流母线响应电压变化。

作为改进，电热水器的状态信息包括电热水器开机与否、电热水器的热水温度、热水流量和蓄水量。

参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统，所述参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统包括：

交流电网；

交流/直流变换器；

建筑直流母线；

多个电热水器及其对应的直流/直流变换器，至少一个电热水器的加热功率可调；

统一控制器；

其中，交流/直流变换器两端连接交流电网和直流母线，直流/直流变换器两端连接建筑直流母线和电热水器；

其中，统一控制器具有策略生成模块，策略生成模块根据负荷调节指令、各电热水器的相关信息确定针对各电热水器的工作状态的控制策略，统一控制器将所述控制策略发送至各电热水器，各所述电热水器依据所述控制策略调整各自工作状态，响应负荷调节。统一控制器，用于直流建筑上对电热水器进行控制，

所述统一控制器用于通过直流母线获取各电热水器的相关信息；

所述统一控制器还用于接收负荷调节指令，计算分配给所有电热水器的总响应功率；

所述统一控制器还用于根据总响应功率、各电热水器的相关信息，确定针对各电热水器的工作状态的控制策略；

所述统一控制器还用于将所述控制策略发送至各电热水器，各电热水器依据所述控制策略调整各自工作状态。

本发明的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法的有益效果是：根据负荷调节指令和各电热水器的相关信息，确定针对各电热水器的工作状态的控制策略，统一管理不同型号、采用不同工作方式的电热水器，实现电热水器主动参与负荷调节。

本发明的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统，采用本发明的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法，具有本发明的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法的全部有益效果。

本发明的统一控制器，实现电热水器主动参与负荷调节。

附图说明

图1是本发明实施例的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统的系统架构图。

图2是本发明实施例的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法的流程图。

图3是本发明实施例的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法的控制策略生成的原理图。

图4是本发明实施例的档位控制电热水器的功率与直流母线电压的关系示意图。

图5是本发明实施例的连续调节电热水器的功率与直流母线电压的关系示意图。

图6是本发明实施例根据预设优先级确定参与负荷响应的电热水器的流程图。

图中，1、建筑直流母线；

2、交流/直流变换器；

3、交流电网；

4、电热水器；

5、直流/直流变换器；

6、统一控制器。

具体实施方式

下面对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。

控制系统的实施例

参见图1和图3，参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统，所述参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制系统包括：

交流电网3；

交流/直流变换器2；

建筑直流母线1；

多个电热水器4及其对应的直流/直流变换器5，至少一个电热水器4的加热功率可调；

统一控制器6；

其中，交流/直流变换器2两端连接交流电网3和建筑直流母线1，直流/直流变换器5两端连接建筑直流母线1和电热水器4；

其中，统一控制器6具有策略生成模块，策略生成模块根据负荷调节指令、各电热水器4的相关信息确定针对各电热水器4的工作状态的控制策略，统一控制器6将所述控制策略发送至各电热水器4，各所述电热水器4依据所述控制策略调整各自工作状态，响应负荷调节。

控制方法的实施例

参见图1至图6，参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法所述参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法包括：

通过直流母线获取各电热水器的相关信息；

接收负荷调节指令，计算分配给所有电热水器的总响应功率；

根据总响应功率、各电热水器的相关信息，确定针对各电热水器的工作状态的控制策略；

将所述控制策略发送至各电热水器，各电热水器依据所述控制策略调整各自工作状态。

本实施例中，预先获取各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线，根据总响应功率、各电热水器的相关信息和各电热水器的曲线确定所述控制策略，所述控制策略包括统一的直流母线响应电压。各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线上显示了热水器功率与直流母线电压值的对应关系。通过该曲线能够明确在某个直流母线电压值下热水器的功率，从而可以确定合适的直流母线电压值，得各电热水器的总功率匹配总响应功率。热水器功率与直流母线电压值的曲线，是把直流母线电压值作为调节电热水器功率的触发信号。在其它实施例中，也可以将直流母线电压变化值作为调节电热水器功率的触发信号。

参见图1，本实施例的控制方法应用于图1所示的控制系统中。

参见图2和图3，本实施例的控制方法的总体流程，所需的基础数据包括各电热水器的相关信息、负荷调节指令和各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线，统一控制器的策略生成模块根据前述基础数据得到控制策略，控制策略包括统一的直流母线响应电压，各电热水器根据该统一的直流母线响应电压调节各自工作状态，调整功率，使得各电热水器在响应时段的功率之和基本等于负荷调节所需的总响应功率。

本实施例中，电热水器的相关信息包括用户设定信息、状态信息和运行功率。

本实施例中，电热水器包括档位式电热水器和无级调节电热水器；

参见图4，削峰时，档位式电热水器功率随母线电压变化的控制过程是：所述控制策略包括主动降低直流母线响应电压，当直流母线响应电压低于电压阈值，响应功率随着直流母线电压减小而逐级降低；当直流母线响应电压等于或大于电压阈值，响应功率将不随着直流母线响应电压变化；

参见图5，削峰时，无级调节电热水器功率随母线电压变化的控制过程是：控制策略包括主动降低直流母线响应电压，当直流母线响应电压低于电压阈值，响应功率随着直流母线响应电压减小而连续降低；当直流母线电压等于或大于电压阈值，响应功率将不随着直流母线响应电压变化。

