技术领域
[0001] 本
发明涉及需求响应和电热泵领域，尤其涉及一种采用状态队列控制的电热泵需求侧响应方法。
背景技术
[0002] 近年来，由于人类对化石
能源的大量消耗以及其自身的不可再生给人类能源提出了新的挑战，
可再生能源如
风能、
太阳能等给人类提供了一种新的能源方式。
电网中可再生能源的引进极大地改变了传统的供电方式，带来了清洁、灵活的优点。但由于
光伏发电系统、
风力发电系统等易受自然
气候影响，其输出功率具有
波动性、随机性、间歇性的特点。因此，根据供
电能力以及负荷用电需求对负荷用量进行调度，保持电能生产和消费的实时动态平衡具有重要的意义。这时候电力系统就需要调度电能来满足电能平衡的要求。
[0003] 电能调度分为两种，一种是发电侧调度，一种是需求侧调度。需求响应作为需求侧调度的一种，它是一种电能管理技术，能提供充足的备用能力来解决可再生能源的波动性问题，包括基于电价和基于激励两种方式。直接负荷控制(direct load control，DLC)方法是一种重要的激励型DR技术，通过给予用户一定的激励补偿措施，然后基于高级通信、量测系统以及智能控制终端设备，对用户用电设备进行关闭或开启等操作。近期发展的DLC
算法，如状态队列(state-queuing，SQ)控制算法、基Fokker-Planck方程的辨识控制算法、用户侧舒适约束控制算法、基于离散积分的数值模型进行响应优化计算，逐渐考虑到用户侧的舒适约束影响。
[0004] 本发明针对状态队列控制方法的不足之处，提供了一套完整的电热泵需求侧响应的控制方法，主要包括两种情况：电价上升的响应情况和电价下降的响应情况。整个控制方法的创新点体现在以下方面：加入了舒适度约束来避免设备频繁切换状态对使用寿命的影响；在响应过程中保证了系统的负荷多样性，该方法响应后系统的负荷多样性不变，这使得系统后续对电价的响应效果依旧保持在很好的
水平。
发明内容
[0005] 为了改进现有方法，本发明的目的在于提出一种采用状态队列的电热泵需求侧响应方法，保护设备和负荷多样性。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现，一种采用状态队列的电热泵需求侧响应方法，包括以下步骤：
[0007] (1)根据以下
热力学方程绘制电热泵的动态过程图：
[0008] 当电热泵关断时：
[0009]
[0010] 当电热泵开启时：
[0011]
[0012] 式中，Troom为电热泵调节的室内
温度， C、R、Q分别代表等值热电容 等值热
电阻 等值热比率(W)；Tout为室外温度， t为仿真时刻；Δt为仿真步长；
[0013] 绘制的动态过程图中，用Tao表示起始温度 用Ts表示设定温度值 用Toff表示温度上限值 用Ton表示温度下限值 用τon表示开启时间(s)，用τoff表示关闭时间(s)，用2δ表示温度调节范围
[0014] (2)将步骤1绘制的动态过程图抽象离散成互不相同的状态：将运行周期划分为等时间间隔的n段；取每一段的初始值并保持该值作为本段的值；得到n个互不相同的状态，n为自然数且满足n≥2；
[0015] (3)将步骤2获得的所有状态进行分群：将n个互不相同的状态分成开启状态群和关闭状态群，用状态变量ni＝1描述第i个状态是处于开启状态，用状态变量ni＝0描述第i个状态处于关闭状态；
[0016] (4)对步骤3中的两个状态群内的状态进行排序：对开启状态群的状态按温度从低到高进行排序，对关闭状态群的状态按温度从高到低进行排序；
[0017] (5)加入舒适性约束：在温度变化范围内定义电热泵的可控范围 和即温度处于 的开启状态为可操作的状态，温度处于 的关
闭状态为可操作状态；
[0018] (6)电热泵响应电价：通过改变温度设定值Ts来改变电热泵消耗的功率，当电价降低的时候可以通过提高温度设定值来增加消耗的功率；当电价上升的时候可以通过降低温度设定值来减少消耗的功率；该步骤包括以下几种情况：
