CN107101324B - 一种变频空调负荷群的一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频空调负荷群的一致性控制方法，如下：给出领导智能体变频空调的温度改变量并采用一致性算法将其传递给其他智能体变频空调；判断修改后的温度是否超过预设温度区间，若超过则将温度设为预设温度区间上限或下限，若未超过则直接设为修改后的温度；计算变频空调温度下应该保持的压缩机频率并得出其功率；计算变频空调群目标功率与实际功率的差值，若其绝对值小于允许误差值则结束，若其不小于允许误差值则根据该差值修正领导智能体变频空调的温度改变量并重复上述步骤。本发明提出的一种变频空调负荷群的一致性控制策略，充分考虑了变频空调的分布特性，保证了功率目标分配的公平性，丰富了变频空调群的控制方式。

Description

一种变频空调负荷群的一致性控制方法

技术领域

本发明涉及空调控制技术领域，特别是一种变频空调负荷群的一致性控制方法。

背景技术

随着社会经济以及空调设备技术的不断提高，变频空调凭借节能省电且降温迅速的设备特点，销量持续增长，其市场占有率甚至达到了60％。与此同时，由于空调的大量使用，夏季负荷峰谷差凸显，且对于变频空调的控制策略研究较少。变频空调虽然数量较多，但是分布较为分散，因此如何高效地对变频空调资源进行控制并达到需要的目标功率是本发明亟需解决的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其将空调温度改变量作为一致性变量，采用一致性算法将分布广泛的变频空调资源联系起来，提高了资源利用的经济性，更为充分地利用了变频空调资源。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，包括以下步骤：

步骤1、给定变频空调负荷群受控后预期达到的目标功率，给定变频空调负荷群的目标功率和实际功率的允许误差值；

步骤2、变频空调负荷群中的所有变频空调均有初始温度，给出作为领导智能体的变频空调的温度改变量；

步骤3、采用一致性算法将作为领导智能体的变频空调的温度改变量传递给其余变频空调，其余变频空调为非领导智能体；

步骤4、将各个变频空调的初始温度与温度改变量相加求得所有变频空调温度，判断各个变频空调温度是否在预设的温度区间[T_min,T_max]内，若不在预设的温度区间内则执行步骤5，若在预设的温度区间内则执行步骤6；

步骤5、变频空调温度大于预设的温度区间上限T_max则将变频空调温度设为温度区间上限T_max，变频空调温度小于预设温度区间下限T_min则将变频空调温度设为温度区间下限T_min；

步骤6、将变频空调负荷群中的所有变频空调温度值设为自身初始温度与接收到的温度改变量之和；

步骤7、计算各个变频空调在各自的温度下的压缩机频率，根据该计算出的压缩机频率对压缩机的频率进行修改；

步骤8、由各个变频空调的压缩机频率求得各个变频空调的功率；

步骤9、将各个变频空调的功率进行相加得出变频空调负荷群的实际功率，计算变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值；

步骤10、判断变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值的绝对值是否小于允许误差值，若不小于允许误差值则执行步骤11，若小于允许误差值则结束对变频空调负荷群的控制；

步骤11、根据变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值对作为领导智能体的变频空调的温度改变量进行修正，并重复执行步骤2至步骤10。

作为本发明所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法进一步优化方案，步骤3具体如下：

(1)根据各个变频空调之间的连接拓扑图形成邻接矩阵A；若存在n台变频空调，则邻接矩阵A应为一个n×n的矩阵，邻接矩阵中的元素为a(i,j)，其中，i,j＝1,...,n，对角线元素值均为0，非对角线的数值a(i,j)中的i≠j，非对角线的数值a(i,j)为第i个变频空调与第j个变频空调之间的连接边数；

(2)根据变频空调负荷群中各个变频空调之间的连接拓扑图形成的邻接矩阵A得到拉普拉斯矩阵L，L为一个n×n的矩阵，拉普拉斯矩阵中的元素为l(i,j)，

l(i,j)＝-a(i,j) (2)

(3)根据形成的拉普拉斯矩阵L形成行随机矩阵D，D为一个n×n的矩阵，行随机矩阵中的元素为d(i,j)，

(4)假设第k个变频空调作为领导智能体，1≤k≤n，在t时刻收到温度改变量ΔT_k后，t+1时刻传递到其余变频空调的温度改变量为：

ΔT_j(t)为t时刻第j台变频空调的温度改变量，公式(4)为作为非领导智能体的变频空调通过与直接连接的变频空调相互通信来确定自身的温度改变量。

作为本发明所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法进一步优化方案，步骤7中的各个变频空调在各自的温度下的压缩机频率计算过程为：

