实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法、系统及介质

1.本发明属于电力系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法、系统及介质。


背景技术：

2.随着能源战略向大规模新能源发电与联网逐步迈进，分布式光伏等新能源的不确定性对电网安全稳定运行的影响成为迫在眉睫需要解决的问题。从经济性与可实施性考虑，运用负荷需求侧响应这一种新型灵活资源，参与电网调峰调频、消纳新能源具有重要意义。其中供暖负荷，尤其是电采暖负荷，具有耗电多、功率稳定的特点，有巨大的功率调控潜力。对于北方供暖负荷与大电网系统联网的形式，如何开展负荷需求响应，制定通过分布式光伏与柔性供暖负荷功率互补运行的源荷协同控制方法是解决光伏等新能源消纳的有力途径。
3.综上所述，研究分布式光伏与柔性供暖负荷的聚合控制策略来参与需求响应，辅助电网平抑由于新能源接入带来的功率波动，是一种多方参与、多方互利的良好模式。供暖用户在生产条件许可的情况下能获得一定的经济补偿；电网公司能以较低的代价保障电网的稳定可靠运行；新能源发电方则提升了新能源接入率；总体上实现了荷-网-源总经济效益的提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法：通过对柔性采暖负荷的聚合建模，提出采暖负荷功率调控方式。综合考虑供暖舒适度、电采暖负荷功率调节能力等约束条件，将采集的分布式光伏功率信号作为反馈量，调度中心将调节指令下发到各级的电采暖负荷，实现对分布式光伏功率波动的平抑。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，包括：
7.构建供热量与室内温度变化的时变关系，根据标准建筑物的热力学特性建立热动态模型，通过室内温度变化率映射暂态热平衡关系；建立冬季人体的热舒适温度，约束室内温度的变化范围；在以上基础上，评估启停控制的单体电采暖负荷的调节能力；
8.根据额定功率p、等效热阻r与等效热容c对电采暖负荷进行集群处理，提出电采暖负荷群的“接力式”控制策略；
9.基于建立的电采暖负荷聚合模型，以采集的分布式光伏发电功率与电采暖负荷功率信号作为反馈信号，对电采暖负荷功率的进行综合优化控制。
10.在上述的方法，标准建筑物的热力学动态建模基于以下公式
11.12.其中，c
air
，ρ
air
分别为空气比热容，空气密度；和分别为t时的室内温度和室外温度，s为根据建筑物体形系数所确定的标准用户的外表面积，v为根据建筑物体形系数所确定的标准用户的空间体积，p
eh
为电采暖的供热功率，k为根据建筑节能设计标准中导热系数关系式所获取的外表面综合导热系数，为室内温度的变化率。
13.进一步忽略室内外内外墙体之间的温度差异，假设同一时间室内空气温度与固体温度相同，可得电采暖负荷的一阶etp模型如下:
[0014][0015]
式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率；k
t
为t时刻电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。
[0016]
在上述的方法，根据人体的舒适度pmv指标λ
pmv
计算公式如下：
[0017][0018]
其中，m为人体能量代谢量，ts是为人体皮肤温度，ta是室内环境温度，i
c1
是人体服装热阻。当pmv值在[-1,1]区间范围内时，用户对环境的热舒适度是比较满意的，超出该范围后，用户的热舒适度较差。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关内容0.5≤pmv≤1即达到ii级舒适度时，供暖温度区间为[18℃,22℃]。
[0019]
利用热舒适温度来约束室内温度的变化范围，具体如下式所示：
[0020][0021]
其中，t
min
是电采暖设备运行设定的室内温度下限，t
max
是电采暖设备运行设定的室内温度上限，δt是仿真步长。
[0022]
基于电采暖负荷的一阶etp模型，本专利涉及的电采暖负荷的控制方式为启停控制，因此其在功率维度上的调节能力是固定的，即当电采暖负荷开启时，其功率即为额定功率，电采暖负荷关停时，其功率即为零。对单个电采暖负荷的调节时长进行量化分析，可得电采暖负荷的下调时长τ
off
与上调时长τ
on
：
[0023][0024][0025]
式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；η为热转换效率；p为电采暖负荷的功率；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；t为仿真时刻。