[0019] (6.1)正常情况下：开启状态群运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态，运行到温度下限值Ton以后转为开启状态；关闭状态群运行到温度下限值Ton以后转为开启状态，运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态；
[0020] (6.2)电价上升情况下：关闭状态群按照新的温度设定值 运行，即运行到温度下限值 以后转为开启状态，运行到温度上限值 以后转为关闭状态；开启状态群按照原来的温度设定值Ts运行，首先运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态，然后按照新的温度设定值 运行，运行到温度下限值 以后转为开启状态，运行到温度上限值以后转为关闭状态；
[0021] (6.3)电价下降情况下：开启状态群按照新的温度设定值 运行，即运行到温度上限值 以后转为关闭状态，运行到温度下限值 以后转为开启状态；关闭状态群按照原来的温度设定值Ts运行，首先运行到温度下限值Ton以后转为开启状态，然后按照新的温度设定值 运行，运行到温度上限值 以后转为关闭状态，运行到温度下限值以后转为开启状态。
[0022] 本发明的有益效果在于：在响应电价变化的过程中，原始的状态队列控制方法的开启状态数出现了大幅度的波动，特别是当响应价格上升的时候。但是本发明的方法在响应过程中开启状态数变化幅度不大，且响应完毕后开启的状态数是恒定值。这样可以保证电热泵消耗的功率为恒定值。本发明针对状态队列方法在响应电价变化时未考虑设备状态频繁切换对设备使用寿命的影响以及在响应电价变化后状态的
叠加对负荷多样性的影响，加入了舒适性约束来保护设备的使用寿命，同时改进的状态队列方法也改变了状态队列响应电价变化的方式以此来防止状态的叠加对符合多样性以及系统消耗功率的影响。该优化方法能在实现对电价的响应以后系统的功率消耗仍为恒定值，不会出现大范围波动，且能通过避免设备状态频繁切换来保护设备的使用寿命。
附图说明
[0023] 图1为电热泵动态过程图；
[0024] 图2为状态队列模型示意图；
[0025] 图3为响应价格下降时的开启状态数对比图；
[0026] 图4为响应价格上升时的开启状态数对比图；
[0027] 图5为采用状态队列方法的电热泵群响应两次价格下降的曲线图；
[0028] 图6为采用改进状态队列方法的电热泵群响应两次价格下降的曲线图；
[0029] 图7为两次价格下降的电价变化趋势图；
[0030] 图8为采用状态队列方法的电热泵群响应两次价格下降的功率消耗变化趋势图；
[0031] 图9为采用改进状态队列方法的电热泵群响应两次价格下降的功率消耗变化趋势图；
[0032] 图10为采用状态队列方法的电热泵群响应价格上升再下降后的曲线图；
[0033] 图11为采用改进状态队列方法的电热泵群响应价格上升再下降后的曲线图；
[0034] 图12为价格上升再下降的电价变化趋势图；
[0035] 图13为采用状态队列方法的电热泵群响应价格上升再下降后的功率消耗变化趋势图；
[0036] 图14为采用改进状态队列方法的电热泵群响应价格上升再下降后的功率消耗变化趋势图；
[0037] 图15为采用状态队列方法的电热泵群响应价格下降再上升后的曲线图；
[0038] 图16为采用改进状态队列方法的电热泵群响应价格下降再上升后的曲线图；
[0039] 图17为价格下降再上升的电价变化趋势图；
[0040] 图18为采用状态队列方法的电热泵群响应价格下降再上升后的功率消耗变化趋势图；
[0041] 图19为采用改进状态队列方法的电热泵群响应价格下降再上升后的功率消耗变化趋势图；
[0042] 图20为采用状态队列方法的电热泵群响应两次价格上升后的曲线图；
[0043] 图21为采用改进状态队列方法的电热泵群响应两次价格上升后的曲线图；
[0044] 图22为两次价格上升的电价变化趋势图；
[0045] 图23为采用状态队列方法的电热泵群响应两次价格上升后的功率消耗变化趋势图；
