考慮多重輪換調(diào)控的空調(diào)負(fù)荷調(diào)控潛力評(píng)估與控制策略

曾慶彬，梁偉強(qiáng)，張勇軍，鄧文揚(yáng)

（1.廣州市奔流電力科技有限公司,廣東省廣州市 510670；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東省廣州市 510641）

0 引言

近年來(lái),新能源大規(guī)模并入電網(wǎng)給系統(tǒng)的功率實(shí)時(shí)平衡帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。中國(guó)相繼印發(fā)一系列文件,明確需積極開(kāi)展電網(wǎng)需求響應(yīng)（demand response,DR）,引導(dǎo)非生產(chǎn)性空調(diào)負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷等柔性負(fù)荷主動(dòng)參與DR,緩解電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)靈活性資源運(yùn)行壓力［1-3］。

然而,在多種可與電網(wǎng)進(jìn)行雙向互動(dòng)的柔性負(fù)荷中,空調(diào)負(fù)荷能在不影響用戶使用的前提下進(jìn)行“無(wú)感”調(diào)控［4-5］。夏季用電高峰時(shí)期的空調(diào)負(fù)荷總量占社會(huì)總負(fù)荷的30%以上［6］,具有巨大的DR 潛力。若結(jié)合空調(diào)負(fù)荷調(diào)度方式靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),采取高效合理的調(diào)控手段,將能有效提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性,為電網(wǎng)解決大規(guī)模新能源接入導(dǎo)致電力系統(tǒng)波動(dòng)提供一種新手段［7-9］。

在目前已有研究中,關(guān)于空調(diào)負(fù)荷參與DR 的研究主要可分為空調(diào)負(fù)荷建模［10-11］、空調(diào)潛力評(píng)估［12-13］與空調(diào)調(diào)控策略［14-18］等方面。文獻(xiàn)［12］采用重設(shè)控制目標(biāo)的方法分析聚合空調(diào)負(fù)荷的可調(diào)控潛力；文獻(xiàn)［13］提出基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)潛力評(píng)估模型,可實(shí)時(shí)輸出溫控負(fù)荷集群的可調(diào)節(jié)潛力；文獻(xiàn)［14-16］兼顧負(fù)荷調(diào)控效果與用戶舒適度等因素提出聚合商對(duì)空調(diào)分組調(diào)控的優(yōu)化策略；文獻(xiàn)［17］以空調(diào)負(fù)荷聚合商（load aggregator,LA）總收益為目標(biāo)函數(shù),提出空調(diào)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［18］提出空調(diào)LA 非合作博弈模型?？偟膩?lái)看,當(dāng)前在可調(diào)節(jié)潛力挖掘、室外溫度影響、DR 調(diào)度的不確定性等方面的研究不夠深入,分析的場(chǎng)景較為理想化。

深入挖掘DR 潛力尤為重要［19］。受空調(diào)設(shè)備特性約束,空調(diào)在運(yùn)行過(guò)程中存在功率下限值,僅依靠調(diào)控,其目標(biāo)溫度無(wú)法低于下限值,使得空調(diào)群的調(diào)控潛力受到“鉗制”,若調(diào)控過(guò)程中考慮空調(diào)關(guān)斷,調(diào)控潛力將會(huì)得到極大提升。變頻空調(diào)在能效和設(shè)備壽命等方面有了明顯的改善,極大提高了利用空調(diào)關(guān)斷參與DR 的可行性。盡管調(diào)整用戶的空調(diào)用電習(xí)慣會(huì)稍微降低用戶的用電舒適度,但只要調(diào)控過(guò)程中溫度仍在舒適度合理范圍內(nèi),且用戶獲益有足夠的吸引力,用戶則會(huì)愿意參與DR 的調(diào)控［20］。

文獻(xiàn)［21-22］設(shè)定開(kāi)關(guān)控制作為決策變量,根據(jù)不同的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控,達(dá)到了良好的削峰效果。目前,考慮空調(diào)關(guān)斷參與電網(wǎng)DR 的相關(guān)研究較少。在考慮空調(diào)關(guān)斷的情況下,已有的空調(diào)潛力評(píng)估方法準(zhǔn)確性有待考量,參與DR 的空調(diào)群調(diào)控策略也缺乏理論依據(jù),亟待進(jìn)一步研究。