[0026]
根据以上公式，进一步可以推导出理论上初始室内温度为t
max
时电采暖负荷关停的最长时间τ
off_max
和初始室内温度为t
min
时开启的最长时间τ
on_max
：
[0027][0028][0029]
在上述的方法，根据额定功率大小将电采暖群进行分组，组内额定功率相同。首先根据负荷功率初步将电采暖负荷分为x个组，组内的负荷功率近似相等。初步分组后，根据等效热阻r、等效热容c对x组负荷进行聚类分析，每组形成y个负荷群。最后，采用每个负荷群的聚类中心点的参数值作为群内电采暖负荷的等效热阻r和等效热容c。具体的步骤如下：
[0030]
(1)初步分组后，设矩阵v为含有某电采暖负荷组的n个电采暖负荷的等效热阻r、等效热容c的参数矩阵，即矩阵v为n
×
2矩阵。对矩阵v中的元素进行归一化处理，记归一化后的矩阵为v'：
[0031][0032]
式中v
ij
为矩阵v中原有的元素，v'
ij
为矩阵v经归一化处理后的元素，v
imax
为该组参数中第j项的最大值。
[0033]
(2)设定该电采暖负荷组的聚合群数目y和迭代结束的阈值ε，在矩阵v'中随机抽取y个样本作为初值赋给聚合体中心z
l
(l＝1,2,y),z
l
＝(z
l1
,z
l2
)。
[0034]
(3)设电采暖负荷组中第k(1≤k≤n)个负荷的等效热阻r、等效热容c共同构成参数v'k，v'k＝[v'
k1
,v'
k2
]，依据下式计算到各聚合体中心的欧氏距离d
kl
[0035][0036]
式中，z'
l1
,z'
l2
分别为当前聚合中心点的参数值，v'
k1
,v'
k2
分别为第k个负荷的参数值。
[0037]
(4)求解以r、c构成的数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度m
kl
。
[0038][0039]
式中d
ky
为第k个个体到第y个聚合中心点的距离，y为聚类中心点总数。
[0040]
(5)将步骤(3)(4)所求结果，代入到下式对最初各个电采暖聚合体中心x
l
进行迭代更新。
[0041][0042]
式中m
kl
为数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度，v'k是由电采暖负荷组中第k(1≤k≤n)个负荷的等效热阻r、等效热容c共同构成的参数。
[0043]
(6)依据步骤(3)至(5)，求出目标函数g(t)，如下式所示
[0044][0045]
式中m
kl
为数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度，d
kl
为数据矩阵v'中第k个个体到第l个聚合体中心的欧氏距离。
[0046]
(7)判断g(t)的收敛性。设上一次迭代的目标函数为g(t-1)，若g(t)与g(t-1)的差值大于ε，则返回步骤(3)继续进行，若g(t)与g(t-1)的差值小于ε，则集群分组过程结束，以x
l
作为最终聚合中心。
[0047]
比较步骤(4)所计算的隶属度，以r、c构成的数据矩阵v
′
中样本v'k对各个聚合体的隶属度m
lk
的大小对电采暖负荷进行分组，最终形成功率接近且等效热容、等效热阻两参数相似的电采暖负荷同质聚合群。
[0048]
在上述的方法，电采暖负荷聚合模型表示为
[0049][0050][0051][0052][0053]
p(t)是n个电采暖负荷在t时刻的聚合功率，pi为第i个电采暖设备的额定功率；k
it
表示t时刻第i个电采暖负荷的启停状态，t
set
表示电采暖设备运行设定温度值，δ为人体热舒适性温度区间的宽度；t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率；k
t
为t时刻电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。
[0054]
在上述的方法，基于电采暖负荷的均一化聚合模型，提出电采暖负荷群内部的“接力式”控制策略，电力调度中心下达增加/削减电采暖负荷且调控时长为t
control
的调度指令，在满足热舒适温度约束的前提下，可将电采暖负荷群内负荷分为具备调节能力和不具备调节能力两类，进一步的将具备调节能力的负荷分为两类：一类是可调控时长大于或等于t
control
的，另一类是可调控时长小于t
control
的。采用“接力”控制时，可以充分挖掘电采暖负荷群的调节潜力，将原本调控时长不满足要求的负荷纳入到调度中，通过负荷间的相互配合，可以实现电采暖负荷群在调控时间为t
control
时的调控容量提升δp
control
，可以增加/削减的电量提升δw
control
。
[0055]
在上述的方法，接力式控制策略包括：
[0056]
