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包括需求响应和间歇性可再生能源在内的智能微电网的优化规划
S. M. Hakimi and S. M. Moghaddas-Tafreshi
摘要
加热/冷却系统在建筑能源和舒适性管理中发挥了重要作用。过去十年来，关于将加热/冷却系统集成到智能电网基础设施方面进行了深入讨论，但控制智能电网中加热/冷却系统的运行并没有得到很好的解决。这项研究调查了适用于加热/冷却系统的新型主动控制器在智能电网背景下可再生能源的高渗透率。所提出的控制器通过响应内部设定点和外部信号的组合来操作（例如可用性的可再生能源资源和客户的福利）。加热/冷却系统管理将模拟智能微电网的整体成本，智能微电网单元的大小以及通过优化过程从配电网导入的能量降至最低。同时最大限度地提高智能微电网的可靠性。演示结果证实了所提出的加热/冷却系统控制器在智能微电网规划上的能力。
关键词：主动控制器，加热/冷却系统，可再生能源，智能微电网。
1．导言
今天在大多数电力系统运行技术中，发电量被控制以提供预测的网络负荷。 负荷的直接控制是很少见的，除了在高峰期可用的发电量不足的情况，此时可通过需求响应计划减少负荷。总体方法是控制或调度发电以跟踪负荷。
随着更多的可再生能源被添加到电网中，负载跟踪策略变得更加复杂[1]。在微电网中，间歇性可再生能源（如风能和太阳能）不能通过适当的保证进行调度和预测。太阳能发电可能由于云层过度而迅速改变。随着日常的快速变化，风能每天都有不同的模式。因此，可再生能源发电容量的增加必须伴随着诸如峰值燃气轮机等传统能源的增加[1]。随着越来越多的间歇性可再生能源发电，剩余的可调度发电能力将越来越复杂，以提供所需的服务和快速增长，以确保发电能够承受负荷。幸运的是，智能电网带来了一个新的机会，它利用负载的直接控制[2]。由于通常情况下，生成的可分派性较差，因此可以通过使负载更易调度来进行补偿。需求调度和需求响应的相似之处在于需求响应也涉及开启或关闭负载。尽管如此，不像需求响应那样不频繁地使用，通常用于高峰需求期间的卸载目的，需求调度计划在任何时候都被热烈地使用，并入到电网运行的服务中[3]。它被称为需求调度 这是由于负载实时发送的事实，就像今天的电网发电一样。打开负载或提高电网的需求量会降低电网的功率平衡，从而产生类似的结果。 以同样的方式，关闭负载与增加世代的结果相同。在需求调度下，负载变成了下一代[1]。
在所有建筑物服务和电器中，加热/冷却系统消耗的能源的比例最高[4]。因此，加热/冷却系统的有效需求调度可以在创建功率平衡中发挥重要作用。
在本文中，模拟智能微电网包含风力涡轮机，太阳能电池板，燃料电池，电解器和智能加热/冷却系统。加热/冷却系统被认为是一种灵活的负载，可以通过可再生能源发电来加以控制，因为它可以增加可再生能源的渗透率，从而降低智能微电网的总成本。这个智能微电网连接到配电网络。因此，微电网可以将其剩余电力出售给连接的配电网运营商，并在需要时从其购买短缺电力。
微电网的概念最初由美国电力可靠性技术解决方案联盟（CERTS）提出; 它是一种具有广泛发展前景的新型分布式发电网络结构[5]。 微电网包括具有分布式能源，存储设备和可控负载的低压配电系统，这些系统可以独立运行或以受控，协调的方式连接到主电网[6]。参考文献[7]中的作者介绍了微电网的优点，如增强本地可靠性，降低馈线损耗和本地电压支持，通过使用余热作为热电联供，电压骤降修正或提供 不间断电源功能。微电网，可再生能源等分布式发电的稳步发展为能源利用提供了新的机遇。
参考文献[8]表明，HVAC负载提供的小时内负载均衡服务满足性能要求，并且可以成为负载服务实体的主要收入来源，其中双向通信智能电网基础设施允许对HVAC进行直接负载控制负载。参考文献[9]评估了集中式负载控制器的性能，该控制器旨在使用空调（A/C）单元在制冷模式下提供小时内负载均衡服务。参考文献[10]提供了一种优化算法来管理由具有恒温控制装置的大量消费者组成的虚拟发电厂。参考文献[11]提出了具有智能电网功能的智能住宅空调（A/C）系统控制器。参考文献[12]研究智能能源管理系统在智能家居中的需求响应，旨在根据日前电价和室外温度预测找到最佳的空调温度调度。