首先,本文結(jié)合空調(diào)所屬房屋的等效熱參數(shù)（equivalent thermal parameter,ETP）模型構(gòu)建空調(diào)負(fù)荷模型；其次,計(jì)算空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng),運(yùn)用微元法的思想評(píng)估空調(diào)群參與DR 的可調(diào)節(jié)潛力；然后,基于軟件定義系統(tǒng)提出空調(diào)DR 模型,進(jìn)而提出考慮多重輪換調(diào)控的空調(diào)負(fù)荷控制策略；最后,算例分析驗(yàn)證了本文所提策略的有效性。

1 空調(diào)負(fù)荷模型

1.1 空調(diào)房屋一階ETP 模型

一階ETP 模型可大量縮減模型的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)［13］。因此,本文采用一階ETP 模型表征空調(diào)所屬房屋的室溫變化過(guò)程。假設(shè)空調(diào)處于制冷狀態(tài),空調(diào)房屋的熱動(dòng)態(tài)過(guò)程可表示為:

式中:T和T分別為t時(shí)刻的室內(nèi)、外溫度；Δt為t時(shí)刻到t+1 時(shí)刻的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)；Rro為空調(diào)所屬房屋等效熱阻；Cro為空調(diào)所屬房屋等效熱容；Q為t時(shí)刻的空調(diào)制冷量。

空調(diào)制冷量與空調(diào)能效比相關(guān),可表示為:

式中:η和P分別為t時(shí)刻的空調(diào)能效比和空調(diào)功率。

假設(shè)所求功率為空調(diào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的功率,此時(shí)空調(diào)預(yù)設(shè)溫度與室內(nèi)溫度相同,結(jié)合式（1）和式（2）,空調(diào)功率可表示為:

任意收集同廠家生產(chǎn)的同型號(hào)空調(diào)壓縮機(jī)頻率、空調(diào)功率與制冷量的歷史數(shù)據(jù),可得三者之間的關(guān)系如附錄A 圖A1 所示［23］。

結(jié)合式（1）至式（3）、附錄A 式（A1）至式（A4）,可完整描述空調(diào)電功率和空調(diào)所屬房屋的室溫變化關(guān)系。

1.2 空調(diào)投切工作特性

假設(shè)調(diào)控前空調(diào)運(yùn)行已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)室內(nèi)溫度T將會(huì)保持在空調(diào)調(diào)控前的設(shè)定目標(biāo)溫度T。根據(jù)式（1）和式（2）,室內(nèi)溫度由T調(diào)高至T所需經(jīng)歷的時(shí)間tont可表示為:

式中:T為空調(diào)調(diào)控后的設(shè)定目標(biāo)溫度。

在關(guān)斷空調(diào)時(shí),空調(diào)功率P為0,由于室內(nèi)溫度不能超過(guò)溫度上限值Tmax,t時(shí)刻的空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)t可表示為:

由式（5）可知,允許關(guān)斷運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)與調(diào)控前的空調(diào)設(shè)定溫度相關(guān)。空調(diào)在投切過(guò)程中的工作特性如附錄A 圖A2 所示。

2 基于微元法的空調(diào)調(diào)控潛力評(píng)估

空調(diào)所屬房屋溫度的變化受到用戶舒適度需求的約束,空調(diào)不能長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷。因此,空調(diào)的調(diào)控潛力還受到電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)tneed的影響。本文結(jié)合空調(diào)群允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)最小值t與tneed的關(guān)系,把空調(diào)調(diào)控潛力評(píng)估分為兩種場(chǎng)景討論。tofft,min可表示為:

式中:t為t時(shí)刻第i臺(tái)空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng),i∈{1,2,…,Nz},其中,Nz為參與調(diào)控的空調(diào)總數(shù)。

1）場(chǎng)景1:tneed≤t

此時(shí),空調(diào)群調(diào)控潛力為:

式中:ΔP為t時(shí)刻空調(diào)調(diào)控潛力；為t時(shí)刻空調(diào)總功率；P為調(diào)控前t時(shí)刻第i臺(tái)空調(diào)的功率。

2）場(chǎng)景2:tneed>t

此時(shí),空調(diào)群在t時(shí)段內(nèi)無(wú)法完成電網(wǎng)的調(diào)度任務(wù)。為了描述清楚空調(diào)群與電網(wǎng)互動(dòng)過(guò)程,借助物理學(xué)中的微元法,將通過(guò)控制空調(diào)群完成電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)視為“物理過(guò)程”,使用微元法將其分解為眾多微小的“元過(guò)程”。完成電網(wǎng)DR 任務(wù)的“物理過(guò)程”如附錄A 圖A3 所示。

