[发明专利]一种基于电热水器负荷群模型的负荷控制方法

权利要求书

1.一种基于电热水器负荷群模型的负荷控制方法，其特征在于：包括步骤：

1)结合电热水器的热动力学特性，分析电热水器的功率消耗与设定温度以及工作状态的关系，建立考虑水箱内水流动的电热水器模型；

2)结合考虑水箱内水流动的电热水器模型，基于概率分布对负荷调度中心控制区域内的电热水器指标进行聚类，建立电热水器负荷群概率模型；

3)基于电热水器负荷群概率模型，根据电热水器内的水温，定义电热水器的热储备状态变量及其计算方法；

4)根据负荷群中热水器的热储备状态高低，选择热水器负荷群可控子集，基于考虑用户舒适度的排序方法对热水器负荷群可控子集进行排序，根据排序结果完成负荷控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于电热水器负荷群模型的负荷控制方法，其特征是：所述步骤1)，具体步骤包括：

考虑水箱内部温度分布情况，以及出水时，自然对流对水箱内温度分布的影响，电热水器典型热力学模型计算公式为：

其中，x表示热水器垂直位置，m表示时间，V表示出水时水箱内部水的垂直速度，a表示热扩散系数，k表示电热水器内部热损系数，Q(x,m)指热水器加热器m时刻在x位置产生的热量，T表示水箱内温度，T_a表示水箱外环境温度，ε_eff表示水箱中紊流混合度，表示热水器水箱恒温控制区间温度下限值，表示热水器水箱恒温控制区间温度上限值；

利用克拉克-尼克森有限差分方法得到以热水器垂直步长Δx为单位宽度的各水层温度表达式，将水箱内水分为n层，水层i温度表达式即电热水器改进热力学模型为：

系数q₁＝e/2+d、为热水器水箱温度控制区间的1/2宽度，T_i^m表示水层i，i＝2,…,n+1，在m时刻时的温度，Δm为时间步长，公式(2)需要两个边界条件改进热力学模型才可以求解，即水箱外环境温度T_n+2＝T_a和进水温度T₁＝T_cw，根据克拉克-尼克森方法可知，电热水器考虑水层的改进热力学模型为：

其中，T^m-T^m-1＝ΔT，T^m表示水箱内在m时刻的温度，T^m-1表示水箱内在m-1时刻的温度，ΔT表示m与m-1时刻水箱内水温差值，q₆＝e+4d，k'为最上层和最下层水层的热损失系数，为常数量，通过整理，将得到的三个方程(2)(3)(4)统一为矩阵形式，即电热水器考虑水层的热力学模型：

Z₁T^m+1＝Z₂T^m+Z₃μ_m (5)

其中，T^m为n+2阶m时刻的温度向量，T^m+1为n+2阶m+1时刻的温度向量，表示最上层水层在m时刻的温度，表示最底层水层在m时刻的温度，μ_m∈{0,1}为加热操作的二进制变量，μ_m＝0表示不加热，μ_m＝1表示加热；

式中，P_e1是热水器的额定功率，η是热水器的效率，M_i为第i层的水的质量，c是水的比热容；

计算水箱每一层的浮力和粘滞摩擦力，水箱每一层的浮力F_i^b公式为：

其中，ρ_i为第i水层的水密度，ρ_ref为参考水密度，g是重力加速度，M_i是第i层的水的质量；

粘滞力F_i^v计算公式为：

F_i^v＝-bU_i (10)

其中，U_i为水层i的自然对流速度，参数b表示粘滞力系数；结合F_i^b、F_i^v，根据牛顿力学定律即可算出水层i的垂直位移经过的水层数其中ρ表示水的密度，s表示电热水器水箱的横截面积，可得自然对流模型：

T_j′＝rT_j+1+(1-r)T_j,j∈[i,i+Δi] (11)

其中，T_j表示对流前第j层的水温，T_j′表示对流后第j层的水温，Δi表示第i层水层经过自然对流后经过的水层数，i,j∈{1,2,…,n+2}，r∈[0,1]是水层混合比，水层混合比r可以通过实验得出；将电热水器的热力学模型(5)和自然对流模型(11)相结合即可得到考虑水箱内水流动的电热水器模型。