(1)首先设定电采暖负荷群内包含的负荷总数n，负荷功率p以及用户的等效热阻r、等效热容c，并对负荷群内的电采暖负荷进行编号(i＝1,2
……
,n)。
[0057]
(2)采集每个电采暖负荷的室内初始温度和室外温度数据，利用建立的电采暖负
荷热动态模型生成负荷运行的时序序列，并对负荷的调节能力进行评估，由于负荷群内的负荷功率可以看作近似相等，此处对调节能力的评估仍然为可调控时间。
[0058]
(3)根据调度需求r和个体负荷的调节能力r进行判断是否进行接力控制，若调节能力r》r，则负荷群的调控容量增加p。对于调节能力r《r的负荷，可以采用上述的两种接力方式相互配合，从而满足调度要求，提升负荷群的可调容量。
[0059]
(4)直至最后一个电采暖负荷完成(2)(3)流程，控制过程结束，输出电采暖负荷群的调节能力(调控时间和调控容量)以及可参与调度的负荷信息。
[0060]
在上述的方法，综合控制时，首先给定电采暖供热功率与建筑物室内温度等初始条件，调度中心根据采集的分布式光伏功率信号和实时的电采暖负荷功率信号来确定某一时段的调度目标并将指标传送给电采暖聚合体；接收到指令的电采暖聚合体利用改变启停状态调整自身负荷，达到调度指令的要求后，将更新的标准用户电采暖负荷的室内温度和负荷信息返回给负荷聚合商，负荷聚合商再传回电力系统调度中心。
[0061]
本发明具备的优点如下：
[0062]
(1)本发明实现了对单个电采暖负荷的准确建模，在保障用户供暖舒适度的前提下实现对电采暖负荷调节能力的量化评估。
[0063]
(2)本发明提出了根据负荷功率以及用户的等效热参数对分散式电采暖负荷进行集群处理，并提出了电采暖负荷群内部的“接力”[0064]
控制策略，有效提高了电采暖负荷群的调节能力。
[0065]
(3)本发明提出利用电采暖负荷聚合体的调节能力参与电网调度，进而实现分布式光伏与电采暖负荷群的协同运行，可以有效平抑光伏机组的功率波动，提高光伏机组的上网电量，增加经济效益。
附图说明
[0066]
图1为“接力式”控制策略流程图；
[0067]
图2为电采暖负荷一阶etp模型模拟电路图；
[0068]
图3a为单个电采暖负荷响应能力示意图(电采暖负荷向下调节示意图)；
[0069]
图3b为单个电采暖负荷响应能力示意图(电采暖负荷向上调节示意图)；
[0070]
图4电采暖负荷参与需求响应的总体示意图；
[0071]
图5为“接力”控制情况一；
[0072]
图6为“接力”控制情况二；
[0073]
图7a为多时间尺度接力前后调节能力示意图(上调能力)；
[0074]
图7b为多时间尺度接力前后调节能力示意图(下调能力)；
具体实施方式
[0075]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0076]
实施例：
[0077]
本发明涉及的方法，包括以下步骤：
[0078]
步骤1、构建供热量与室内温度变化的时变关系，根据标准建筑物的热力学特性建立热动态模型，通过室内温度变化率揭示暂态热平衡关系；建立冬季人体的热舒适温度，约
束室内温度的变化范围；
[0079]
步骤2、根据额定功率、等效热阻r与等效热容c等参数对电采暖负荷进行集群处理，实现电采暖负荷参数均一化集群聚合建模与调控；
[0080]
步骤3、基于建立的电采暖负荷聚合模型，以采集的分布式光伏发电功率与电采暖负荷功率信号作为反馈信号，提出电采暖负荷功率的综合控制策略，实现对分布式光伏与柔性供暖负荷功率互补运行；
[0081]
在上述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法中，步骤1的具体实现包括：
[0082]
步骤1.1、标准建筑物的热力学动态建模：
[0083]
由于建筑物围护结构的存在，建筑物具有一定的蓄热能力。综合考虑能量在环境与建筑物之间的传递过程，计及室内空气、外墙、内墙温度之间的差异性，建立工作状态的温度变量与相关参数的状态方程。单位建筑面积上单位时间内标准用户的传热量按下式计算：
[0084][0085]
式中：qi为单位建筑面积上单位时间内的传热量；a、s分别为根据建筑物体形系数所确定的标准用户的总面积、外表面积。ε为建筑物表面传热系数的修正系数。k为根据建筑节能设计标准中导热系数关系式所获取的外表面综合导热系数，为t时刻室内温度，为t时刻室外温度。
[0086]
进一步简化该模型，建立电采暖负荷的一阶etp模型，其模拟电路图如图2所示，,r,c分别为房间的等效热阻、等效热容，t
in
为室内温度，t
out
为室外温度，qc为房间的储热量。电采暖负荷的一阶etp模型推导过程如下：
[0087]
假设第t时刻电采暖负荷的制热量q
eh,t
为
[0088]qeh,t
＝ηp
[0089]
式中η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率。