以前关于舒适度和能量管理问题的研究主要集中在大量建筑物环境中，许多居住者[13-16]。 正如参考文献[17]Dounis和Caraiscos在2009年所做的调查所详述的那样，这些研究不仅考虑供暖和制冷系统，还考虑其他建筑设计特征，如窗户放置，窗户遮阳，机械通风系统和照明系统。 符合ASHRAE标准[18]，这些研究中乘员的舒适度通常是一个复杂的多方面概念，包括热舒适度，视觉舒适度和室内空气质量。这些研究包括模糊控制器[19]，模糊自适应控制器[15][20]和神经网络控制器[21]。
近年来，人们对家庭先进计量基础设施的兴趣不断增加，这促使研究人员更加关注住宅房主的能源使用选择[22]。例如，罗杰斯等人提出的一个不考虑价格信号的住宅需求模型[23]。 Guttromson等人的文献[24]和Chassin等人的文献[25]侧重于对受内部和外部国家条件制约的价格敏感住宅需求建模。后一项研究由奥运半岛试点项目进行[26]。然而，这些研究中的住宅能源需求是通过预先规定的行为规则来模拟的，而不是解决住宅优化问题的方法。最近的研究已经提出了住宅空调控制问题的一个优化问题。然而，目前的工作已经试图在不同的电价下将热不适和能源使用的组合降到最低[27]-[32]。
本文的贡献如下：
1）在假设的智能微电网中，间歇性可再生能源发电的渗透率很高，因此发电量较少。在这项研究中，提出了一种新方法，通过使负载更易调度来匹配负载和发电。以往的研究可以扩展到调查高可再生能源渗透系统中柔性负载的价值。
2）在以前的工程中，已经提出了调峰调度，基于消耗曲线和电费的可控负荷替代方案，用于负荷管理。目前的研究已经引入了一种管理柔性负载的方法，利用它们的消费曲线，发电方条件和消费者的福利同时进行。
3）最近关于加热/冷却系统管理的论文只考虑了短时间研究。为了提供更全面的研究，本文研究较长时期的加热/冷却管理。拟议管理方法的经济和系统影响可用于住宅综合体的能源规划。
2. 主动控制器
在智能微电网中，代表功率过剩的信号Psurplus由本地控制器生成，并通过通信系统发送给所有最终用户主动控制器。电力盈余是智能微电网可再生能源发电量与负荷曲线的差距。理想情况下，剩余功率信号将发送到最终用户或家庭能源管理（HEM）系统的计量系统，然后将这些信息转发给位于住宅内的主动控制器。剩余功率信号表示在给定时间段内可再生能源的可用性。除剩余功率信号外，剩余功率信号的滚动24小时平均值，和剩余功率的滚动24小时标准偏差）传送给主动控制器。包含提到的三个信号允许比较过去24小时的功率信号。为了使最终使用的住宅负载响应接收到的信号，有必要使主动控制器就位。
图1.冷却系统的主动控制器
本节将检查针对主动控制器的建议解决方案。主动控制器通过响应内部设定点和来自本地控制实体的外部信号的组合来操作。尽管主动控制器可以连接到大多数最终用户负载，但本文研究了住宅供热/制冷系统。
A.冷却模式
剩余功率信号，和，作为附加信息传输给控制器，可以在HEM上进行最终使用。 当剩余功率信号等于24小时平均值时，主动控制器将设定实际温度设定点。 当剩余功率信号与24小时平均值不相等时，将被移出。 如果剩余功率信号低于24小时平均值，控制器将移动实际冷却设定点，高于所需的温度设定点，最大允许温度不会超过。
另一方面，当剩余功率信号高于24小时平均值时，控制器将降低实际冷却设定值，低于所需温度，最小值为。 理想和实际设定点之间的差异由决定。 任何的为正值表示实际设定值高于所需设定值。 实际上，当剩余功率信号低于平均值时，冷却系统允许温度设定点增加。 相反，任何的为负值表示控制器已将实际设定点移动到低于所需设定点。 实际上，由于剩余功率信号高于平均值，因此冷却系统先发制人地继续冷却温度。
虽然和都用于概念和信息的目的，主动控制器将基于。 由于是过去24小时当前的剩余电量和平均剩余电量的函数，并且和是运行冗余值。 在图1中可以看到和温度设定点之间的相关性的图形表示。
