一種實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管理方法，首先將能量調(diào)度周期均分為多個時間段，用于模擬實時電價，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型；其次考慮用戶舒適度偏好，在保證用戶舒適度得到滿足的前提下確定系統(tǒng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)及約束條件；然后構(gòu)建計及不確定性的實時電價模型、太陽能輻射模型和室外溫度模型，采用蒙特卡洛仿真方法建立體現(xiàn)上述不確定性的大規(guī)模隨機(jī)場景；最后采用場景削減技術(shù)排除低概率場景和聚類概率相當(dāng)?shù)膱鼍?，并針對每個場景采用兩級隨機(jī)規(guī)劃方法對該場景中每一時間段的用電優(yōu)化問題進(jìn)行滾動求解。本發(fā)明方法適用于實時電價環(huán)境下家庭用能系統(tǒng)的能量管理。
【專利說明】
一種實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭 能量管理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的 太陽能輔助家庭能量管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 家用設(shè)備的能量管理已經(jīng)在過去幾年成為重要的研究熱點，其研究工作主要以數(shù) 學(xué)建模和方法求解為主。
[0003] 大多數(shù)工作研究了固定電價模型下的負(fù)荷控制問題，固定電價即供電單位制定了 不同時段的電量使用門檻值，并將該值傳達(dá)給終端用戶以幫助用戶實現(xiàn)負(fù)荷調(diào)度，終端用 戶側(cè)根據(jù)事先定義的不同設(shè)備的優(yōu)先級來下達(dá)調(diào)度決策，因此期間并沒有考慮實時電價的 不確定性、室外溫度對用能系統(tǒng)中供暖部分的影響以及不同類型的負(fù)荷需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的家用設(shè)備的能量管理方法無法降低電費成本。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種實時電價環(huán)境下計及多種 不確定因素的太陽能輔助家庭能量管理方法，該方法包括以下步驟：
[0006] 步驟1:將一天24小時作為一個能量調(diào)度周期，并將其均分為96個時間段，為每個 時間段分配一個電價值，用于模擬實時電價，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建太陽能輔助家庭用能系統(tǒng) 模型，該模型中電量成本信息為各時間段電價值與各時段用電量及各時間段的時間長度的 乘積；
[0007] 步驟2:考慮用戶體感溫度舒適度偏好，在保證家庭室內(nèi)溫度滿足用戶體感舒適度 的前提下確定系統(tǒng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，所述優(yōu)化目標(biāo)即將用電成本降到最低；
[0008] 步驟3:構(gòu)建計及不確定性的實時電價模型、太陽能輻射模型和室外溫度模型，采 用蒙特卡洛仿真方法建立體現(xiàn)上述不確定性的大規(guī)模隨機(jī)場景；
[0009] 步驟4:采用場景削減技術(shù)排除低概率場景和聚類概率相當(dāng)?shù)膱鼍?，并針對每個場 景采用兩級隨機(jī)規(guī)劃方法對該場景中每一時間段的用電優(yōu)化問題進(jìn)行滾動求解。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟1中，太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型包括太陽能光伏光熱一體 機(jī)、蓄電池、蓄熱水箱、輔助加熱器以及四類可控負(fù)荷；
[0011] 可控負(fù)荷包括HVAC系統(tǒng)、可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷不可 延遲負(fù)荷;定義A為所有可控設(shè)備的集合，&代表HVAC，A 2表示可間斷可延遲負(fù)荷，A3表示不 可間斷可延遲負(fù)荷，A4表示不可間斷不可延遲負(fù)荷，則A=Ai U A2 U A3 U A4。
[0012] 所述太陽能光伏光熱一體機(jī)包括發(fā)電組件和集熱組件，發(fā)電組件利用光電轉(zhuǎn)換將 太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并存儲到蓄電池中；集熱組件收集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為蓄熱水箱的熱 能；
[0013] 設(shè)場景s下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的集熱功率拉次：