將“物理過(guò)程”分解為n個(gè)“元過(guò)程”,若單次“元過(guò)程”完成電網(wǎng)調(diào)度需求的持續(xù)時(shí)間為t,則所有“元過(guò)程”完成電網(wǎng)調(diào)度需求的持續(xù)時(shí)間為nt。當(dāng)nt≥tneed時(shí),所有“元過(guò)程”的合集能完成整個(gè)“物理過(guò)程”,如圖1 所示。圖中:Pbf為空調(diào)群初始功率；Paf為空調(diào)群調(diào)控后的功率；ΔPdu為Pbf與Paf的差值,即空調(diào)群調(diào)控變化的功率。

圖1 “物理過(guò)程”分解為n 個(gè)“元過(guò)程”Fig.1 Decomposition of “physical process” into n “meta-processes”

結(jié)合圖1 分析,擬將Nz臺(tái)空調(diào)分解為n次調(diào)控,設(shè)第n次調(diào)控的空調(diào)數(shù)量為Nn。

在經(jīng)過(guò)t時(shí)段之后,被關(guān)斷的N1臺(tái)空調(diào)需要重新啟動(dòng),為了求得調(diào)度時(shí)間對(duì)應(yīng)的最大調(diào)控潛力,將重啟后的N1臺(tái)空調(diào)目標(biāo)溫度調(diào)至Tmax。此時(shí),空調(diào)群平均功率可表示為:

完成第1 次調(diào)控后,在進(jìn)行第2 次調(diào)控時(shí)空調(diào)群功率可表示為:

以此類推,第n次調(diào)控后空調(diào)群功率為:

此時(shí),空調(diào)群最大調(diào)控潛力可表示為:

式中:P為t時(shí)刻調(diào)控前空調(diào)群功率。

3 空調(diào)DR 架構(gòu)

用戶的空調(diào)負(fù)荷功率較小,通常不具備條件自行參與電網(wǎng)的DR,而是通過(guò)LA 與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。LA 的DR 能力主要取決于LA 可控的用戶負(fù)荷量。因此,LA 會(huì)通過(guò)不斷修正完善自身的策略來(lái)提高用戶參與DR 的收益,以吸引更多用戶與其簽訂授權(quán)合同［24-26］。

此外,參與DR 的LA 須具備完善的電能在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理系統(tǒng)與負(fù)荷監(jiān)控等能力［24-25］。隨著國(guó)家積極推動(dòng)DR 的發(fā)展,LA 的監(jiān)控系統(tǒng)要求也不斷提高。LA 系統(tǒng)是實(shí)施空調(diào)群控制的重要實(shí)施平臺(tái),是LA 參與DR 實(shí)現(xiàn)各類需求側(cè)資源聚合、協(xié)調(diào)、優(yōu)化的前提。本文將LA 作為電網(wǎng)和空調(diào)用戶的中介,研究LA 的空調(diào)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)（air conditioning status monitoring system architecture,ACSMSA）。

3.1 LA 系統(tǒng)發(fā)展需求

隨著DR 資源種類越來(lái)越多樣化,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求不斷增加,LA 的監(jiān)控系統(tǒng)在信息采集、調(diào)控等方面的要求也不斷提高,主要體現(xiàn)在以下方面:

1）用戶接口標(biāo)準(zhǔn)化需求?？照{(diào)設(shè)備處在廠家多的環(huán)境中,接口協(xié)議難以統(tǒng)一。此外,面向電網(wǎng)的DR 柔性資源種類多,考慮LA 后續(xù)發(fā)展,除了空調(diào)負(fù)荷外,可能還存在電車、儲(chǔ)能等負(fù)荷接入LA,各類設(shè)備的接口協(xié)議、功能各不相同,難以實(shí)現(xiàn)LA 對(duì)用戶的高兼容需求。

2）靈活資源合理化調(diào)度需求。柔性資源種類差異化導(dǎo)致LA 的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)各類用戶間的信息流通,不同類型柔性資源調(diào)度靈活性不足,難以實(shí)現(xiàn)多類型柔性資源狀態(tài)監(jiān)控的差異化調(diào)度。

