[发明专利]一种基于需求响应的中央空调控制方法

摘要

本发明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。

主权项

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twi等于制冷机出水温度tco；(3)确定控制策略，即明确目标函数、控制变量和约束条件；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：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：要求n个控制周期内保证削减量最小的周期有最好的削减效果，目标函数为：③多台空调情况：经过控制之后负荷曲线最接近电网公司给出的目标负荷曲线，目标函数为：式中：PD为未受控的中央空调负荷；G(t)为电网公司给定的目标负荷曲线，D(t)为日负荷曲线；(3.2)明确控制变量控制变量包括室内温度送风温度ts、制冷机进水温度tci、制冷机出水温度tco、冷却水进水温度tni，设定控制时间间隔τ为5～10min，一个控制时间间隔内，控制变量不发生变化；(3.2)明确约束条件①室内干球温度约束：tNmin≤tN≤tNmax   (式26)②送风温度约束：tsmin≤ts≤tsmax   (式27)③制冷机进水温度约束tcimin≤tci≤tcimax   (式28)④制冷机出水温度约束tcomin≤tco≤tcomax   (式29)⑤冷却水进水温度约束：tnimin≤tni≤tnimax   (式30)⑥送风风量约束：mamin≤ma≤mamax   (式31)⑦变速冷冻水泵流量约束：mwmin≤mw≤mwmax   (式32)(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。