(1)制冷量与室温关系

采用一阶经典等效热参数模型建立变频空调制冷量与室温的联系，变频空调的工作状态是连续的，即一旦工作则不会存在停止运行状态，因此变频空调作用下的一阶经典等效热参数模型为：

其中，为t+1时刻的室内空气温度；为t+1时刻室外温度；为t时刻的变频空调制冷量；R为变频空调所处房间的等效热阻；C为变频空调所处房间的等效热容，e为自然底数，公式(5)即反映制冷量与室温的关系；

(2)变频空调制冷量与压缩机频率的关系

采用二次函数对压缩机频率与变频空调制冷量的关系进行描述，具体的函数表达式为：

其中，f_air为变频空调压缩机频率；a、b和c表示制冷量与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的变频空调类型有所不同，Q_air为变频空调制冷量；

(3)计算变频空调温度对应的压缩机频率

确定变频空调温度T_s下对应的变频压缩机频率应该了解室外温度T_out，并假设预设的一段时间内室外温度不随时间而变化，从而求得维持室内温度保持为变频空调温度所需的压缩机频率；因此针对式(5)中的各变量满足的关系为：

将式(7)和式(8)代入式(5)中得到：

将式(6)与式(9)结合得到：

其中，f_air即为在变频空调温度T_s下的压缩机频率。

作为本发明所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法进一步优化方案，步骤8中变频空调的功率计算为：

其中，P_air即为在变频空调温度为T_s且室外温度为T_out下的变频空调功率，m和n表示变频空调功率与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的变频空调类型有所不同。

作为本发明所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法进一步优化方案，步骤9中的变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值计算为：

其中，ΔP(t)为t时刻的变频空调群负荷群的目标功率与实际功率之间的差值，P_goal为变频空调负荷群的目标功率，为第i台变频空调t时刻的功率值。

作为本发明所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法进一步优化方案，步骤11中作为领导智能体的变频空调的温度改变量修正方法为：

其中，ΔT_i(t+1)为t+1时刻的变频空调的温度改变量，λ为修正系数，k代表作为领导智能体的变频空调序号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提供的方法，可实现对分布广泛、数量众多的变频空调的有效利用；各台变频空调作为一个智能体，通过与邻近智能体通信即可获取控制中心发出的控制指令，在本发明中即为变频空调温度改变量，从而改变自身运行状态，实现目标功率，而不需要每台变频空调均与控制中心直接相连，只需保证每台变频空调与控制中心直接有至少一条通路即可获取到控制中心发布的指令；

(2)通过本发明提供的一种变频空调负荷群的一致性控制方法可以有效降低控制变频空调群的成本，经济有效地利用变频空调资源并使得变频空调温度在预设的温度区间内，选择温度改变量作为一致性变量可以保证功率目标分配的公平性，使得实现目标功率时对各变频空调的影响程度相同。

附图说明

图1是本发明的变频空调负荷群的一致性控制方法总流程图。

图2为10台变频空调连接拓扑图。

图3为变频空调对应压缩机工况下室温变化过程。

图4为迭代过程中十台变频空调负荷群功率变化示意图。

图5为迭代过程中十台变频空调的温度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例按照本发明所述步骤进行：

一种变频空调负荷群的一致性控制策略，包括以下步骤(如图1所示是本发明的变频空调负荷群的一致性控制方法的总流程图)：

步骤1、给定变频空调负荷群受控后预期达到的目标功率，给定变频空调负荷群的目标功率和实际功率的允许误差值；

步骤2、变频空调负荷群中的所有变频空调均有初始温度，给出作为领导智能体的变频空调的温度改变量；

步骤3、采用一致性算法将作为领导智能体的变频空调的温度改变量传递给其余变频空调，其余变频空调为非领导智能体；

步骤4、将各个变频空调的初始温度与温度改变量相加求得所有变频空调温度，判断各个变频空调温度是否在预设的温度区间[T_min,T_max]内，若不在预设的温度区间内则执行步骤5，若在预设的温度区间内则执行步骤6；

步骤5、变频空调温度大于预设的温度区间上限T_max则将变频空调温度设为温度区间上限T_max，变频空调温度小于预设温度区间下限T_min则将变频空调温度设为温度区间下限T_min；

