面向需求響應應用的空調負荷建模及控制
　　摘要：空調負荷是一種優(yōu)良的需求響應資源,對空調的合理調控能夠有效緩解供需不平衡,提高電力系統(tǒng)綜合運營效率,實現(xiàn)資源優(yōu)化配置,但這需要建立在對空調負荷運行特性基礎理論的深刻理解基礎上。文中從空調系統(tǒng)熱力學建模、聚合模型、控制模式、調控策略四個角度,討論了空調負荷在需求響應中的研究現(xiàn)狀,并針對目前國內外空調負荷研究的實際情況,對空調負荷進一步的研究方向進行了展望。
　　關鍵詞：空調負荷;需求響應;熱力學建模;聚合模型;控制模式;調控策略
　　引言
　　目前，推動可再生能源發(fā)展、提高能源使用效率、實現(xiàn)節(jié)能減排已成為各能源領域的共識。

　　２０１４年全國風電新增裝機容量１９．８１ＧＷ，風電總裝機達到９５．８１ＧＷ，位居世界第一［１］，太陽能發(fā)電并網(wǎng)新增容量為８．１７ＧＷ，總裝機容量為２６．５２ＧＷ［２］。風電、太陽能發(fā)電等間歇性新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，極大增加了電力潮流的不確定性，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成了巨大威脅，對電網(wǎng)自動調節(jié)能力提出了更高要求。另一方面，雖然用電量增長趨緩，但國內電力供需仍有可能出現(xiàn)階段性、局部性的緊張狀態(tài)。需求響應技術是智能電網(wǎng)的核心技術之一，能夠有效抑制潮流隨機波動，緩解供需緊張態(tài)勢，提高系統(tǒng)運行效率，促進節(jié)能減排。中國政府和相關電力企業(yè)通過示范工程立項、需求側管理試點城市建設、頒布相關行政法規(guī)等措施大力引導推進該領域的相關工作。