[0090]
第t时刻房间散热量q
s,t
为：
[0091][0092]
式中ki为围护结构的散热系数；si为围护结构的散热面积；为t时刻的室内温度；为t时刻的室外温度；n为围护结构的个数，包括内墙层、外墙层、屋顶层、门窗地板等。
[0093]
第t时刻房间储热量q
c,t
为：
[0094][0095]
综上可得房间的最终热动态模型为：
[0096]
[0097]
在该模型的基础上进行简化，进一步忽略室内外内外墙体之间的温度差异，假设同一时间室内空气温度与固体温度相同
[9]
，可得电采暖负荷的一阶etp模型如下:
[0098][0099]
式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；k为电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态，后续对电采暖负荷运行特性分析会涉及到启停状态的分析；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。
[0100]
步骤1.2、人体舒适度温度约束室内温度变化
[0101]
室内温度需要满足人体对热舒适性的要求，即热舒适温度。热舒适温度受到人的生理、心理和行为以及环境中的湿度参数等多方面影响，而热舒适温度也通常是一个范围值。通常用pmv指标来表示人体的舒适度。pmv指标表征了同一环境中多数人冷热感觉的平均值，以7级标尺对应人体的7种感觉，pmv为0对应室内热环境最佳热舒适状态，pmv为+1、+2、+3分别表示稍暖、暖与热，pmv为-1、-2、-3分别表示稍凉、凉与冷。pmv的浮动区间为
±
1，人体的舒适度pmv指标λ
pmv
计算公式如下：
[0102][0103]
其中，m为人体能量代谢量，ts是为人体皮肤温度，ta是室内环境温度，i
c1
是人体服装热阻。当pmv值在[-1,1]区间范围内时，用户对环境的热舒适度是比较满意的，超出该范围后，用户的热舒适度较差。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关内容0.5≤pmv≤1即达到ii级舒适度时，供暖温度区间为[18℃,22℃]。
[0104]
利用热舒适温度来约束室内温度的变化范围，具体如下。依据分段线性化热平衡方程可得：
[0105][0106]
其中，t
min
是电采暖设备运行设定的室内温度下限，t
max
是电采暖设备运行设定的室内温度上限，δt是仿真步长。
[0107]
对于单个的电采暖负荷，其响应能力如图3a所示，当电采暖设备处于开启状态时，室内温度不断升高，此时该设备不具备上调能力，但具有下调能力。其下调能力体现为可以切除的负荷容量为δp
down
，关停电采暖设备后室内温度下降至温度下限t
min
的时间为τ
off
，两者的乘积δe
down
表示该时间段内可削减的用电量。如图3b所示，当电采暖设备处于关停状态时，室内温度不断下降，此时该设备不具备下调能力，但具有上调能力。其上调能力体现为可以增加的负荷容量为δp
up
，开启电采暖设备后室内温度上升至温度上限t
max
的时间为τ
on
，两者的乘积δe
up
表示该时间段内可增加的用电量。
[0108]
基于电采暖负荷的一阶etp模型，对单个电采暖负荷的调节时长进行量化分析，可得电采暖负荷的下调时长τ
off
与上调时长τ
on
分别为
[0109]
[0110][0111]
式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；η为热转换效率；p为电采暖负荷的功率；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；t为仿真时刻。
[0112]
根据以上公式，进一步可以推导出理论上初始室内温度为t
max
时电采暖负荷关停的最长时间τ
off_max
和初始室内温度为t
min
时开启的最长时间τ
on_max
：
[0113][0114][0115]
步骤2的具体实现包括：
[0116]
步骤2.1、电采暖负荷集群处理
[0117]
首先根据负荷功率初步将电采暖负荷分为x个组，组内的负荷功率近似相等。初步分组后，根据等效热阻r、等效热容c对x组负荷进行聚类分析，每组形成y个负荷群。最后，采用每个负荷群的聚类中心点的参数值作为群内电采暖负荷的等效热阻r和等效热容c。具体的步骤如下：
[0118]
(1)初步分组后，设矩阵v为含有某电采暖负荷组的n个电采暖负荷的等效热阻r、等效热容c的参数矩阵，即矩阵v为n
×
2矩阵。对矩阵v中的元素进行归一化处理，记归一化后的矩阵为v'：
[0119][0120]
式中v
ij
为矩阵v中原有的元素，v'