[0014] ;
[0015] /7^1 = η.\ - α 0-,, Τ^,)
[0016] ? ?(1.505/G)
[0017] 其中和表不場景s中太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的轉(zhuǎn)換效率，Asi為太陽能光 伏光熱一體機(jī)集熱部分的面積;//、&'，和分別為場景s下時段t的太陽輻射值、集熱器溫 度和室外溫度值;W為太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的初始效率，G為太陽常數(shù)；
[0018] 場景s下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的發(fā)電功率為：
[0019] i?L,( =
[0020] 其中?表不場景s中太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā)電部分的轉(zhuǎn)換效率iAsie為太陽能 光伏光熱一體機(jī)發(fā)電部分的光伏板面積；
[0021] 所述蓄熱水箱從太陽能光伏光熱一體機(jī)和輔助加熱器吸收能量，并將能量供給 HVAC系統(tǒng)，以滿足用戶的熱水需求;場景s中時刻t時的水箱溫度在區(qū)間τ上的離散形式 表示為：
[0023] 其中Uwt為由于水箱熱輻射產(chǎn)生的熱損失因子;Awt為水箱熱損失相關(guān)的周圍面積； Cwt為水箱的儲熱容量；巧Μ、?；〗分別為場景s中時刻t時的水箱溫度和室內(nèi)溫度; 分別為場景s中時刻t時的加熱器功率、太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱功率、熱水的 能量需求和HVAC系統(tǒng)從儲熱水箱中獲得的熱量；
[0024] 場景s中時刻t時水箱的水溫約束為：
[0025] < ?；；：ι, < 7；Γ
[0026] 其中7:χ和Γ:ιη分別為水箱水溫規(guī)定的上下限；
[0027] 所述輔助加熱器為后備熱源;該輔助加熱器場景s中時刻t時的功率消耗約束條件 為：
[0028] ^ ^
[0029] 為場景s中時刻t時加熱器的開關(guān)狀態(tài)變量;和^Γ1分別為加熱器的最小、最 大輸出功率；
[0030] 所述HVAC系統(tǒng)即暖通空調(diào)，其運行要求為當(dāng)室內(nèi)有人員活動時，在運行時間段 [a_，i3_C]維持室內(nèi)溫度在預(yù)定范圍內(nèi)[?T in，raXl·即滿足：
[0031] Τ^<Γ：<Τ-，^[αΙ?ΛΛ,,//|?Λν(]
[0032] 其中巧為場景s中時亥Ijt時的室內(nèi)溫度;其場景s的離散形式為：
[0034]其中Ra為房間的等效熱阻;Cr為房間的熱容量;為太陽輻射透過窗戶的效率;A w 房間有效窗戶面積;σ取1時表示制冷模式，取-1時表示制熱模式;％、巧、4分別為場景s 中時刻t時的室內(nèi)溫度、室外溫度及HVAC對室內(nèi)的熱傳遞量；
[0035] 上式表明每個時間段的室內(nèi)溫度t之間都存在內(nèi)在聯(lián)系，并且I；值依賴于HVAC的 熱傳遞量、室外溫度?：、太陽輻射量
[0036] 當(dāng)傳熱為pu, t時，HVAC需要消耗功率pHAVC;所傳熱pu, t與消耗的電能之間的比例用 HAVC 的 C0P 值表示，即 C0P = pu,t/pHAVC;
[0037] 定義⑶Pa和⑶P。分別為系統(tǒng)獨立運行時和配備了儲熱設(shè)備聯(lián)合運行時的⑶P;當(dāng) HVAC系統(tǒng)工作在獨立運行模式時，pu = C0PapHVAe;當(dāng)HVAC系統(tǒng)工作在聯(lián)合運行模式時，其所 需的一部分能量來源于儲熱水箱，可表示為：
[0038] pu = COPa ( PHVAC+Psh ) = COPcPHVAC
[0039] 因此，HVAC系統(tǒng)的約束條件為：
[0040] p：, = COPup^AVj + COPt,p^ACJ
[0041 ] UHVAC,t + ^HVAC.r -].
[0042] liHVAC,rPHVAC ~ PHVAC.t ~ UHVACjPhVAC
[0043] MHVAC,i-PHVAC - -Phvac,； - hhvac,^hvac
[0044] 其中八L、尸以ACV、/Cacv、》二吻和》:1〇分別為場景8中時刻七時!^(：系統(tǒng)從儲熱 水箱中獲得的熱量、獨立運行和聯(lián)合運行時HVAC消耗的功率、獨立運行和聯(lián)合運行時HVAC 的啟?？刂谱兞?、/C?:分別代表HVAC的上下限功率值；
[0045] 場景s中時刻t時的HVAC系統(tǒng)的電量消耗可表示為：
[0046] Aivacv -尸hvacv + Phvacv
[0047] 儲熱水箱提供的能量為：
[0049] 在一個單位時間間隔中太陽能輔助HVAC-熱水系統(tǒng)的電量總消耗來自于水箱的輔 助加熱器的電量消耗與HVAC的電量消耗，即。
[0050] 進(jìn)一步的，所述步驟2中的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：
