[发明专利]电热水器负荷群动态系统及控制模型

说明书

本发明属于电力系统配电网控制领域，尤其涉及一种电热水器负荷群动态系统及其控制模型。本发明中构建的线性状态方程适用于多种电热水器的建模，使用滑模控制策略实时控制电热水器负荷群，控制率的设计与电热水器群数量、热水使用情况等相关，对于消纳风电具有较强的鲁棒性，使用线性微分方程根据电热水器群的物理特性建立相应的数学模型，采用离散滑模设置温度值，控制电热水器群负荷以达到消纳风电的目标。

技术领域

本发明属于电力系统配电网控制领域，尤其是涉及一种电热水器负荷群动态系统及控制模型。

背景技术

随着环境压力逐步增大、风能发电建设成本不断下降，引起风电建设和并网热潮不断高涨，目前，我国风电总装机容量超过美国，跃居世界第一。然而风能发电输出功率具有天然的强随机性和高预测不确定性，2018 年上半年全国弃风电量达到182亿千瓦时，提高风电消纳水平，减少弃风电量，是大幅提升电力系统运行经济收益和环境减排效益的必由之路。

热水需求是普通居民的基本生活需求，居民采用电热水器生产热水，具有无污染排放、成本低、效率高、使用灵活、安装简易等优点，已经得到大量推广。居民电热水器是一种典型的热储能负荷，用电产生的热水具有热存储性，可以实现对波动性风电的消纳，随着家庭智能用电终端的普及，使得家庭电热水器消纳风电成为可能。

然而，现有的电热水器温度控制方式缺乏优化，不能响应风电功率波动，实现对风电的有效消纳，因此，电热水器优化运行控制策略有待研究。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种电热水器负荷群动态系统及控制模型，从而对风能等可再生能源进行有效消纳。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电热水器负荷群动态系统，包括以下数学模型，

用于表示电热水器加热过程以及与空气热交换过程的热动力学方程式：

电热水器群的动态方程式：

电热水器的开关函数方程式：

环境温度与热水器设置温度方程式：

电热水器群的总功率方程式：

设置温度变化方程式，假设电热水器i温度调整瞬时实现：

T_sp,i＝T_sp0,i+ΔT_sp(t),|ΔT_sp(t)|≤ΔT_sp,max (6)

其中，i代表电热水器负荷i；T_h是水箱水体温度；T是环境温度；T_sp是设置温度；T_sp0是最佳设置温度；t是时间；Q_h加热水箱内的水需要的热量；β是单位转化参数；A_w是电热水器容量；α_h是热传递效率；S是开关函数；P是电热水器额定功率；R是等效热电阻；C是冷水注入量；Δdb是温度带宽，ε_t是时间延迟；P_TCL是电热水器群总功率；η是电热水器的效率。

一种电热水器负荷群控制模型，通过将(1)～(6)中的数学模型采用近似连续值拟合获得。

进一步地，至少包括电热水器自响应模型、电热水器群温度控制模型、电热水器群有限维状态空间模型和电热水器群离散时间滑模控制。

进一步地，电热水器自响应模型包括以下方程式，