步骤6、将变频空调负荷群中的所有变频空调温度值设为自身初始温度与接收到的温度改变量之和；

步骤7、计算各个变频空调在各自的温度下的压缩机频率，根据该计算出的压缩机频率对压缩机的频率进行修改；

步骤8、由各个变频空调的压缩机频率求得各个变频空调的功率；

步骤9、将各个变频空调的功率进行相加得出变频空调负荷群的实际功率，计算变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值；

步骤10、判断变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值的绝对值是否小于允许误差值，若不小于允许误差值则执行步骤11，若小于允许误差值则结束对变频空调负荷群的控制；

步骤11、根据变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值对作为领导智能体的变频空调的温度改变量进行修正，并重复执行步骤2至步骤10。

下面进行具体介绍：

(1)步骤2中作为领导智能体的变频空调的温度改变量的设置为：

将变频空调负荷群中的每一个变频空调个体视为智能体，可以独立进行信息的接收传递、由温度的改变量获知自身压缩机需要设定的频率并能改变自身的压缩机频率。作为领导智能体的变频空调应有至少一条到达任意变频空调的通路，从而其余变频空调均能收到温度改变量的信息。对于领导智能体的温度改变量初值设为0。

具体的，变频空调群的初始温度均设为25℃，领导智能体变频空调以及非领导智能体空调的温度改变量均设为0摄氏度。

(2)步骤3中采用一致性算法传递领导智能体变频空调收到的温度改变量的具体过程为：

1)根据变频空调负荷群个体之间的连接拓扑图形成邻接矩阵A。若存在n台变频空调，则邻接矩阵A应为一个n×n的矩阵。邻接矩阵中的元素a(i,j)，其中i,j＝1,...,n，对角线元素值均为0。非对角线的数值a(i,j)，其中i≠j，为变频空调i与变频空调j之间的连接边数。对于一般有限简单拓扑图来说a(i,j)是一个0-1矩阵。

具体的，以十台变频空调为例，具体的连接拓扑图如图2所示，其中3号智能体为领导智能体。则由10台空调的连接拓扑图形成的邻接矩阵为10×10的一个矩阵，具体的表达式为:

2)根据变频空调负荷群个体之间的连接拓扑图形成的邻接矩阵A得到拉普拉斯矩阵L。L同样为一个n×n的矩阵，拉普拉斯矩阵中的元素l(i,j)，其中i,j＝1,...,n。

l(i,j)＝-a(i,j) (2)

具体的，根据图2连接拓扑图形成的拉普拉斯矩阵为：

3)根据形成的拉普拉斯矩阵L形成行随机矩阵D。D同样为一个n×n的矩阵，行随机矩阵中的元素d(i,j)，其中i,j＝1,...,n。

具体的，根据图2连接拓扑图形成的行随机矩阵为：

4)第k个领导智能体变频空调，1≤k≤n，在收到t时刻的温度改变量ΔT_k后，t+1时刻传递到非领导智能体变频空调的温度改变量为：

由于作为领导智能体的变频空调温度改变量ΔT_k需要由上级控制中心通过功率差值进行修正后才能确定，因此不适用于公式(4)。公式(4)的物理含义为作为非领导智能体的变频空调通过与直接连接的作为智能体的变频空调相互通信来确定自身的温度改变量，而不需要直接与作为领导智能体的变频空调通信。

(3)步骤5中的变频空调温度超过预设的温度区间的处理方式：

T_s＝T_max，T_s0+ΔT＞T_max (5)

T_s＝T_min，T_s0+ΔT＜T_min (6)

式(5)和式(6)中[T_min,T_max]为变频空调对应的预设的温度区间，T_s为变频空调当前温度，T_s0为初始温度，ΔT为当前接收到的温度改变量。

具体的，式(5)和式(6)中的参数设为：变频空调对应的预设的温度区间为[22,28]，T_s0为25℃。

(4)步骤6中的变频空调温度设为：

T_s＝T_s0+ΔT，T_min≤T_s0+ΔT≤T_max (7)

(5)步骤7中的变频空调压缩机频率计算过程为：

1)建立制冷量与室温关系

采用一阶经典等效热参数模型建立变频空调制冷量与室温的联系，变频空调的工作状态是连续的，即一旦工作则不会存在停止运行状态，因此变频空调作用下的一阶经典等效热参数模型为：

其中为t+1时刻的室内空气温度，℃；为t+1时刻室外温度，℃；为t时刻的变频空调制冷量，kW；R为变频空调所处房间的等效热阻，℃/kW；C为变频空调所处房间的等效热容，kWh/℃。

空调制冷量与功率的关系可以采用能效比来进行联系，具体的公式如下：

Q_air＝η_airP_air (9)