[0052]其中03表示場景s的概率，用于計算整個調(diào)度周期的預(yù)期成本，凡表示負(fù)荷i在時 間段to的電量消耗，氣表示to時的電價，;^表示場景s下時間段t時的電量消耗，< 表示場景s 中時間段t時的電價，τ為單個時間段時長，NS為場景總數(shù)，N為總時間段個數(shù)，即96個；
[0053]所述約束條件包括太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā)電功率和集熱功率約束、太陽能光伏 光熱一體機(jī)發(fā)電效率和集熱效率約束、蓄熱水箱水溫約束、HVAC制冷/制熱溫度約束、室溫 約束、HVAC上下限功率約束、HVAC工作模式約束、HVAC電量消耗約束、公共耦合點功率約束、 能量調(diào)度周期總電能消耗約束、設(shè)備關(guān)停次數(shù)約束、可中斷可延遲負(fù)荷約束、不可中斷可延 遲負(fù)荷約束、不可中斷不可延遲負(fù)荷約束；
[0055] 其中巧α,,是場景s中時刻t的不可控負(fù)荷的總功率消耗；C為電網(wǎng)交換功率極限 值；

[0056] 所述能量調(diào)度周期總電能消耗約束：
[0057] 其中￡7"為每小時S的能量消耗的限制;K表示每小時中時間間隔的數(shù)量；
[0058] 所述設(shè)備關(guān)停次數(shù)約束：
[0059] 其中為負(fù)荷設(shè)備i在場景s中時刻t時工作狀態(tài);為負(fù)荷設(shè)備i在場景s中時刻 t時為開啟狀態(tài);Zi,t為負(fù)荷設(shè)備在場景s中時刻t為關(guān)停狀態(tài);U表示負(fù)荷設(shè)備i改變狀態(tài)的 最大次數(shù);cti、&分別為負(fù)荷i的運行起始和終止時間；
[0060] 所述可中斷可延遲負(fù)荷約束：%+1二私+1AV法廣 < 私
[0061] 其中乓,/?，表示β?時刻負(fù)荷i存儲的能量;Eid表示負(fù)荷i的充電需求;b表示充電效 率；五_(-表示負(fù)荷i所需能量( kwh)的下（上)限值，巧表示場景s中時間t時負(fù)荷i的存儲 能量；
[0063]其中出表示負(fù)荷i運行的時間段數(shù)量，< 為場景s中時刻t時負(fù)荷i的開關(guān)狀態(tài)變 量；
[0065] 4.進(jìn)一步的，所述步驟3中，所述實時電價模型如下：
[0066] 時刻t時的電價可表不為:=1 +Λ·,
[0067] 其中ζ表示前一天的電價值或估計值，可由聚合器提供或由嵌入到家庭能量管理系 統(tǒng)的電價估計算法得到;\表示由已知的概率密度函數(shù)(pdf)得到的電價預(yù)測誤差;分析歷史實
時電價數(shù)據(jù)，電價的預(yù)測誤差服從柯西分布，其概率密度函數(shù)為：
[0068] 其中參數(shù)ax為分布峰值位置的位置參數(shù)，參數(shù)h為最大值一半處的一半寬度的尺 度參數(shù);adPlu可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。
[0069] 所述太陽能輻射模型中的太陽輻射值服從貝塔分布，分析歷史太陽輻射數(shù)據(jù)得 到：
[0071]其中adPb:分別為貝塔分布的相關(guān)參數(shù)，可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn) 行曲線擬合計算得到；Ιο為初始時刻太陽福射值；
[0072] 所述室外溫度模型如下：
[0073] 場景s中時刻t時的室外溫度表示為= +<
[0074] 其中L表示室外溫度的預(yù)測值，~,,表示室外溫度的不確定部分，服從高斯分 布：
[0076] 其中σΝ、μ分別為高斯分布的位置參數(shù)和幅度參數(shù)；
[0077] 然后采取蒙特卡洛抽樣方法產(chǎn)生能夠體現(xiàn)上述不確定性因素的不同場景;所述不 確定因素包括電價預(yù)測誤差，太陽輻射值，室外溫度和不可控負(fù)荷的功率消耗;所說場景數(shù) 量在一千以上。
[0078] 進(jìn)一步的，所述步驟4中，對下述每一時刻to的滾動優(yōu)化問題進(jìn)行重復(fù)計算的公式 如下：
[0080] 其中^表示場景s的概率，用于計算整個調(diào)度周期的預(yù)期成本，# 〃。表示負(fù)荷i在時 間段to的電量消耗，S表示to時的電價，成表示場景s下時間段t時的電量消耗，< 表示場景 s中時間段t時的電價，τ為單個時間段時長，NS為場景總數(shù)，N為總時間段個數(shù)，即96個。