ij
为矩阵v经归一化处理后的元素，v
imax
为该组参数中第j项的最大值。
[0121]
(2)设定该电采暖负荷组的聚合群数目y和迭代结束的阈值ε，在矩阵v'中随机抽取y个样本作为初值赋给聚合体中心z
l
(l＝1,2，
…
y),z
l
＝(z
l1
,z
l2
)。
[0122]
(3)设电采暖负荷组中第k(1≤k≤n)个负荷的等效热阻r、等效热容c共同构成参数v'k，v'k＝[v'
k1
,v'
k2
]，依据下式计算到各聚合体中心的欧氏距离d
kl
[0123][0124]
式中，z'
l1
,z'
l2
分别为当前聚合中心点的参数值，v'
k1
,v'
k2
分别为第k个负荷的参数值。
[0125]
(4)求解以r、c构成的数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度m
kl
。
[0126][0127]
式中d
ky
为第k个个体到第y个聚合中心点的距离，y为聚类中心点总数。
[0128]
(5)将步骤(3)(4)所求结果，代入到下式对最初各个电采暖聚合体中心x
l
进行迭代更新。
[0129][0130]
(6)依据步骤(3)至(5)，求出目标函数g(t)，如下式所示
[0131][0132]
(7)判断g(t)的收敛性。设上一次迭代的目标函数为g(t-1)，若g(t)与g(t-1)的差值大于ε，则返回步骤(3)继续进行，若g(t)与g(t-1)的差值小于ε，则集群分组过程结束，以x
l
作为最终聚合中心。
[0133]
比较步骤(4)所计算的隶属度，以r、c构成的数据矩阵v
′
中样本v'k对各个聚合体的隶属度m
lk
的大小对电采暖负荷进行分组，最终形成功率接近且等效热容、等效热阻两参数相似的电采暖负荷同质聚合群。
[0134]
步骤2.2、电采暖负荷聚合建模
[0135]
户用电采暖负荷模型的参数取值服从一定的概率分布，不同电采暖负荷的参数取值相对独立，但供热功率与建筑面积和等效热容、等效热阻存在一定的正相关关系。等效热容c、等效热阻r可依据概率模型随机选取。
[0136]
首先提取电采暖负荷个体建模需要的参数：电采暖额定功率p
eh
、用户等效热容c以及等效热阻r等，构建概率模型，电采暖房间等效热容c、等效热阻r符合高斯分布。根据概率分布进行抽样选取r、c两参数的具体数值。
[0137]
参数均一化后电采暖聚合体中的电采暖负荷除初始状态存在差别，其余参数均相等时，电采暖负荷聚合参数均一化建模时，聚合模型表示为
[0138][0139][0140][0141][0142]
p(t)是n个电采暖负荷在t时刻的聚合功率，pi为第i个电采暖设备的额定功率；k
it
表示t时刻第i个电采暖负荷的启停状态，t
set
表示电采暖设备运行设定温度值，δ为人体热舒适性温度区间的宽度；t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率；k
t
为t时刻电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。
[0143]
步骤3的具体实现包括：
[0144]
步骤3：电采暖负荷综合控制策略
[0145]
对于电采暖负荷的控制策略一般分为启停控制、温度控制与周期性暂停控制。本专利涉及的是启停控制的电采暖设备，通过电采暖设备的开关直接对电采暖负荷进行操作的控制策略，一定程度上减小了电采暖负荷功率在恢复过程中出现的大幅振荡，电采暖负荷启停控制的决策变量是开关的状态，可以通过各种的目标函数以及相关的约束条件，进行多样的开通关断优化组合的控制。
[0146]
在制定电采暖负荷综合控制策略时考虑以下2个方面：
[0147]
(1)供暖负荷满足人体热舒适性温度范围；
[0148]
(2)实现柔性采暖负荷与分布式光伏的功率互补；
[0149]
图4为电采暖负荷参与需求响应的总体示意图。在进行调控时，首先给定电采暖供热功率与建筑物室内温度等初始条件，调度中心根据采集的分布式光伏功率信号和实时的电采暖负荷功率信号来确定某一时段的调度目标并将指标传送给电采暖聚合体；接收到指令的电采暖聚合体利用改变室内温度设定值，启停，周期性暂停等控制方式调整自身负荷。达到调度指令的要求后，将更新的标准用户电采暖负荷的室内温度和负荷信息返回给负荷聚合商，负荷聚合商再传回电力系统调度中心。
[0150]
本发明所提及的“接力式”控制策略主要考虑两种情况：其一是当前具有调控能力但调控时长不满足要求的负荷之间相互配合，其二是当前具有调控能力但调控时长不满足要求的负荷与当前不具有调控能力的负荷之间相互配合。下面以上调负荷为例对两种情况进行具体说明，假设参与调控的负荷功率相等，设备运行温度区间设定为[18℃,22℃]。
[0151]
