面向需求响应应用的空调负荷建模及控制

面向需求响应应用的空调负荷建模及控制

李明

（广东省美的制冷设备有限公司广东佛山528311）

摘要：智能电网的不断发展和需求响应的逐步实施，促进了电力用户对智能用电的重视。工业用户功耗大，自动化程度高，对开展智能化功耗管理具有良好的基础。中国工业用电量占全社会用电量的很大一部分，约占70%。此外，与商用和民用用户相比，工业用户具有响应能力大、负载稳定、自动化程度高的优点，是电力系统中最重要的DR资源。空调负荷是一种很好的需求响应资源。对空调进行合理调控，可以有效缓解供需失衡，提高电力系统综合运行效率，实现资源的优化配置。然而，这就要求对空调负荷运行特性的基本理论有深刻的认识。在此基础上，本文主要分析和探讨了空调负荷建模与控制在需求响应中的应用。

关键词：面向需求响应应用；空调负荷；建模及控制

1前言

需求响应技术是智能电网的核心技术之一，能够有效抑制潮流的随机波动，缓解供需矛盾，提高系统运行效率，促进节能减排。中国政府和有关电力企业通过设立示范项目、开展需求侧管理试点城市建设、颁布有关行政法规等措施，大力引导和推进电力行业相关工作。需求响应的有效实施是基于对电力负荷的深入理解和分析。

2空调系统建模

2.1空调所属建筑的热力学模型

空调系统建模是空调负荷参与需求响应的基础，它包括空调所属建筑的热力学建模和空调机组的电气与热转换两个方面。前者主要描述建筑室内温度与冷却(热)量的时变关系。后者建立了制冷剂(热量)与空调功率(能效比)的定量关系。两者建立了室内温度与功率的内在关系，为制定空调负荷需求响应策略提供了依据。

建模方法基于冷(热)负荷的计算是根据能量守恒定理,建筑的能量变化值空调的位置在任何时间等于空调制冷(热)之间的差异和热量得到,如图1所示。

图1建筑物能量守恒示意图

由此可建立建筑物能量变化恒等式，进而推导出室内温度的变化递推公式如下：

式中：α，β，δ为常系数。

文献根据任何一段时间空调房间的热变化值等于房间的热量和新鲜空气在负载和内表面的热量以及空调设备的冷却存储数量的房间,建立了中央空调冷却时间和停止时间的室温时变方程,周期性的悬架控制的中央空调,取得了良好的削峰和节电效益。

2.2空调机组的电热转化

空调设备是一种冷/热转换电子电气设备,从需求反应的热力学模型构建的本质是建筑空调负荷属于范围内满足用户舒适的室内温度,调整空调负荷的电力系统参与调度和操作,而电空调与制冷/加热条件之间的电热转换与空调类型密切相关。目前国内外关于空调参与系统运行的研究主要集中在分体式固定频率空调上。电能乘以定能效率比可转换为制冷(热)量，电热转换相对简单。但是，分频空调器的功率与散热(热)的比值不是恒定的，其值与压缩机的频率有关。频率越高，能效比越低，其关系越复杂。通过一系列实验，证明变频空调的功率和冷却功率与压缩机的频率、冷凝器的外部温度、蒸发器的回水温度呈线性关系。图2为压缩机功率、热电功率、能效比(COP)与频率的关系。

中央空调(中央空调)的制冷量不仅与压缩机有关，还涉及制冷水循环系统、冷却水循环系统、新风系统等几个热交换模块。文学原理的基础上,中央空调房间温度时变能量守恒方程,但在设置空调电气转换模型,没有考虑热力学能的中央空调、空调制冷量和压缩机功率比设置为一个恒定值,模型相对简单,不能真实反映中央空调的电热转换。

虽然研究者领域的能源、环境和建筑能源消耗在国内外所做的相关研究各种空调的电和热转换机制,在电力系统领域的操作和调度,研究提供辅助服务,如频率调制,单元组合和优化系统的基于峰值变频空调系统的热力学模型是不够的。然而，中央空调多变量之间复杂的相互关系和转换直接制约了中央空调的精细控制，尚需进一步研究。

图2功率、ＣＯＰ与频率之间的关系

3空调负荷的控制模式

在参与需求响应过程中，空调负荷应根据接收到的控制信号进行一系列响应。根据控制信号的决策位置，空调负荷响应对需求响应信号的控制方式可分为集中控制和分散控制两种。

3.1集中控制

聚合模型调度部门设立降低空调负荷,系统的负载平衡,传输线上的需求,如潮汐波进行了优化调度,并制定相应的控制策略的统一控制的空调负荷模型为集中控制,具有可靠性高、可预见性强,但由于相关部门之间需要建筑的空调负荷线,投资成本高，通信时延大，目前涉及到的空调负荷需求响应大多基于集中控制。为了解决集中控制频繁交流的问题,文献提出了一种设计的空调负荷连续调整预备役,为了减少的浓度控制依赖双向通信,本文设计了一套预测和控制的一个预测指标,定期,预测将使用温度和开关的测量值修正预测值,这种预测校正机制大大减少了控制单元与负载频率之间的通信，弱化了集中控制的时滞问题。

3.2分散控制

对安装在用户侧的智能仪表的电压、频率等因素进行实时监控的控制方式以及相应的控制信号进行分布式控制。由于分散控制可以根据监测结果快速响应，并结合自身情况，不需要对空调负荷聚集模型进行建模，响应速度快，灵敏度高。目前参与基于分布式控制空调负荷需求响应意味着这项研究还较少,文献分散控制方法对系统提供一个调频服务的负载,它将负载的响应特征类比下垂的单元,根据频率变化和监测时间划分不同的控制区域,负载控制器可以根据频率检测相应的控制条件下,仿真结果表明，在空调负荷需求响应等方面，调频效果较好。

3.3基于负载聚合器业务的控制模式

目前，一个新的需求响应提供者——负载聚合器已经在发达国家出现。能够整合大量中小负荷，统一调度控制，充分利用负荷侧资源，实现经济效益最大化。调度部门可以通过多个负载聚合器提供资源和服务，并与其体系结构通信线路进行通信。当调度部门将系统需求信息传递给每个负载聚合器时，负载聚合器可以根据一定的控制目标向其控制的负载发出控制指令或广播信号。基于负载聚合器控制模式,虽然在一定程度上,减少调度部门频繁的负载和压力之间的通信信号,但负载聚合器和空调负荷之间需要信息传输和交换,仍然存在集中控制投资成本高,双向沟通的时间延迟架构和分布式控制反应效果差的问题。

4结语

目前，资源枯竭、环境污染、气候变化等问题已引起全球关注。越来越多的可再生能源接入电网，给电网的安全稳定运行带来了危机。需求响应技术为解决这一问题提供了很好的机会。空调负荷由于其巨大的可调潜力，已成为重要的需求响应资源之一。在全球能源互联网环境下，空调负荷参与需求响应具有良好的发展前景。

参考文献：

［1］于娜，于乐征，李国庆．智能电网环境下基于多代理的商业用户可控负荷管理策略［Ｊ］．电力系统自动化，2015，39（17）：89－95．

［2］刘晓琳，王兆杰，高峰，等．分时电价下的高耗能企业发用电响应［Ｊ］．电力系统自动化，2014，38（8）：41－49．