[0081] 本發(fā)明的優(yōu)點是：（1)和現(xiàn)有的家庭用能系統(tǒng)能量管理方法相比，本發(fā)明提出的方 法中突出考慮了用戶對體感溫度舒適度的要求，并以此為前提優(yōu)化能量調(diào)度，規(guī)劃家庭負(fù) 荷的使用。（2)和現(xiàn)有的家庭用能系統(tǒng)的能量管理方法相比，本發(fā)明提出的方法適用于實時 電價環(huán)境，并且計及多種不確定因素，包括電價不確定性、太陽輻射量不確定性及室外溫度 不確定性，因而提出的能量調(diào)度管理方法在實時電價環(huán)境下更具實用性和準(zhǔn)確性。（3)和現(xiàn) 有的家庭用能系統(tǒng)的能量管理方法相比，本發(fā)明提出的方法中考慮的負(fù)荷類型更為全面， 針對可實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的可控負(fù)荷類型，又按是否可延遲性，是否可中斷性特性進(jìn)行更細(xì)致 的負(fù)荷劃分，并以此為依據(jù)進(jìn)行不同類型負(fù)荷的優(yōu)化控制。
【附圖說明】
[0082]圖1為本發(fā)明方法流程圖。
[0083]圖2為本發(fā)明提供的太陽能輔助家庭能量管理系統(tǒng)中HVAC-熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 圖。
【具體實施方式】
[0084]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0085]如圖1-2所示，本發(fā)明提出了一種實時電價環(huán)境下的太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)的 能量調(diào)度管理方法。其中該用能系統(tǒng)包括太陽能輔助HVAC系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。在保證用戶體 感舒適度的前提下，能量調(diào)度管理方法選擇電費總值最低為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮了不同性質(zhì) 的多種負(fù)荷和電價、太陽輻射值的不確定性，對系統(tǒng)熱動態(tài)特性進(jìn)行精細(xì)化建模。對實時電 價環(huán)境下家庭用能系統(tǒng)的能量管理提供一定的指導(dǎo)意見。
[0086] 本實施例的主要思路是，首先將能量調(diào)度周期均分為多個時間段，用于模擬實時 電價，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型;其次考慮用戶舒適度偏好，在保證 用戶舒適度得到滿足的前提下確定系統(tǒng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)及約束條件;然后構(gòu)建計及不確 定性的實時電價模型、太陽能輻射模型和室外溫度模型，采用蒙特卡洛仿真方法建立體現(xiàn) 上述不確定性的大規(guī)模隨機(jī)場景;最后采用場景削減技術(shù)排除低概率場景和聚類概率相當(dāng) 的場景，并針對每個場景采用兩級隨機(jī)規(guī)劃方法對該場景中每一時間段上的優(yōu)化問題進(jìn)行 滾動求解。
[0087] 在本發(fā)明實施例中，步驟1的具體過程如下：
[0088] 太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型包括太陽能光伏光熱一體機(jī)、蓄熱水箱、輔助加熱 器以及不同類型的可控負(fù)荷。
[0089] 可控負(fù)荷分為HVAC系統(tǒng)、可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷不可 延遲負(fù)荷四類。定義A為所有可控設(shè)備的集合，Ai代表HVAC，A 2表示可間斷可延遲負(fù)荷，A3表 示不可間斷可延遲負(fù)荷，A4表示不可間斷不可延遲負(fù)荷，則A=Ai U A2 U A3 U A4。
[0090] 1)太陽能光伏光熱一體機(jī)：
[0091] 太陽能由光伏光熱一體機(jī)由發(fā)電組件和集熱組件構(gòu)成，發(fā)電組件利用光電轉(zhuǎn)換將 太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并存儲到蓄電池中，以減少HVAC系統(tǒng)對電網(wǎng)電量的需求;集熱組件收集 太陽能并將其轉(zhuǎn)化為水箱的熱能。
[0092] 設(shè)場景s下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的集熱功率Alt可由下式計算：
[0093] Ρ：ιχ=η：Λι^
[0094] η'Α=η：-?(Τ；Λ-^)
[0095] 其中私表示場景s中太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的轉(zhuǎn)換效率，不是定值，與室 外溫度及太陽參數(shù)G有關(guān);Asl為太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的面積；和巧分別為場 景s下時段t的太陽輻射值和室外溫度值;g為太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的初始效 率;泛為經(jīng)驗值。
[0096] 場景s下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的發(fā)電功率可由下式計算：