　　需求響應工作的有效開展建立在對電力負荷進行深入了解和分析的基礎上。近年來，國內負荷結構正發(fā)生深刻變化。據(jù)統(tǒng)計，在夏季負荷高峰期，國內空調負荷目前已占尖峰負荷的３０％～４０％［３－５］，北京、上海等城市甚至達到了５０％左右，巨大的空調負荷已成為高峰負荷不斷攀升和負荷特性不斷惡化的重要原因，對電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行帶來極大負面影響；而低谷電力富余，部分發(fā)電廠發(fā)電機處于閑置狀態(tài)，造成資源浪費，大大降低了系統(tǒng)運行效率。
　　近年來智能電網(wǎng)的雙向通信技術和高級量測體系的快速發(fā)展為監(jiān)測和控制用戶端負荷提供了技術支撐［６－７］?？照{負荷所屬建筑環(huán)境具備熱存儲能力，能夠在特定時間內將電能轉化為熱能進行存儲，并且在一定溫度范圍內對人體無明顯影響，因此，比其他傳統(tǒng)負荷更有應用前景。通過合理調控，不僅能夠快速削減負荷，減緩負荷高峰壓力，而且能夠提供多種輔助服務，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)運行效率，與建設電廠相比，投資成本低，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。因此，空調可作為重要的需求響應資源予以深入研究。
　　空調負荷可挖掘潛力大，調度方式靈活，已經(jīng)越來越多地應用于需求響應的各個方面，在電力系統(tǒng)的調度運行中發(fā)揮著越來越大的作用。本文將在充分調研國內外相關文獻的基礎上，分別從空調系統(tǒng)建模、聚合模型、控制模式、調控策略四個方面對空調負荷研究進展進行闡述。這四部分內容之間的關系是：空調系統(tǒng)建模是空調參與需求響應的基礎，聚合模型可以建立大規(guī)?？照{群的模型，引導相關部門制定控制策略，控制模式?jīng)Q定了空調群是否需要進行聚合建模，而調控策略是對前面三個部分的綜合應用。最后，文章在總結當前研究現(xiàn)狀的基礎上對國內空調負荷在需求響應領域未來發(fā)展趨勢的關鍵點和難點進行了分析。
　?。笨照{系統(tǒng)建模
　?。保笨照{所屬建筑物的熱力學模型空調系統(tǒng)建模是空調負荷參與需求響應的基礎，其包含兩方面的內容：空調所屬建筑物的熱力學建模和空調機組的電熱轉化。前者重點描述建筑物室內溫度與制冷（熱）量的時變關系；后者構建了空調制冷（熱）量與功率之間的定量關系（即能效比）。
　　兩者共同建立了室內溫度與功率的內在聯(lián)系，為制定空調負荷的需求響應策略提供了依據(jù)。在構建空調所屬建筑物的熱力學模型方面，目前國內外已有２種比較準確的建模方法：基于電路模擬的等效熱參數(shù)（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ＥＴＰ）建模方法［８－１０］和基于冷（熱）負荷計算的建模方法［１１－１３］。
　?。保保保牛裕薪７椒ǎ牛裕薪７椒梢詫⒎块g環(huán)境（室內溫度、內部產(chǎn)熱、相鄰房間熱交換）、外界環(huán)境（室外溫度、太陽輻射、空氣滲透率）以及空調制冷（熱）量等參數(shù)等效成電路的電阻、電容及電源等相關電路參數(shù)［１０，１４］，用以模擬熱量在房間內的傳遞過程。文獻［１４］綜合考慮能量在環(huán)境與建筑物之間的傳遞過程，計及室內空氣、外墻、內墻溫度之間的差異性，提出了較為經(jīng)典的三階狀態(tài)空間的空調系統(tǒng)熱力學模型，建立了影響空調工作狀態(tài)的溫度變量與相關參數(shù)的狀態(tài)方程。當進一步忽略溫度在內外墻之間的差異性時，可以得到空調系統(tǒng)的二階熱力學模型［１５－１６］。雖然高階模型的精度較高，但其結構復雜，計算量大，難以在工程領域進行大規(guī)模應用。
　　從簡化計算的角度出發(fā)，可以再進一步假設室內空氣溫度與固體溫度相等，得到當前在文獻中最常用的空調系統(tǒng)的一階熱力學等效熱參數(shù)模型［１７－１９］，如圖１所示。式中：Ｃａ為等效比熱容；Ｑ為制冷／熱量；Ｔｏ為外界溫度；Ｔｉ為室內氣體溫度；Ｒ１為等效阻抗。
　　由式（１）可知，該模型能夠建立起室內空氣溫度微分方程，可進一步推導出室溫的時變方程用于空調所屬建筑物的室溫預測，同時也為空調負荷在需求響應的大規(guī)模調控奠定了理論基礎。
　?。保保不诶洌幔┴摵捎嬎愕慕７椒ɑ诶洌幔┴摵捎嬎愕慕７椒ㄊ歉鶕?jù)能量守恒定理，任意時間段的空調所在建筑物的能量變化值等于空調制冷（熱）量與建筑物所獲得的熱量之差，如圖２所示。由此可建立建筑物能量變化恒等式，進而推導出室內溫度的變化遞推公式如下［１１］：
　?。洌裕椋洌簦溅粒ǎ裕铮裕椋拢模眩ǎ玻┦街校害粒?，δ為常系數(shù)。
　　文獻［１１］根據(jù)任意時段內空調房間的熱量變化值等于該時段房間得熱量和新風負荷與房間內表面蓄熱量和空調供冷量之差，建立了中央空調制冷期和停機期的室溫時變方程，用以對中央空調進行周期性暫?？刂?，實現(xiàn)了良好的削峰和節(jié)電效益。文獻［１３］則根據(jù)能量守恒，建立了空調制冷量與建筑物儲能及熱量散失之間的關系，推導出空調房間內溫度的連續(xù)變化規(guī)律，有效評估了不同控制方法下的空調負荷削峰潛力。
　　圖２建筑物能量守恒示意圖Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ１．１．３兩種建模方法的對比兩種建模方法在本質上都是基于能量守恒原理，模擬房間與環(huán)境之間的熱交換情況，故簡化后的一階ＥＴＰ模型與基于能量守恒的冷負荷計算模型具有相似的表現(xiàn)形式（見式（１）和式（２）），前者在相關研究中一般忽略內部產(chǎn)熱，因此式（１）中沒有常數(shù)項，兩種模型的對比如表１所示。模型參數(shù)受眾多因素影響，會實時發(fā)生變化，而且模型的計算精度和速度與其使用范圍密切相關，如何建立一個精度和速度都符合電力系統(tǒng)調度運行需求的模型對空調負荷的大規(guī)模參與需求響應有著至關重要的作用。
　?。保部照{機組的電熱轉化空調設備是一種將電功率轉換為冷／熱量的電氣裝置，從需求響應角度而言，建立空調負荷所屬建筑物熱力學模型的實質是為了在滿足用戶舒適度的室溫范圍內，調整空調負荷的電功率使其參與到系統(tǒng)的調度與運行，而空調電功率與制冷／熱量之間的電熱轉化情況與空調類型密切相關。
　　目前國內外在空調參與系統(tǒng)運行方面的研究主要是針對分體式定頻空調，電功率乘以恒定的能效比即可轉換為制冷（熱）量［１５－１７，２０－２４］，電熱轉化較為簡單。而分體式變頻空調的電功率與制冷（熱）量的比值不恒定，其值與壓縮機頻率有關，頻率越大，能效比越低，其關系更為復雜［２５－２８］。文獻［２５］通過一系列實驗證明，變頻空調電功率及制冷功率與壓縮機的頻率、冷凝器的外部溫度、蒸發(fā)器的回水溫度呈一次線性關系，電功率、熱功率、能效比（ＣＯＰ）與壓縮機頻率關系如圖３所示。
　　圖３功率、ＣＯＰ與頻率之間的關系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｐｏｗｅｒ，ＣＯＰａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ對于集中式空調（中央空調），其制冷量除了跟壓縮機有關，還涉及冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系、新風系統(tǒng)等多個熱交換模塊［２０，２９］。文獻［１１］建立了基于能量守恒原理的中央空調室溫時變方程，但在建立空調電熱轉化模型時，并未考慮到中央空調內部能量轉化情況，將空調制冷量與壓縮機功率的比值設為恒定值，模型較為簡單，無法真實反映中央空調的電熱轉化。

　　雖然國內外能源與環(huán)境及建筑能耗領域的科研工作者已經(jīng)對各種空調的電熱轉化機制做了相關研究，但是在電力系統(tǒng)運行與調度領域中，基于變頻空調系統(tǒng)熱力學模型為系統(tǒng)提供調頻、機組組合、調峰等輔助服務的研究還不足。而中央空調內部多個變量之間復雜的相互聯(lián)系與轉化，直接制約中央空調的精細化控制，仍有待進一步研究。

本文由 大金中央空調批發(fā)商 整理編輯。