[0046] 图24为采用改进状态队列方法的电热泵群响应两次价格上升后的功率消耗变化趋势图；
具体实施方式
[0047] 本发明公开了一种采用改进状态列表控制的电热泵需求侧响应方法，下面结合附图对本发明做进一步详述：
[0048] 1、电热泵热力学方程选取。
[0049] 选取保留电热泵热力学变化主要特征、适用于过程分析的简化一阶微分方程，由此得到当电热泵关断时有
[0050]
[0051] 当电热泵开启时有
[0052]
[0053] 式中，Troom为电热泵调节的室内温度， C、R、Q分别代表等值热电容 等值热电阻 等值热比率(W)，本文取 Q＝400W；Tout为室外温度， 本文取起始
环境温度 t为仿真时刻；Δt为仿真步长，本文取1min。
[0054] 2、绘制电热泵动态过程图。
[0055] 如图1所示为电热泵动态过程图。图中，Tao表示起始温度 Ts表示设定温度值Toff表示温度上限值 Ton表示温度下限值 τon表示开启时间(s)、τoff表示关闭时间(s)、2δ表示温度调节范围
[0056] 上图中，上升曲线代表电热泵处于开启状态，下降曲线代表电热泵处于关闭状态。温度从起始温度Tao由于电热泵的开启开始逐渐上升，上升到温度上限值Toff后电热泵状态转为关闭，温度开始随着电热泵的关闭而下降，当下降到温度下限值Ton后电热泵状态转为开启，按照这种方式循环，运行在温度设定值区间。冷却系统的情况恰好与其相反。
[0057] 电热泵只有在处于开启状态时才会消耗功率，电热泵同样也是只有在处于开启状态时才会消耗功率。
[0058] 3、将步骤2动态过程图抽象离散成互不相同的状态。
[0059] 将电热泵运行在温度设定值区间的曲线进行离散化处理即
采样、保持、量化得到状态队列模型：将运行周期划分为等时间间隔的n段；取每一段的初始值并保持该值作为本段的值；得到n个互不相同的状态，n为自然数且满足n≥2。
[0060] 在本发明仿真实验中假定将周期离散为20个等时间间隔的状态。
[0061] 4、将步骤3状态进行分群。
[0062] 将n个状态分成开启状态群和关闭状态群，用状态变量ni＝1描述第i个状态是处于开启状态，用状态变量ni＝0描述第i个状态处于关闭状态。由于在实际中，温度因电热泵开启而从温度下限值升温到温度上限值所需要的时间比电热泵因为关闭状态而自然冷却从温度上限制下降到温度下限值所需要的时间要短，所以开启状态数比关闭状态数少。
[0063] 在此处假定处于开启的状态数为5个处于关闭的状态数为15个。得到在此处开启状态群为n1～n5，关闭状态群为n6～n20。
[0064] 5、对步骤4中的两个状态群内的状态进行排序。
[0065] 对开启状态群的状态按温度从低到高进行排序，对关闭状态群的状态按温度从高到低进行排序。
[0066] 在本发明中，对n1～n5的温度进行从低到高的排序，对n6～n20的温度进行从高到低排序。
[0067] 6、加入舒适性约束。
[0068] 因为设备状态的频繁切换会影响设备的使用寿命而且会加快磨损等，所以在此处加入舒适性约束来保护设备。舒适性约束即不对刚转换状态的设备进行下一步的状态转换操作。具体来说就是在温度变化范围内定义了电热泵的可控范围 和即温度处于 的开启状态为可操作的状态，温度处于 的关闭状态为可
操作状态。
[0069] 7、电热泵响应电价。
[0070] 对于电热泵来说通过调节温度设定值Ts改变电热泵消耗的功率。当电价降低的时候可以通过提高温度设定值来增加消耗的功率；当电价上升的时候可以通过降低温度设定值来减少消耗的功率。以下对响应电价变化的几种情况作具体介绍：
[0071] 7.1、正常情况下
[0072] 开启状态群运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态，运行到温度下限值Ton以后转为开启状态。关闭状态群运行到温度下限值Ton以后转为开启状态，运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态。