[0097] :/4,t ="1為乂、
[0098] 其中農(nóng)不場景s中太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā)電部分的轉(zhuǎn)換效率;Asie為太陽能 光伏光熱一體機(jī)發(fā)電部分的光伏板面積。
[0099] 2)蓄熱水箱：
[0100]采用一階單層模型描述水箱的熱動態(tài)特征。該模型建立在能量平衡方程的基礎(chǔ)之 上，水箱從太陽能光伏光熱一體機(jī)、后備輔助加熱器吸收能量，并將能量供給HVAC并滿足用 戶的熱水需求。場景s中時刻t時的水箱溫度在區(qū)間τ上的離散形式表示為：
[0102]其中Uwt為由于水箱熱輻射產(chǎn)生的熱損失因子;Awt為水箱熱損失相關(guān)的周圍面積； Cwt為水箱的儲熱容量；H分別為場景s中時刻t時的水箱溫度和室內(nèi)溫度；、乂.,、 八\,、/4,分別為場景s中時刻t時的加熱器功率、太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱功率、熱水的 能量需求和HVAC系統(tǒng)從儲熱水箱中獲得的熱量。
[0103] 水箱的水溫約束為：
[0104]
[0105] 其中和?Γη分別為水箱水溫規(guī)定的上下限。
[0106] 3)輔助加熱器：
[0107] 為了應(yīng)對太陽能輸出隨機(jī)性的影響，水箱采用了電輔助加熱作為后備熱源。該輔 助加熱器的功率消耗約束條件為：
[0108]
[0109] 為場景s中時刻t時加熱器的開關(guān)狀態(tài)變量;pf1和A max分別為加熱器的最小、 最大輸出功率。
[0110] 4)暖通空調(diào) HVAC:
[0111] 對暖通空調(diào)的運行要求為當(dāng)室內(nèi)有人員活動時，在運行時間段[aHAVC，i3 HAVC ]維持室 內(nèi)溫度在預(yù)定范圍內(nèi)[τ?η, rax >即滿足：
[0112] Τ^<Τ；,<Τ^，ie
[0113] 其中為場景s中時刻t時的室內(nèi)溫度。其場景s的離散形式為：
[0115] 其中Ra為房間的等效熱阻;Cr為房間的熱容量;為太陽輻射透過窗戶的效率;Aw 房間有效窗戶面積;σ表示制冷⑴或制熱(-1)模式;分別為場景S中時刻t時的 室內(nèi)溫度、室外溫度及熱傳遞。
[0116] 每個時間段的室內(nèi)溫度Tr之間都存在內(nèi)在聯(lián)系，并且Tr值依賴于對HVAC的供能、室 外溫度T。、太陽輻射量I及其他建筑參數(shù)。
[0117] 當(dāng)傳熱為pu, t時，HVAC需要消耗功率pHAVC。所傳熱pu, t與消耗的電能之間的比例用 HAVC 的 C0P 值表示，即 COP = pu, t/pHAVC。
[0118] 通過使用儲熱設(shè)備為HVAC供能，可極大提高系統(tǒng)的COP值。定義⑶PjPCOP。分別為 系統(tǒng)獨立運行時和配備了儲熱設(shè)備聯(lián)合運行時的C0P。當(dāng)HVAC工作在獨立運行模式時，p u = C0PapHVAC。當(dāng)HVAC工作在聯(lián)合運行模式時，其所需的一部分能量來源于儲熱水箱，可表示為
[01 19] pu = COPa ( PHVAC+Psh ) = COPcPHVAC
[0120]因此，HVAC系統(tǒng)的約束條件為：
[0125]其中A*,，、ftlVAC.i、PhVAC,，、WHVAC,i和"HVACV分別為場景8中時刻t時HVAC系統(tǒng)從儲熱 水箱中獲得的熱量、獨立運行和聯(lián)合運行時HVAC消耗的功率、獨立運行和聯(lián)合運行時HVAC 的啟停控制變量；、id.分別代表HVAC的上下限功率值。
[0126] 場景S中時亥Ijt時的HVAC系統(tǒng)的電量消耗可表示為：
[0127] PayACj - Piivac.i Puvacj
[0128] 儲熱水箱提供的能量為：
[0130] 最后，在一個單位時間間隔中太陽能輔助HVAC-熱水系統(tǒng)的電量總消耗來自于水 箱的后備加熱器的電量消耗與HVAC的電量消耗，即= +Kimc,<。
[0131] 在本發(fā)明實施例中，步驟2的具體過程如下：
[0133]其中^表示場景s的概率，用于計算整個調(diào)度周期的預(yù)期成本，i%,表示負(fù)荷i在時 間段to的電量消耗八表示to時的電價，&表示場景s下時間段t時的電量消耗，<表示場景 s中時間段t時的電價。
[0135]其中g(shù)ci,是場景s中時刻t的不可控負(fù)荷的總功率消耗;為電網(wǎng)交換功率極限 值。
[0137]其中ST"為每小時δ的能量消耗的限制;K表示每小時中時間間隔的數(shù)量。
[0139] 其中《?為負(fù)荷設(shè)備i在場景s中時刻t時工作狀態(tài);成2為負(fù)荷設(shè)備i在場景s中時刻 t時為開啟狀態(tài);Zi,t為負(fù)荷設(shè)備在場景s中時刻t為關(guān)停狀態(tài);U表示負(fù)荷設(shè)備i改變狀態(tài)的 最大次數(shù);cti、&分別為負(fù)荷i的運行起始和終止時間。