3）柔性資源智能高效管控需求。隨著接入LA的用戶數(shù)量與類型越來(lái)越多,對(duì)用戶的控制更為復(fù)雜。僅空調(diào)負(fù)荷就具備負(fù)荷量大、面廣的特點(diǎn),與用戶以及電網(wǎng)之間的信息通信控制需求量大,難以實(shí)現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化、數(shù)字化、高效化運(yùn)行維護(hù)與管控。

3.2 基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的ACSMSA

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network,SDN）是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu),是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式［27］。由于具備網(wǎng)絡(luò)虛擬化和開(kāi)放接口,SDN在網(wǎng)絡(luò)的部署以及擴(kuò)展上具備快速性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)［28］。參 考 文 獻(xiàn)［29］,本 文 設(shè) 計(jì) 了 基 于SDN 的ACSMSA,如附錄A 圖A4 所示。

基于SDN 設(shè)計(jì)ACSMSA,不僅可以極大地簡(jiǎn)化ACSMSA,而且可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制和網(wǎng)絡(luò)的智能化管理［29-30］。

4 空調(diào)群控制策略

4.1 考慮多重輪換調(diào)控的空調(diào)調(diào)控模式

本文提出考慮多重輪換調(diào)控的空調(diào)調(diào)控模式?；趖need與t、電網(wǎng)調(diào)度需求量Pneed與ΔP的關(guān)系,分4 種情況進(jìn)行空調(diào)群的功率控制,具體控制模式如下。

當(dāng)tneed≤t且Pneed≥ΔP時(shí),采用模式1,即全體限時(shí)關(guān)斷調(diào)控。此時(shí),空調(diào)群為全力響應(yīng)電網(wǎng)需求,僅能在t時(shí)間內(nèi)關(guān)閉所有空調(diào)。

當(dāng)tneed≤t且Pneed<ΔP時(shí),采用模式2,即單次隨機(jī)調(diào)控。此時(shí),空調(diào)群僅需在空調(diào)群中進(jìn)行單次優(yōu)化控制,此模式下隨機(jī)調(diào)控空調(diào)。

當(dāng)tneed>t且Pneed≥ΔP時(shí),采用模式3,即多重極限調(diào)控。第1 次調(diào)控時(shí),選取N1臺(tái)空調(diào)關(guān)斷且持續(xù)t,剩余空調(diào)保持功率不變；第2 次調(diào)控時(shí),將N1臺(tái)空調(diào)重啟,為了全力響應(yīng)電網(wǎng)需求,N1臺(tái)空調(diào)溫度設(shè)定為T(mén)max,同時(shí)選取N2臺(tái)空調(diào)關(guān)斷且持續(xù)t,剩余空調(diào)保持功率不變；第n次調(diào)控時(shí),將Nn-1臺(tái)空調(diào)重啟,后續(xù)調(diào)控原理與步驟一致,不再贅述。

當(dāng)tneed>t且Pneed<ΔP時(shí),采用模式4,即多重隨機(jī)輪換調(diào)控。與模式3 類似,主要區(qū)別為第n次調(diào)控時(shí),Nn臺(tái)空調(diào)不僅限于關(guān)斷,還可選擇調(diào)控溫度使得空調(diào)群功率降低,且將Nn-1臺(tái)空調(diào)重啟時(shí),空調(diào)溫度無(wú)須固定設(shè)定為T(mén)max。因此,n次調(diào)控過(guò)程中空調(diào)可被重復(fù)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)多重隨機(jī)輪換調(diào)控。

4.2 空調(diào)群優(yōu)化控制策略

1）優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)

本文所提空調(diào)群優(yōu)化控制目標(biāo)為空調(diào)群聚合功率變化量與電網(wǎng)調(diào)控需求量差值最小,調(diào)控模式3的決策變量為控制后的空調(diào)投切狀態(tài),其余調(diào)控模式的決策變量為控制后的空調(diào)投切狀態(tài)與設(shè)定溫度,表示如下:

式中:δ為t時(shí)刻空調(diào)群聚合功率變化量與電網(wǎng)調(diào)控需求量功率偏差量；P為t時(shí)刻調(diào)控后空調(diào)總功率；P和P分別為t時(shí)刻第k次調(diào)控前、后第i臺(tái)空調(diào)的功率,k∈{1,2,…,n}；αt,i,k為邏輯變量,若t時(shí)刻第k次調(diào)控時(shí)第i臺(tái)空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài),則αt,i,k取1,反之αt,i,k取0；T為t時(shí)刻第k次調(diào)控后第i臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度；ηt,i,k為t時(shí)刻第k次調(diào)控時(shí)第i臺(tái)空調(diào)的能效比；Ri為第i臺(tái)空調(diào)所屬房屋等效熱阻。