第一种情况如图5所示：2599s时刻，下达上调指令要求负荷的调控时间为15min，即本次电采暖负荷由关停状态切换为开启状态至少需要持续15min。此时，1#电采暖和2#电采暖均处于关停状态，具备上调能力，但两者的可调控时长均不满足要求，故正常情况下不能参与调度。采用“接力”控制时，2599s时刻，1#电采暖的可调控时长为5min38s，先转为开启状态。2937s时刻，1#电采暖的室内温度达到最大值，转为关停状态。此时，2#电采暖的可调控时长延长至12min48s，转为开启状态。3715s时刻，2#电采暖的室内温度达到最大值，转为关停状态。经过“接力”控制后，1#、2#电采暖负荷的开启时间共计18min26s，满足调度要求。
[0152]
第二种情况如图6所示：2770s时刻，下达上调指令要求负荷的调控时间为25min，即本次电采暖负荷由关停状态切换为开启状态至少需要持续25min。此时，1#电采暖处于关停状态，具备上调能力，但是由于其可调控时长仅为11min14s，故正常情况下不能参与调度。2#电采暖负荷此时处于开启状态，不具备上调能力。采用“接力式”控制时，2770s时刻，1#电采暖可以先转为开启状态。3444s时刻，1#电采暖的室内温度达到最大值，转为关停状态。此时，2#电采暖处于关停状态，具有上调能力且调控时长为16min22s，转为开启状态。4426s时刻，2#电采暖的室内温度达到最大值，转为关停状态。经过“接力”控制后，1#、2#电采暖负荷的开启时间共计27min36s，满足调度要求。
[0153]
为验证所提出的“接力”控制策略在提升电采暖负荷群可调能力上的效果，设置如下仿真算例，具体的仿真条件如下：
[0154]
(1)电采暖负荷群包含用户信息如表1所示，该电采暖负荷聚合体共包含300个用户。
[0155]
表1用户信息
[0156][0157]
(2)电采暖设备运行设定温度：设置电采暖负荷运行设定温度在[19.5℃,20.5℃]内随机选取，体现不同用户对热舒适度需求的差异。
[0158]
仿真开始时，初始室内温度在[18℃,22℃]内随机选取，负荷初始启停状态随机选取为“开启”或“关闭”。
[0159]
验证“接力”控制策略在多个时间尺度下对电采暖负荷群调节能力的提升效果。此时室外温度t
out
＝0℃，分别设置了5min至20min的调控时间，采用传统控制方式和“接力”控制方式对电采暖负荷群的调节容量进行评估，所得结果如下所示。
[0160]
表2多时间尺度接力前后上调容量
[0161][0162][0163]
表3多时间尺度接力前后下调容量
[0164][0165]
分析上述结果可知：无论是上调还是下调，随着调控时间的不断增大，“接力式”控制策略对负荷群调控容量的提升量和提升比例也在不断增大。其原因在于，随着调控时间的增大，正常情况下能完全满足要求的负荷逐渐减少，此时“接力式”控制策略的优势也就愈发明显。对电采暖负荷聚合体的调节能力的挖掘越充分，其在参与光伏机组功率波动平抑，消纳弃光时的效果也就越好，可以满足更加复杂的调度目标，同时有效减少受影响的电采暖负荷数量，降低调度的经济成本。
[0166]
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

技术特征：
1.一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，包括：构建供热量与室内温度变化的时变关系，根据标准建筑物的热力学特性建立热动态模型，通过室内温度变化率映射暂态热平衡关系；建立冬季人体的热舒适温度，约束室内温度的变化范围；在以上基础上，评估启停控制的单体电采暖负荷的调节能力；根据额定功率p、等效热阻r与等效热容c对电采暖负荷进行集群处理，提出电采暖负荷群的“接力式”控制策略；基于建立的电采暖负荷聚合模型，以采集的分布式光伏发电功率与电采暖负荷功率信号作为反馈信号，对电采暖负荷功率的进行综合优化控制。2.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，标准建筑物的热力学动态建模基于以下公式其中，c
air
，ρ
air
分别为空气比热容，空气密度；和分别为t时的室内温度和室外温度，s为根据建筑物体形系数所确定的标准用户的外表面积，v为根据建筑物体形系数所确定的标准用户的空间体积，p
eh
为电采暖的供热功率，k为根据建筑节能设计标准中导热系数关系式所获取的外表面综合导热系数，为室内温度的变化率；进一步忽略室内外内外墙体之间的温度差异，假设同一时间室内空气温度与固体温度相同，可得电采暖负荷的一阶etp模型如下:式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率；k
t