[0140] (5)可中斷可延遲負(fù)荷約束（以電動汽車為例）也識彡Eid; <+1 =巧; 五mm〈五·5 <五迦艽
[0141] 其中Eiji表示隊時刻負(fù)荷i (電動汽車)存儲的能量;Eid表示負(fù)荷i (電動汽車）的充 電需求;1,表示充電效率;五嚴(yán)―表示負(fù)荷i(電動汽車)所需能量(kWh)的下(上)限值，％ 表示場景s中時間t時負(fù)荷i (電動汽車)的存儲能量。
[0143]其中Hi表示負(fù)荷i運行的時間段數(shù)量。
[0145] 在本發(fā)明實施例中，步驟3的具體過程如下：
[0146] (1)實時電價模型
[0147] 考慮實時電價的不確定性，時刻t時的電價可表示為:c,=巧+ \
[0148] 其中ζ表示前一天的電價值或估計值，可由聚合器提供或由嵌入到家庭能量管理 系統(tǒng)的電價估計算法得到。4,表示由已知的概率密度函數(shù)(pdf)得到的電價預(yù)測誤差。假 定電價的預(yù)測誤差服從柯西分布，其概率密度函數(shù)為：
[0150]其中參數(shù)ax為分布峰值位置的位置參數(shù)，參數(shù)h為最大值一半處的一半寬度的尺 度參數(shù)。adPlu可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。
[0151] (2)太陽能輻射模型
[0152]太陽輻射值由于依賴天氣情況也存在不確定性，假定太陽輻射值服從貝塔分布：
[0154] 其中adPb:分別為貝塔分布的相關(guān)參數(shù)，可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn) 行曲線擬合計算得到；Ιο為初始時刻太陽福射值。
[0155] (3)室外溫度模型
[0156] 場景s中時刻t時的室外溫度表示為
[0157] 其中^"表示室外溫度的預(yù)測值,1?表示室外溫度的不確定部分，假定服從高斯 分布：
[0159] 其中σΝ、μ分別為高斯分布的位置參數(shù)和幅度參數(shù)。
[0160] 然后采取蒙特卡洛仿真方法產(chǎn)生能夠體現(xiàn)上述不確定性因素（電價預(yù)測誤差，太 陽輻射值，室外溫度和不可控負(fù)荷的功率消耗)的不同場景。一般而言，場景數(shù)量需要足夠 大才能保證能量調(diào)度模型的有效性。
[0161] 在本發(fā)明實施例中，步驟4的具體過程如下：
[0162] 對下述每一時刻to的滾動優(yōu)化問題進(jìn)行重復(fù)計算：
[0164] s. t.太陽能輔助HVAC-熱水系統(tǒng)約束;系統(tǒng)約束;剩余可控負(fù)荷約束；
[0165] 該問題為混合整數(shù)規(guī)劃，利用CPLEX求解，并假定問題具有可行解，即電網(wǎng)的交換 功率和電量限制(/=和盡)足夠大。
[0166] 由于蒙特卡洛法產(chǎn)生了大量的隨機(jī)場景，但是龐大的場景數(shù)量會提升計算的復(fù)雜 性。因此，對于一個大規(guī)模問題而言，需要利用場景縮減方法排除一些低概率場景，聚類概 率相當(dāng)?shù)膱鼍?，以減輕計算的負(fù)擔(dān)?？衫肎AMS/SCENRED軟件產(chǎn)生/減少場景的集合。
[0167]最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然 可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神的任何修改或 者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管理方法，其特征 在于，該方法包括W下步驟： 步驟1:將一天24小時作為一個能量調(diào)度周期，并將其均分為96個時間段，為每個時間 段分配一個電價值，用于模擬實時電價，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型， 該模型中電量成本信息為各時間段電價值與各時段用電量及各時間段的時間長度的乘積； 步驟2:考慮用戶體感溫度舒適度偏好，在保證家庭室內(nèi)溫度滿足用戶體感舒適度的前 提下確定系統(tǒng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，所述優(yōu)化目標(biāo)即降低用電成本； 步驟3:構(gòu)建計及不確定性的實時電價模型、太陽能福射模型和室外溫度模型，采用蒙 特卡洛仿真方法建立體現(xiàn)上述不確定性的大規(guī)模隨機(jī)場景； 步驟4:采用場景削減技術(shù)排除低概率場景和聚類概率相當(dāng)?shù)膱鼍?，并針對每個場景采 用兩級隨機(jī)規(guī)劃方法對該場景中每一時間段的用電優(yōu)化問題進(jìn)行滾動求解。2. 如權(quán)利要求1所述的實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管 理方法，其特征在于，所述步驟1中，太陽能輔助家庭用能系統(tǒng)模型包括太陽能光伏光熱一 體機(jī)、蓄電池、蓄熱水箱、輔助加熱器W及四類可控負(fù)荷； 可控負(fù)荷包括HVAC系統(tǒng)、可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷可延遲負(fù)荷、不可中斷不可延遲 負(fù)荷;定義A為所有可控設(shè)備的集合，Ai代表HVAC，A2表示可間斷可延遲負(fù)荷，A3表示不可間 斷可延遲負(fù)荷，A4表示不可間斷不可延遲負(fù)荷，貝ljA=Ai U A2 U A3 U A4。