本实施例中，电热水器的用户设定信息包括预设优先级、预设功率和/或预设温度，预设优先级包括跟随母线电压变化和停止加热。

本实施例中，预设优先级还包括不参与负荷调节。

本实施例中，对于被预设为不参与负荷调节的电热水器，其工作状态不受控制策略影响。参见图6，本实施例中，确定参与调节的电热水器的过程是：获取用户预设优先级队列信息，若用户未预设，则将其纳入默认优先级队列，若用户有预设，则接受用户预设，最终得到参与调节的电热水器及优先级队列。

本实施例中，控制策略优先考虑跟随母线电压变化，当随母线电压变化不能满足需求时，使部分电热水器停止加热。

本实施例中，电热水器的状态信息包括电热水器开机与否、电热水器的热水温度、热水流量和蓄水量。

以下更具体地描述控制过程，为方便描述，对参数进行简化：设某直流建筑有电热水器有100台，100台电热水器均相同且均为无级调节蓄热式，每台电热水器的功率范围为1500W至2500W。直流母线电压为100V。在非响应时段，直流母线电压维持在99V至101V之间。在响应时段，直流母线电压在90V至99V之间或者在101V至110V之间。当直流母线电压为100V时，电热水器的功率为2000W。当直流母线电压为90V时，电热水器的功率为1500W，当直流母线电压为110V时，电热水器的功率为2500W。

某日上午9时，收到负荷调节指令，根据该负荷调节指令，要求所有电热水器在19：00至21:00这一响应时段的总响应功率维持在180kW。假设100台电热水器均参与负荷调节且均预设为随母线电压变化，且在响应时段均处于工作状态。则根据总响应功率以及电热水器功率与直流母线电压值的对应曲线，得到在响应时段直流母线电压应为95V(对应该电压的热水器功率为180W)，统一控制器将直流母线电压由100V调整为95V，各电热水器接收到直流母线电压变化为95V这一信息，将自身功率调整为1800W。

当有部分电热水器被设置为不参与负荷调节，假设有50台，且这50台在响应时段均以2000W的功率运行时，则180kW-2000W*50＝80kW，80kW/50＝1600W，剩下50台参与响应的电热水器的功率为1600W，能够满足响应需求。

当不参与负荷调节的电热水器有80台且这80台在响应时段均以2000W的功率运行时，则180kW-2000W*80＝20kW，20kW/20＝1000W，1000W低于电热水器最低功率1500W，则根据各电热水器预设优先级情况，将关闭其中部分电热水器的，具体可以是将其中7台电热水器的功率维持在最低的1500W(7台1500W的总功率为10.5kW，波动在允许范围)，关闭另外13台电热水器。其中，电热水器停止加热的具体实现可以是：各热水器中预设当直流母线电压从90V继续降低至不同值时，依次停止，如当直流母线电压从90V降低1V至89V，则关闭一台电热水器，当直流母线电压从90V降低10V至80V，则关闭十台电热水器。其中直流母线电压具体变化数值可以根据实际情况相应调整。

对于关闭电热水器的控制，还可以进行更具体地设计，以降低对用户的影响。如有10台电热水器分别设置为当直流母线电压为89V至80V时停止加热。当电热水器收到的直流母线电压为85V时，表示有五台电热水器需要停止加热，则可以将响应时段进行分段(假设响应时间为两小时)，则可以在第一个小时关闭其中五台电热水器，在第二个小时关闭另五台电热水器，实现轮流工作或停止。还可以是，用户预设优先级队列，如用户在设置优先级时，提示用户有“不参与响应、优先随母线电压变化、排在第N位关闭”，其中，N为建筑中总的热水器数量，可以通过费用优惠鼓励用户将N设置的高些。如N设为1-10，可以得到最大的电费优惠。

在响应过程中，当出现用户改变预设优先级等其它情况时，当波动在允许范围，统一控制器可不调整直流母线电压，当波动超出允许范围时，如多台电热水器突然开始工作等，则根据预设优先级、直流母线电压值、热水器功率与直流母线电压值/电压变化值重新调整直流母线电压值/电压变化值。

在其它实施例中，对某个或某些电热水器的特殊调节还可以通过发送单独的指令实现，而不必完全依靠直流母线电压的调节。

本发明实施例的参与建筑柔性负荷调节的电热水器统一控制方法，根据负荷调节指令、各电热水器的相关信息、电热水器预直流母线电压值/电压变化值的曲线，确定调整直流母线电压的控制策略，控制策略还包括，调节直流母线电压值，各电热器根据直流母线电压值/电压变化值，调整自身工作状态，实现电热水器主动参与需求响应；响应迅速快捷，可以根据需要实时变化调整；可以仅仅通过主动调节直流母线电压实现电热水器参与需求响应。

统一控制器的实施例

参见图3，本发明实施例公开了统一控制器，用于直流建筑中控制电热水器参与负荷响应，

所述统一控制器用于通过直流母线获取各电热水器的相关信息；

所述统一控制器还用于接收负荷调节指令，计算分配给所有电热水器的总响应功率；

所述统一控制器还用于根据总响应功率、各电热水器的相关信息，确定针对各电热水器的工作状态的控制策略；

所述统一控制器还用于将所述控制策略发送至各电热水器，各电热水器依据所述控制策略调整各自工作状态。

统一控制器具有策略生成模块，策略生成模块根据电热水器的相关信息(包括热水器状态信息和用户预设信息等)、负荷调节指令(根据负荷调节指令可以计算得到分配给电热水器的总响应功率)、各电热水器功率随直流母线电压变化的曲线，得到控制策略，控制策略包括调整母线电压，将母线电压作为电热水器的调节信号。

以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。