[0073] 正常运行的情况下电热泵单元状态分布如下表1：
[0074] 表1
[0075]
[0076]
[0077] 注：加/为开启状态
[0078] 开启状态的温度是逐渐上升的，所以状态1下一时刻会运行到状态2的
位置，状态2会运行到状态3的位置…；开启状态温度达到温度上限值后会转为关闭状态，所以状态5下一时刻会运行到状态6的位置并转为关闭状态；关闭状态的温度是逐渐下降的，所以状态6下一时刻会运行到状态7的位置，状态7下一时刻会运行到状态8的位置…；关闭状态温度达到温度下线后会转为开启状态，所以状态20下一时刻会运行到状态1的位置并转为开启状态。
[0079] 7.2、电价上升情况下
[0080] 响应价格上升过程中电热泵单元状态分布如下表2：
[0081] 表2
[0082]
[0083]
[0084] 注：加/为开启状态，×为超出温度范围的状态。
[0085] 关闭状态群按照新的温度设定值 运行，即运行到温度下限值 以后转为开启状态，运行到温度上限值 以后转为关闭状态。开启状态群按照原来的温度设定值Ts运行，首先运行到温度上限值Toff以后转为关闭状态，然后按照新的温度设定值 运行，运行到温度下限值 以后转为开启状态，运行到温度上限值 以后转为关闭状态。
[0086] 7.3、电价下降情况下
[0087] 响应价格下降过程中电热泵单元状态分布如下表3：
[0088] 表3
[0089]
[0090]
[0091] 注：加/为开启状态,×为超出温度范围的状态。
[0092] 开启状态群按照新的温度设定值 运行，即运行到温度上限值 以后转为关闭状态，运行到温度下限值 以后转为开启状态。关闭状态群按照原来的温度设定值Ts运行，首先运行到温度下限值Ton以后转为开启状态，然后按照新的温度设定值 运行，运行到温度上限值 以后转为关闭状态，运行到温度下限值 以后转为开启状态。
[0093] 下面通过计算负荷多样性来验证本发明的有效性。
[0094] 在电力系统中，每条线路的传输容量是有限制的，而负荷在空间的分布会影响线路传输容量。假设系统N个功率均为P的电热泵单元均匀分布在各个状态，n是状态的数量，non是开启状态的数量，Non是开启单元的数量。
[0095] 为了有效的表征状态在空间的分布我们引入负荷多样性这个概念。负荷多样性就是指系统可能的最大功率比上当前的功率，表达式如下：
[0096]
[0097] 其中，Di是负荷i的最大功率，Dg是目前消耗的功率。负荷多样性满足kd∈[1,+∞)。由于对于电热泵这种情况来说，可以得到
[0098]
[0099] 其中，τ为周期时间(s)；τon为开启时间(s)；τoff为关闭时间(s)。在正常情况下可以计算出负荷多样性kd＝4。
[0100] 图3和图4是两种方法在响应价格上升和价格下降时候的开启状态数的曲线。在响应电价变化的过程中，原始的状态队列控制方法的开启状态数出现了大幅度的波动，特别是当响应价格上升的时候。但是本发明的方法在响应过程中开启状态数变化幅度不大，且响应完毕后开启的状态数是恒定值。这样可以保证电热泵消耗的功率为恒定值。
[0101] 图5到图24是不同状况下的运行
图像分析：响应两次电价下降、响应电价下降后再上升、响应电价上升后再下降、响应两次电价上升。图5～图6、图10～图11、图15～图16、图20～图21中的线条代表的是电热泵单元。此次实验选择300个单元，线在温度调节范围内的
覆盖面积与负荷多样性成正比。图8、图13、图18、图23代表的是状态队列方法的功率消耗。
图9、图14、图19、图24代表的是改进状态队列方法的功率消耗。
[0102] 由图可知采用本发明的状态队列方法实现对电价的响应时负荷多样性会发生很大的改变，由此导致曲线在温度设定值的覆盖范围会比较小，但是本发明的方法却能保持温度设定值覆盖率不变。在功率消耗图对比中可以看到，本发明的方法功率消耗比较平稳；但是
现有技术的状态队列方法的功率消耗波动比较大，此时系统由于负荷状态分布不均匀会出现响应无法控制的情况即系统调节不稳定。