3. 所述太陽能光伏光熱一體機(jī)包括發(fā)電組件和集熱組件，發(fā)電組件利用光電轉(zhuǎn)換將太 陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并存儲到蓄電池中；集熱組件收集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為蓄熱水箱的熱能； 設(shè)場景S下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的集熱功率轉(zhuǎn) 為：其中編表示場景S中太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的轉(zhuǎn)換效率，Asi為太陽能光伏光 熱一體機(jī)集熱部分的面積；攝和玲，分別為場景S下時段t的太陽福射值、集熱器溫度和 室外溫度值;?茲為太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱部分的初始效率，G為太陽常數(shù)； 場景S下時段t的太陽能光伏光熱一體機(jī)的發(fā)電功率為：其中C表示場景沖太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā)電部分的轉(zhuǎn)換效率;Asle為太陽能光伏光 熱一體機(jī)發(fā)電部分的光伏板面積； 所述蓄熱水箱從太陽能光伏光熱一體機(jī)和輔助加熱器吸收能量，并將能量供給HVAC系 統(tǒng)，W滿足用戶的熱水需求;場景S中時刻t時的水箱溫度巧:、,、在區(qū)間τ上的離散形式表示為：其中Uwt為由于水箱熱福射產(chǎn)生的熱損失因子;Awt為水箱熱損失相關(guān)的周圍面積;Cwt為水箱 的儲熱容量;?：，.:、分別為場景s中時刻t時的水箱溫度和室內(nèi)溫度;.砍f、/4, 滅, 分別為場景S中時刻t時的加熱器功率、太陽能光伏光熱一體機(jī)集熱功率、熱水的能量需求 和HVAC系統(tǒng)從儲熱水箱中獲得的熱量； 場景S中時刻t時水箱的水溫約束為：X 其中?;之X和軟"分別為水箱水溫規(guī)定的上下限； 所述輔助加熱器為后備熱源;該輔助加熱器場景S中時刻t時的功率消耗約束條件為：巧Γ<,' 為場景S中時刻t時加熱器的開關(guān)狀態(tài)變量；,of '和iC"分別為加熱器的最小、最大 輸出功率； 所述HVAC系統(tǒng)即暖通空調(diào)，其運行要求為當(dāng)室內(nèi)有人員活動時，在運行時間段 [OhAVC，曲AVC]維持室內(nèi)溫度在預(yù)定范圍內(nèi)_餐''，餐即滿足：其中？芯為場景S中時刻t時的室內(nèi)溫度;其場景S的離散形式為：其中Ra為房間的等效熱阻;Cr為房間的熱容量;riw為太陽福射透過窗戶的效率;Aw房間有 效窗戶面積;σ取1時表示制冷模式，取-1時表示制熱模式；？'7:,.、括， 分別為場景S中時刻t時的室內(nèi)溫度、室外溫度及HVAC對室內(nèi)的熱傳遞量； 上式表明每個時間段的室內(nèi)溫度Γ/之間都存在內(nèi)在聯(lián)系，并且?'/值依賴于HVAC的熱傳 遞量、室外溫度了^、太陽福射量巧~ S 當(dāng)傳熱為Pu, t時，HVAC需要消耗功率即AVC;所傳熱pu, t與消耗的電能之間的比例用HAVC的 COP值表示，即 COP = Pu, t/pHAVC ; 定義COPa和COPc分別為系統(tǒng)獨立運行時和配備了儲熱設(shè)備聯(lián)合運行時的COP;當(dāng)HVAC系 統(tǒng)工作在獨立運行模式時，Pu = COPaPHVAG;當(dāng)HVAC系統(tǒng)工作在聯(lián)合運行模式時，其所需的一 部分能量來源于儲熱水箱，可表示為： 的=COPa ( PHVAC+Psh ) = COPc 抑 VAC 因此，HVAC系統(tǒng)的約束條件為：其中始,Γ，/搞如、夢品化..、，、！.搞ACV和!輸旅、,、分別為場景沖時刻t時HVAC系統(tǒng) 從儲熱水箱中獲得的熱量、獨立運行和聯(lián)合運行時HVAC消耗的功率、獨立運行和聯(lián)合運行 時HVAC的啟停控制變量;.端;、/祗W分別代表HVAC的上下限功率值； 場景S中時刻t時的HVAC系統(tǒng)的電量消耗可表示為：在一個單位時間間隔中太陽能輔助HVAC-熱水系統(tǒng)的電量總消耗來自于水箱的輔助加 熱器的電量消耗與HVAC的電量消耗，即""""滬沈..、，+說VAO α4.如權(quán)利要求1所述的實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管 理方法，其特征在于，所述步驟2中的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下其中pS表示場景S的概率，用于計算整個調(diào)度周期的預(yù)期成本,/?