2）優(yōu)化控制約束條件

單臺(tái)空調(diào)的溫度設(shè)定須確保在用戶舒適度合理范圍內(nèi),空調(diào)設(shè)定溫度應(yīng)滿足如下約束:

式中:Tmin為溫度下限值。

單臺(tái)空調(diào)的投切情況受允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)約束:

式中:t為t時(shí)刻第k次調(diào)控時(shí)第i臺(tái)空調(diào)允許關(guān)斷的時(shí)間。

3）多重調(diào)控判定條件

多重調(diào)控的目的是電網(wǎng)調(diào)度時(shí)段內(nèi)維持空調(diào)功率削減,其判定條件可表示為:

式中:tdeal為空調(diào)群累積控制時(shí)長(zhǎng)。

若優(yōu)化調(diào)控后沒(méi)有空調(diào)被關(guān)斷,則可近似認(rèn)為空調(diào)群累積控制時(shí)長(zhǎng)可達(dá)無(wú)限大。因此,空調(diào)調(diào)控總時(shí)長(zhǎng)可表示為:

式中:t為t時(shí)段第k次調(diào)控中被關(guān)斷空調(diào)的允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)最小值；t為t時(shí)段第k次調(diào)控中第j臺(tái)被關(guān)斷空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng),j∈Ak,其中,Ak為第k次調(diào)控中被關(guān)斷空調(diào)組成的集合；Nk,z,off為第k次調(diào)控中被關(guān)斷的空調(diào)總數(shù)。

4）多重輪換調(diào)控修正函數(shù)

空調(diào)的設(shè)定溫度會(huì)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果發(fā)生變化。為修正被關(guān)斷空調(diào)的溫度,對(duì)于調(diào)控模式3,修正函數(shù)可表示為:

式中:T1為t時(shí)刻第k+1 次調(diào)控后第j臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度。

對(duì)于調(diào)控模式4,在第k+1 次優(yōu)化調(diào)控中空調(diào)允許關(guān)斷的時(shí)間需要考慮在第k次調(diào)控時(shí)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的影響,修正函數(shù)可表示為:

式中:t+1為t時(shí)段第k+1 次調(diào)控中第j臺(tái)被關(guān)斷空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)。

5 算例分析

空調(diào)群功率的可變動(dòng)量是調(diào)控潛力的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于空調(diào)群潛力評(píng)估的研究通常未考慮修改空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)。本文利用修改空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)以及調(diào)整溫度的方法來(lái)改變空調(diào)群調(diào)控潛力。

選取某區(qū)域內(nèi)的空調(diào)群作為研究對(duì)象,該區(qū)域內(nèi)空調(diào)用戶共有5 000 戶,以該區(qū)域夏季典型氣象日為例,該日室外溫度變化曲線如附錄A 圖A5 所示。空調(diào)群負(fù)荷功率曲線如附錄A 圖A6 所示。空調(diào)所屬房屋、空調(diào)運(yùn)行等參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 空調(diào)模型參數(shù)Table 1 Parameters of air conditioning model

5.1 最大調(diào)控潛力受空調(diào)目標(biāo)溫度影響分析

假設(shè)14:00 時(shí)室外溫度為36 ℃,空調(diào)群初始設(shè)定溫度為22 ℃,其與電網(wǎng)商定的響應(yīng)量為5 000 kW。當(dāng)調(diào)整空調(diào)目標(biāo)溫度時(shí),空調(diào)群功率以及響應(yīng)率變化情況如圖2 所示。

圖2 空調(diào)群功率變化Fig.2 Power variation of air conditioning group

由圖2 可知,調(diào)控后的目標(biāo)溫度越高,空調(diào)群的功率越小,兩者成反比關(guān)系。調(diào)控前,空調(diào)群功率為7 040.28 kW；當(dāng)目標(biāo)溫度調(diào)控至28 ℃時(shí),總功率降至3 236.58 kW,響應(yīng)率可達(dá)76%；考慮空調(diào)關(guān)斷時(shí),總功率可降至0 kW,響應(yīng)率可達(dá)141%。由此可知,合理修改空調(diào)群的運(yùn)行狀態(tài)或調(diào)整溫度可為電網(wǎng)提供巨大的DR 能力。