其中η_air为空调能效比；P_air为空调功率，kW。将公式(8)与公式(9)联系起来可得出变频空调功率与室温的关系。

2)建立空调功率、制冷量与压缩机频率的关系

对于压缩机频率与空调功率的关系采用一次函数对其进行描述，采用二次函数对压缩机频率与空调制冷量的关系进行描述，具体的函数表达式为：

P_air＝nf_air+m (10)

其中f_air为变频空调压缩机频率，Hz；m和n表示空调功率与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的空调类型有所不同；a、b和c表示制冷量与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的空调类型有所不同。

3)计算温度对应的变频空调压缩机频率

确定空调温度T_s下对应的变频压缩机频率应该了解室外温度T_out，并假设短时间内室外温度不随时间而变化，从而求得维持室内温度保持为空调温度所需的压缩机频率。因此针对式(8)中的各变量应该满足的关系为：

将式(12)和式(13)代入式(8)中可得：

将式(14)与式(11)结合可得：

式中f_air即为在变频空调温度T_s下的压缩机频率，变频空调在该频率下工作的意义在于：不管室温的初始状态如何，在长时间运行之后室温可以维持在变频空调温度T_s附近。

具体的，式(8)至式(15)中的参数设为：室外温度T_out为32℃，变频空调所处房间的等效热阻R在[4.0,4.1]的范围内随机产生，变频空调所处房间的等效热容C在[0.16,0.18]内随机产生，制冷量与压缩机频率的一次关系常数a、b、c分别在[-0.3×10^-3,-0.23×10^-3]、[0.050,0.055]、[0.2,0.25]范围内随机产生。假设室内温度初始值为26℃，变频空调的温度为25℃，则采用上述参数和式(15)可计算该情况下的压缩机频率，在求出的压缩机频率工况下室温的变化过程如图3所示。

(6)步骤8中的变频空调的功率计算为：

式中P_air即为在变频空调温度为T_s且室外温度为T_out下的变频空调功率。

具体的，式(16)中的参数设为：空调功率与压缩机频率的一次关系常数m、n在[0.05,0.06]、[0.015,0.018]范围内随机产生。

(7)步骤9中的变频空调负荷群目标功率与实际功率的差值计算为：

式中ΔP(t)为t时刻的变频空调群目标功率与实际功率之间的差值，P_goal为变频空调群的目标功率，为第i台变频空调t时刻的变频空调功率值。

具体的，式(17)中目标功率P_goal设为3kW。

(8)步骤11中的领导智能体变频空调温度改变量修正方法为：

式中ΔT_i(t+1)为t+1时刻的变频空调温度改变量，λ为修正系数，根据现实情况可进行调节设定，k代表对应领导智能体的变频空调序号。

具体地，目标功率与实际功率间差值ΔP的判断允许误差值为0.05kW，λ设为0.1，考虑到实际的通讯速度，在进行离散次数的迭代中设定每次迭代所需要的时间为0.01s，图4和图5为本策略具体实施效果，其中图4为在迭代过程中十台变频空调的总体功率变化示意图。从图中可以看出在接近3s的时间里变频空调群从初始功率值到达了目标功率，反应速度还是相对较快的，可以满足速度要求不是特别高的功率调节任务。图5为在迭代过程中十台变频空调的温度变化量示意图。从图中可以看出，十台变频空调的温度改变量趋于一致，并且变频空调温度均未超出预设的温度区间，在实现功率调节目标的同时保证了任务分配的公平性，即对各变频空调的影响相对统一。由此可以看出，本发明给出的变频空调负荷群的一致性控制策略能很好地保证目标功率任务分配的公平性，有效地将分布广泛的变频空调资源结合起来，无须将每台变频空调都与领导智能体变频空调相连，从而高效公平地实现目标功率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、给定变频空调负荷群受控后预期达到的目标功率，给定变频空调负荷群的目标功率和实际功率的允许误差值；

步骤2、变频空调负荷群中的所有变频空调均有初始温度，给出作为领导智能体的变频空调的温度改变量；

步骤3、采用一致性算法将作为领导智能体的变频空调的温度改变量传递给其余变频空调，其余变频空调为非领导智能体；

步骤4、将各个变频空调的初始温度与温度改变量相加求得所有变频空调温度，判断各个变频空调温度是否在预设的温度区间[T_min,T_max]内，若不在预设的温度区间内则执行步骤5，若在预设的温度区间内则执行步骤6；