康示負(fù)荷i在時間段 to的電量消耗，％表示to時的電價，終讀示場景S下時間段t時的電量消耗，誇表示場景S 中時間段t時的電價，τ為單個時間段時長，NS為場景總數(shù)，N為總時間段個數(shù)，即96個;所述 約束條件包括太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā)電功率和集熱功率約束、太陽能光伏光熱一體機(jī)發(fā) 電效率和集熱效率約束、蓄熱水箱水溫約束、HVAC制冷/制熱溫度約束、室溫約束、HVAC上下 限功率約束、HVAC工作模式約束、HVAC電量消耗約束、公共禪合點功率約束、能量調(diào)度周期 總電能消耗約束、設(shè)備關(guān)停次數(shù)約束、可中斷可延遲負(fù)荷約束、不可中斷可延遲負(fù)荷約束、 不可中斷不可延遲負(fù)荷約束； 所述公共禪合點功率約束：其中敬3,,是場景沖時刻t的不可控負(fù)荷的總功率消耗;igr為電網(wǎng)交換功率極限值； 所述能量調(diào)度周期總電能消耗約弟其中為每小時S的能量消耗的限制;K表示每小時中時間間隔的數(shù)量. 所述設(shè)備關(guān)停次數(shù)約束:堿…:冷….? +餐二符；錢奪％么！其中為負(fù)荷設(shè)備i在場景S中時刻t時工作狀態(tài);;為負(fù)荷設(shè)備i在場景S中時刻t時 為開啟狀態(tài);Zi,t為負(fù)荷設(shè)備在場景S中時刻t為關(guān)停狀態(tài);Li表示負(fù)荷設(shè)備i改變狀態(tài)的最 大次數(shù);αι、βι分別為負(fù)荷i的運行起始和終止時間； 所述可中斷可延遲負(fù)荷約束其中％；表示扣時刻負(fù)荷i存儲的能量;Ei讀示負(fù)荷i的充電需求;％>讀示充電效率； 嗦示負(fù)荷i所需能量(kWh)的下化）限值，跨康示場景沖時間t時負(fù)荷i的存儲能 量;所述不可中斷可延遲負(fù)荷約束其中出表示負(fù)荷i運行的時間段數(shù)量，為場景S中時刻t時負(fù)荷i的開關(guān)狀態(tài)變量； 所述不可中斷不可延遲負(fù)荷約束：5. 如權(quán)利要求1所述的實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管 理方法，其特征在于，所述步驟3中，所述實時電價模型如下： 時刻t時的電價可表示為:^ 5 +考.， 其中ζ表示前一天的電價值或估計值，可由聚合器提供或由嵌入到家庭能量管理系統(tǒng) 的電價估計算法得到；Λ>表示由已知的概率密度函數(shù)(Ρ壯)得到的電價預(yù)測誤差;分析歷 史實時電價數(shù)據(jù)，電價的預(yù)測誤差服從柯西分布，其概率密度函數(shù)為：其中參數(shù)3Α為分布峰值位置的位置參數(shù)，參數(shù)bA為最大值一半處的一半寬度的尺度參 數(shù);aA和bA可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。6. 所述太陽能福射模型中的太陽福射值服從貝塔分布，分析歷史太陽福射數(shù)據(jù)得到：其中ai和bi分別為貝塔分布的相關(guān)參數(shù)，可利用最大似然估計方法由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲 線擬合計算得到；1〇為初始時刻太陽福射值； 所述室外溫度模型如下： 場景S中時刻t時的室外溫度表示為其中;表示室外溫度的預(yù)測值，表示室外溫度的不確定部分，服從高斯分布：其中〇N、μ分別為高斯分布的位置參數(shù)和幅度參數(shù)； 然后采取蒙特卡洛抽樣方法產(chǎn)生能夠體現(xiàn)上述不確定性因素的不同場景;所述不確定 因素包括電價預(yù)測誤差，太陽福射值，室外溫度和不可控負(fù)荷的功率消耗;所說場景數(shù)量在 一千^上。7. 如權(quán)利要求1所述的實時電價環(huán)境下計及多種不確定因素的太陽能輔助家庭能量管 理方法，其特征在于，所述步驟4中，對下述每一時刻to的滾動優(yōu)化問題進(jìn)行重復(fù)計算的公 式化了其中pS表示場景s的概率，用于計算整個調(diào)度周期的預(yù)期成本，祭表示負(fù)荷i在時間 段to的電量消耗，氣表示to時的電價，1?表示場景S下時間段t時的電量消耗，cf表示場 景沖時間段t時的電價，τ為單個時間段時長，NS為場景總數(shù)，N為總時間段個數(shù)，即96個。
【文檔編號】G06Q50/06GK106096747SQ201610174860
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年3月25日 公開號201610174860.6, CN 106096747 A, CN 106096747A, CN 201610174860, CN-A-106096747, CN106096747 A, CN106096747A, CN201610174860, CN201610174860.6
【發(fā)明人】徐青山, 徐敏姣
【申請人】東南大學(xué)