为t时刻电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。3.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，根据人体的舒适度pmv指标λ
pmv
计算公式如下：其中，m为人体能量代谢量，t
s
是为人体皮肤温度，t
a
是室内环境温度，i
c1
是人体服装热阻；当pmv值在[-1,1]区间范围内时，用户对环境的热舒适度是比较满意的，超出该范围后，用户的热舒适度较差；根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关内容0.5≤|pmv|≤1即达到ii级舒适度时，供暖温度区间为[18℃,22℃]；利用热舒适温度来约束室内温度的变化范围，具体如下式所示：其中，t
min
是电采暖设备运行设定的室内温度下限，t
max
是电采暖设备运行设定的室内温度上限，δt是仿真步长；
基于电采暖负荷的一阶etp模型，本专利涉及的电采暖负荷的控制方式为启停控制，因此其在功率维度上的调节能力是固定的，即当电采暖负荷开启时，其功率即为额定功率，电采暖负荷关停时，其功率即为零；对单个电采暖负荷的调节时长进行量化分析，可得电采暖负荷的下调时长τ
off
与上调时长τ
on
：：式中t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；η为热转换效率；p为电采暖负荷的功率；r为房间的等效热阻；c为房间的等效热容；t为仿真时刻；根据以上公式，进一步可以推导出理论上初始室内温度为t
max
时电采暖负荷关停的最长时间τ
off_max
和初始室内温度为t
min
时开启的最长时间τ
on_max
：：4.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，根据额定功率大小将电采暖群进行分组，组内额定功率相同；首先根据负荷功率初步将电采暖负荷分为x个组，组内的负荷功率近似相等；初步分组后，根据等效热阻r、等效热容c对x组负荷进行聚类分析，每组形成y个负荷群；最后，采用每个负荷群的聚类中心点的参数值作为群内电采暖负荷的等效热阻r和等效热容c；具体的步骤如下：(1)初步分组后，设矩阵v为含有某电采暖负荷组的n个电采暖负荷的等效热阻r、等效热容c的参数矩阵，即矩阵v为n
×
2矩阵；对矩阵v中的元素进行归一化处理，记归一化后的矩阵为v'：式中v
ij
为矩阵v中原有的元素，v'
ij
为矩阵v经归一化处理后的元素，v
imax
为该组参数中第j项的最大值；(2)设定该电采暖负荷组的聚合群数目y和迭代结束的阈值ε，在矩阵v'中随机抽取y个样本作为初值赋给聚合体中心z
l
(l＝1,2,
…
y),z
l
＝(z
l1
,z
l2
)；(3)设电采暖负荷组中第k(1≤k≤n)个负荷的等效热阻r、等效热容c共同构成参数v'
k
，v'
k
＝[v'
k1
,v'
k2
]，依据下式计算到各聚合体中心的欧氏距离d
kl
式中，z'
l1
,z'
l2
分别为当前聚合中心点的参数值，v'
k1
,v'
k2
分别为第k个负荷的参数值；(4)求解以r、c构成的数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度m
kl
；
式中d
ky
为第k个个体到第y个聚合中心点的距离，y为聚类中心点总数；(5)将步骤(3)(4)所求结果，代入到下式对最初各个电采暖聚合体中心x
l
进行迭代更新；式中m
kl
为数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度，v'
k
是由电采暖负荷组中第k(1≤k≤n)个负荷的等效热阻r、等效热容c共同构成的参数；(6)依据步骤(3)至(5)，求出目标函数g(t)，如下式所示式中m
kl
为数据矩阵v'中第k个个体对第l个聚合体中心点的隶属度，d
kl
为数据矩阵v'中第k个个体到第l个聚合体中心的欧氏距离；(7)判断g(t)的收敛性；设上一次迭代的目标函数为g(t-1)，若g(t)与g(t-1)的差值大于ε，则返回步骤(3)继续进行，若g(t)与g(t-1)的差值小于ε，则集群分组过程结束，以x
l
作为最终聚合中心；比较步骤(4)所计算的隶属度，以r、c构成的数据矩阵v
′
中样本v'
k
对各个聚合体的隶属度m
lk
的大小对电采暖负荷进行分组，最终形成功率接近且等效热容、等效热阻两参数相似的电采暖负荷同质聚合群。5.根据权利要求1所述的一种可实现分布式光伏与柔性供暖负荷功率互补运行的源荷协同控制方法，其特征在于，电采暖负荷聚合模型表示为协同控制方法，其特征在于，电采暖负荷聚合模型表示为协同控制方法，其特征在于，电采暖负荷聚合模型表示为协同控制方法，其特征在于，电采暖负荷聚合模型表示为p(t)是n个电采暖负荷在t时刻的聚合功率，p