步骤5、变频空调温度大于预设的温度区间上限T_max则将变频空调温度设为温度区间上限T_max，变频空调温度小于预设温度区间下限T_min则将变频空调温度设为温度区间下限T_min；

步骤6、将变频空调负荷群中的所有变频空调温度值设为自身初始温度与接收到的温度改变量之和；

步骤7、计算各个变频空调在各自的温度下的压缩机频率，根据该计算出的压缩机频率对压缩机的频率进行修改；

步骤8、由各个变频空调的压缩机频率求得各个变频空调的功率；

步骤9、将各个变频空调的功率进行相加得出变频空调负荷群的实际功率，计算变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值；

步骤10、判断变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值的绝对值是否小于允许误差值，若不小于允许误差值则执行步骤11，若小于允许误差值则结束对变频空调负荷群的控制；

步骤11、根据变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值对作为领导智能体的变频空调的温度改变量进行修正，并重复执行步骤2至步骤10。

2.根据权利要求1所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，步骤3具体如下：

(1)根据各个变频空调之间的连接拓扑图形成邻接矩阵A；若存在n台变频空调，则邻接矩阵A应为一个n×n的矩阵，邻接矩阵中的元素为a(i,j)，其中，i,j＝1,...,n，对角线元素值均为0，非对角线的数值a(i,j)中的i≠j，非对角线的数值a(i,j)为第i个变频空调与第j个变频空调之间的连接边数；

(2)根据变频空调负荷群中各个变频空调之间的连接拓扑图形成的邻接矩阵A得到拉普拉斯矩阵L，L为一个n×n的矩阵，拉普拉斯矩阵中的元素为l(i,j)，

l(i,j)＝-a(i,j) (2)

(3)根据形成的拉普拉斯矩阵L形成行随机矩阵D，D为一个n×n的矩阵，行随机矩阵中的元素为d(i,j)，

(4)假设第k个变频空调作为领导智能体，1≤k≤n，在t时刻收到温度改变量ΔT_k后，t+1时刻传递到其余变频空调的温度改变量为：

ΔT_j(t)为t时刻第j台变频空调的温度改变量，公式(4)为作为非领导智能体的变频空调通过与直接连接的变频空调相互通信来确定自身的温度改变量。

3.根据权利要求1所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，步骤7中的各个变频空调在各自的温度下的压缩机频率计算过程为：

(1)制冷量与室温关系

采用一阶经典等效热参数模型建立变频空调制冷量与室温的联系，变频空调的工作状态是连续的，即一旦工作则不会存在停止运行状态，因此变频空调作用下的一阶经典等效热参数模型为：

其中，为t+1时刻的室内空气温度；为t+1时刻室外温度；为t时刻的变频空调制冷量；R为变频空调所处房间的等效热阻；C为变频空调所处房间的等效热容，e为自然底数，公式(5)即反映制冷量与室温的关系；

(2)变频空调制冷量与压缩机频率的关系

采用二次函数对压缩机频率与变频空调制冷量的关系进行描述，具体的函数表达式为：

其中，f_air为变频空调压缩机频率；a、b和c表示制冷量与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的变频空调类型有所不同，Q_air为变频空调制冷量；

(3)计算变频空调温度对应的压缩机频率

确定变频空调温度T_s下对应的变频压缩机频率应该了解室外温度T_out，并假设预设的一段时间内室外温度不随时间而变化，从而求得维持室内温度保持为变频空调温度所需的压缩机频率；因此针对式(5)中的各变量满足的关系为：

将式(7)和式(8)代入式(5)中得到：

将式(6)与式(9)结合得到：

其中，f_air即为在变频空调温度T_s下的压缩机频率。

4.根据权利要求3所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，步骤8中变频空调的功率计算为：

其中，P_air即为在变频空调温度为T_s且室外温度为T_out下的变频空调功率，m和n表示变频空调功率与压缩机频率的一次关系常数，其值随着不同的变频空调类型有所不同。

5.根据权利要求1所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，步骤9中的变频空调负荷群的目标功率与实际功率的差值计算为：

其中，ΔP(t)为t时刻的变频空调群负荷群的目标功率与实际功率之间的差值，P_goal为变频空调负荷群的目标功率，为第i台变频空调t时刻的功率值。

6.根据权利要求5所述的一种变频空调负荷群的一致性控制方法，其特征在于，步骤11中作为领导智能体的变频空调的温度改变量修正方法为：

其中，ΔT_i(t+1)为t+1时刻的变频空调的温度改变量，λ为修正系数，k代表作为领导智能体的变频空调序号。