5.2 最大調(diào)控潛力受電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)影響分析

假設(shè)LA 與電網(wǎng)約定從14:00 時(shí)開(kāi)始執(zhí)行響應(yīng),響應(yīng)需求量為5 000 kW。由式（6）可得,在14:00 時(shí)空調(diào)群最小允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)為20 min,以20 min 為步長(zhǎng),逐級(jí)延長(zhǎng)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng),其響應(yīng)終止時(shí)刻從20 min 逐級(jí)遞增到240 min,空調(diào)群調(diào)控潛力隨調(diào)度時(shí)長(zhǎng)變化情況如圖3 所示。

圖3 空調(diào)群最大調(diào)控潛力變化Fig.3 The maximum regulation potential change of air conditioning group

結(jié)合圖3 與附錄A 圖A5 分析可知,響應(yīng)時(shí)段14:00—16:00 內(nèi),當(dāng)空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí),由于用戶舒適度溫度上限為28 ℃,此時(shí)對(duì)應(yīng)空調(diào)群功率為3 237 kW,在不同電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)下,空調(diào)群調(diào)控潛力極限值始終保持在2 226 kW,響應(yīng)需求率維持在44.53%。響應(yīng)時(shí)段16:00—18:00 內(nèi),由于室外溫度發(fā)生兩次變化,此時(shí)空調(diào)群調(diào)控潛力極限值降至1 894 kW,但在不同電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)下,調(diào)控潛力仍保持不變,響應(yīng)需求率維持在37.89%,可知調(diào)控潛力不受電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)影響。

當(dāng)空調(diào)考慮關(guān)斷時(shí),假定LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段為14:00—14:20,其響應(yīng)需求率達(dá)109.26%；假定LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段為14:00—18:00,其響應(yīng)需求率為37.89%。

受空調(diào)用戶舒適度影響,空調(diào)不允許長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷,空調(diào)群調(diào)控潛力受電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)制約,電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),空調(diào)群調(diào)控潛力越小,但調(diào)控潛力最小不會(huì)低于1 894 kW,即考慮關(guān)斷時(shí)空調(diào)群調(diào)控潛力比不考慮關(guān)斷時(shí)要大。

在空調(diào)考慮關(guān)斷的情況下,當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)小于20 min 時(shí),空調(diào)群調(diào)控潛力達(dá)5 463 kW,與不考慮空調(diào)關(guān)斷的調(diào)控策略相比,調(diào)控潛力提升率達(dá)64.73%；當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)大于220 min 時(shí),延長(zhǎng)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng),空調(diào)群調(diào)控潛力也幾乎不會(huì)發(fā)生變動(dòng),空調(diào)群調(diào)控潛力降至1 897 kW,約等于空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí)的調(diào)控潛力。理論上,1 894 kW 是該空調(diào)群14:00 時(shí)開(kāi)始調(diào)控的潛力極限值,其實(shí)際物理含義為當(dāng)延長(zhǎng)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)時(shí),空調(diào)群會(huì)通過(guò)選取空調(diào)進(jìn)行多次優(yōu)化調(diào)控,當(dāng)時(shí)長(zhǎng)大于220 min 時(shí),該空調(diào)群已無(wú)多余的空調(diào)可進(jìn)行分次調(diào)控,此時(shí)空調(diào)群僅能以溫度上限28 ℃保持運(yùn)行狀態(tài),以確保功率保持最低值。

5.3 空調(diào)群調(diào)控方案效果分析

為凸顯考慮空調(diào)關(guān)斷對(duì)調(diào)控潛力的影響,設(shè)定調(diào)控計(jì)劃為:假定LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段為14:00—15:20,響應(yīng)需求量為2 400 kW。根據(jù)4.1節(jié)提出的空調(diào)調(diào)控模式判斷條件,對(duì)應(yīng)選取調(diào)控模式4,利用粒子群算法可求得空調(diào)群最優(yōu)調(diào)控方案。

5.3.1 調(diào)控方案分析

由于空調(diào)群最小允許關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)為20 min,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知調(diào)控計(jì)劃需要分9 次調(diào)控完成,每次調(diào)控的空調(diào)臺(tái)數(shù)見(jiàn)附錄A 表A1?？照{(diào)群調(diào)控方案見(jiàn)附錄A 表A2。