i
为第i个电采暖设备的额定功率；表示t时刻第i个电采暖负荷的启停状态，t
set
表示电采暖设备运行设定温度值，δ为人体热舒适性温度区间的宽度；t
out
为室外温度值；t
in
为室内温度值；r为房间的等效热阻；c为房间的等
效热容；η为电采暖设备的热转换效率，p为电采暖设备的电功率；k
t
为t时刻电采暖设备的启停状态，取值为1表示设备处于开启状态，取值为0表示设备处于关闭状态；t为仿真时刻，δt为仿真时间步长。6.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，基于均一化聚合模型的电采暖负荷集群控制模式，提出电采暖负荷群内部的“接力式”控制策略，电力调度中心下达增加/削减电采暖负荷且调控时长为t
control
的调度指令，在满足热舒适温度约束的前提下，可将电采暖负荷群内负荷分为具备调节能力和不具备调节能力两类，进一步的将具备调节能力的负荷分为两类：一类是可调控时长大于或等于t
control
的，另一类是可调控时长小于t
control
的；采用“接力”控制时，可以充分挖掘电采暖负荷群的调节潜力，将原本调控时长不满足要求的负荷纳入到调度中，通过负荷间的相互配合，可以实现电采暖负荷群在调控时间为t
control
时的调控容量提升δp
control
，可以增加/削减的电量提升δw
control
。7.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，接力式控制策略的流程图具体包括：首先设定电采暖负荷群内包含的负荷总数n，负荷功率p以及用户的等效热阻r、等效热容c，并对负荷群内的电采暖负荷进行编号(i＝1,2
……
,n)；采集每个电采暖负荷的室内初始温度和室外温度数据，利用建立的电采暖负荷热动态模型生成负荷运行的时序序列，并对负荷的调节能力进行评估，由于负荷群内的负荷功率可以看作近似相等，此处对调节能力的评估仍然为可调控时间；根据调度需求r和个体负荷的调节能力r进行判断是否进行接力控制，若调节能力r>r，则负荷群的调控容量增加p；对于调节能力r<r的负荷，可以采用上述的两种接力方式相互配合，从而满足调度要求，提升负荷群的可调容量；直至最后一个电采暖负荷完成采集数据和判断是否接力控制流程，控制过程结束，输出电采暖负荷群的调节能力以及可参与调度的负荷信息。8.根据权利要求1所述的一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法，其特征在于，综合控制时，首先给定电采暖供热功率与建筑物室内温度等初始条件，调度中心根据采集的分布式光伏功率信号和实时的电采暖负荷功率信号来确定某一时段的调度目标并将指标传送给电采暖聚合体；接收到指令的电采暖聚合体利用改变启停状态调整自身负荷，达到调度指令的要求后，将更新的标准用户电采暖负荷的室内温度和负荷信息返回给负荷聚合商，负荷聚合商再传回电力系统调度中心。9.一种系统，其特征在于，包括：第一模块：被配置为用于构建供热量与室内温度变化的时变关系，根据标准建筑物的热力学特性建立热动态模型，通过室内温度变化率映射暂态热平衡关系；建立冬季人体的热舒适温度，约束室内温度的变化范围；在以上基础上，评估启停控制的单体电采暖负荷的调节能力；第二模块：被配置为根据额定功率p、等效热阻r与等效热容c对电采暖负荷进行集群处理，提出电采暖负荷群的“接力式”控制策略；第三模块：被配置为基于建立的电采暖负荷聚合模型，以采集的分布式光伏发电功率与电采暖负荷功率信号作为反馈信号，对电采暖负荷功率的进行综合优化控制。
10.一种计算机介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述程序能够执行权利要求1至8任意一项所述方法步骤。

技术总结
本发明涉及一种实现光伏与电采暖负荷功率互补的源荷协同控制方法、系统及介质。首先构建供热量与室内温度变化的时变关系，建立热动态模型，通过室内温度变化率映射暂态热平衡关系，建立冬季人体的热舒适温度，约束室内温度的变化范围；评估启停控制的单体电采暖负荷的调节能力；然后根据额定功率、等效热阻与等效热容对电采暖负荷进行集群处理，提出电采暖负荷群的“接力式”控制策略；最后基于建立的电采暖负荷聚合模型，以采集的分布式光伏发电功率与电采暖负荷功率信号作为反馈信号，对电采暖负荷功率的进行综合优化控制。本发明实现了对单个电采暖负荷的准确建模，在保障用户供暖舒适度的前提下实现对电采暖负荷调节能力的量化评估。量化评估。量化评估。


技术研发人员：廖思阳 贺聪 王安琪 王晓乐 张长文 皮山泉 逄帅 江宸瑛 苏雯婕 肖宇婷 张博楠
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/9/13