从图1可以看出和具有不同的值，表明加热和冷却响应的不同最终使用偏好。 例如，客户可能愿意让他们的房屋温度升高到所需的冷却设定点以上，但他们不愿意让温度降低到冷却设定点以下。 另外，并且和不需要围绕期望的温度设定点对称。 主动控制器的实际温度设定点由（1）式确定并且受到（2）式的约束。 ，,24小时平均剩余功率和由（3） -（6）式确定。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
为了确定在任何给定时间的的实际值，最初有必要确定当前剩余功率信号是高于还是低于24小时平均值。 这将通过符号而被知晓。 对于住宅冷却系统，正值表示当前剩余功率低于24小时平均值，负号表示高于平均值。 假设一个零值不会产生任何值，那么由式给出的冷却系统的值，当由式（7）给出，当由式（8）给出。
（7）
（8）
图1和（9）和（10）的关键观察结果是没有绝对剩余功率值或温度设定点。主动控制器操作以基于剩余功率信号的标准偏差来调整实际温度设定点和内部设定点，这表明最终用户愿意将冷却设定点调整到所需的值。
图2.加热系统的主动控制器
另外，绝对温度设定点意味着当最终用户改变他们想要的温度设定点时，控制器将不具有提供需求响应的灵活性。 能够在不同的剩余功率水平下运行的灵活性对于设计用于在可再生能源的高渗透率的智能微电网中的住宅应用而言是必不可少的。
B.加热模式
如果剩余功率信号高于24小时平均值，则控制器将倾向于将实际加热设定点移动到高于期望的温度设定点，但是不会超过。相反，当剩余功率信号低于24小时平均值时，控制器将倾向于将实际加热设定点移动到低于所需温度，但不会超过。对于在加热系统上运行的主动控制器，指示实际设定点高于所需设定点。实际上，由于剩余功率信号高于平均值，加热系统允许温度设定点增加。 相反，表示控制器已将实际设定点移动到低于所需设定点。 实际上，由于剩余功率信号低于平均值，加热系统预先加热。
和温度设定点之间的相关性的图形表示可以在图2中看到。主动控制器的实际温度设定点由（1）确定，并受（2）的约束。
在加热模式下和计算如下：
（11）
（12）
对于住宅供热系统，正值表示当前剩余功率高于24小时平均值，负值表示下降。然后，假设为0产生为0，则加热系统的值当由（7）给出，由（8）给出。
当时，，实际温度设定点由（9）确定，当时，，当实际温度设定点由（10）给出。
3.确定加热/冷却系统的功耗
根据上节提出的方法，室内温度变化计算如下：
（13）
其中是时间i的实际温度，并且是时间i-1处的实际温度。 加热/冷却系统应提供温度变化。
为了满足指定温度的偏差，应该建立公式（14）。
(14)
是通过墙壁，窗户和天花板表面的室内和室外环境之间的热损耗以及内部负载的总和。
等式（14）可以重写如下：
(15)
加热/冷却效率通常由季节能效比（SEER）评定。 单位的SEER等级是在典型的制冷（加热）季节期间的制冷/制冷输出除以同期输入的总电能。单位的SEER等级越高，能效越高[32]。
等式（15）可以被重写如下：
（16）
(17)
时间i时加热/冷却系统的功耗，t是时间间隔（本研究中为1小时）。
1）用于冷却系统：评估冷却负载时必须考虑以下参数[18]：
1）通过外墙，屋顶和玻璃的太阳能和传输热量。
2）通风或渗透导致的热量增加。
3）通过内部分区获得热量。
4）内部负载，包括来自设备，照明和居住者的散热。
冷负荷是辐射，传导，对流和内部负荷的总和。辐射与建筑物吸收的日照和太阳能有关。 传导负载计算为加热，但通过冷却数据计算。 对流负荷包括加热时的显着负荷和下式所渗透空气的潜在负荷[18]。
(18)
潜热负荷（W），CMH（立方米每小时）是渗透空气流量（m3 /小时），0.82是潜热因子（海平面），是空间内外空气湿度差 (gr/kg干燥空气）。
内部负载包括设备，人员和灯的散热。
传导加热负荷由（19）[18]计算：
(19)
传导加热负
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