由調(diào)控方案分析可知,第1 次調(diào)控后,空調(diào)群功率削減量為2 401.25 kW,響應(yīng)率約為100%,持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為20 min,占LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的25%,空調(diào)群調(diào)控時(shí)長(zhǎng)未滿足電網(wǎng)調(diào)控需求,進(jìn)入第2 次調(diào)控；第2 次調(diào)控后,空調(diào)群功率削減量為2 400 kW,響應(yīng)率約為100%,可見(jiàn)第2 次調(diào)控效果滿足電網(wǎng)需求,持續(xù)調(diào)控時(shí)長(zhǎng)為8 min,累積調(diào)控時(shí)長(zhǎng)為28 min,占LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段的35%,仍未滿足電網(wǎng)調(diào)控需求；經(jīng)過(guò)9 次調(diào)控后,累積調(diào)控時(shí)長(zhǎng)占LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段的100%,且每次調(diào)控后響應(yīng)率均達(dá)100%,完成電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)。

5.3.2 空調(diào)群功率變化情況分析

空調(diào)群在執(zhí)行響應(yīng)方案之后的功率變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知,調(diào)控前空調(diào)群按預(yù)設(shè)的溫度運(yùn)行,14:00 時(shí)空調(diào)群執(zhí)行響應(yīng)計(jì)劃,其總功率快速降低至3 061.61 kW,功率削減達(dá)到2 401.25 kW,且在14:00—15:20 之間其波動(dòng)率低于0.05%,該時(shí)段內(nèi)調(diào)控后總功率基本維持不變,且持續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到80 min。同樣參數(shù)條件下,不考慮空調(diào)關(guān)斷的響應(yīng)率為92%,考慮空調(diào)關(guān)斷的響應(yīng)率為100%,以響應(yīng)率達(dá)到100%為完成電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)的基準(zhǔn)線,考慮空調(diào)關(guān)斷比不考慮空調(diào)關(guān)斷的響應(yīng)率提升了8%,能順利完成電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)。

進(jìn)一步分析室溫變化情況,受調(diào)控的空調(diào)所屬房屋的溫度變化情況如附錄A 圖A7 所示。

5.3.3 室外溫度變化對(duì)調(diào)控效果分析

為凸顯室外溫度變化對(duì)空調(diào)群調(diào)控的影響,設(shè)定LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段為15:00—16:20,響應(yīng)需求量為2 000 kW。此外,以本文和文獻(xiàn)［16］提出的策略在相同條件下控制空調(diào)完成相同負(fù)荷削減量,以對(duì)比兩者對(duì)空調(diào)群功率的調(diào)控區(qū)別,如附錄A圖A8 所示。本文對(duì)應(yīng)的空調(diào)群調(diào)控方案詳見(jiàn)附錄A 表A3。

由附錄A 圖A8 可知,紅色陰影部分為文獻(xiàn)［16］控制空調(diào)功率變化的區(qū)域,雖然文獻(xiàn)［16］提出的策略在15:00 時(shí)將空調(diào)功率削減達(dá)到2 000.64 kW,使空調(diào)功率緊緊跟隨控制目標(biāo),但該策略忽略了響應(yīng)時(shí)段內(nèi)室外溫度變化的可能性,使得控制目標(biāo)一直以調(diào)控前（15:00）的空調(diào)群功率為基準(zhǔn),但在實(shí)際控制過(guò)程中室外溫度變化是難以避免的,忽略這部分動(dòng)態(tài)變化將導(dǎo)致控制結(jié)果偏離實(shí)際情況,本文策略通過(guò)多次調(diào)控迭代更新控制目標(biāo)的基準(zhǔn)值,考慮了室外溫度變化的情況,經(jīng)過(guò)8 次調(diào)控后,累積調(diào)控時(shí)長(zhǎng)占LA 與電網(wǎng)約定響應(yīng)時(shí)段的100%,完成電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)。

5.4 DR 結(jié)束后的負(fù)荷反彈效應(yīng)分析

為全面分析本文方法在調(diào)控結(jié)束后引起的負(fù)荷反彈情況,根據(jù)本文提出的調(diào)控模式,構(gòu)建10 類調(diào)控場(chǎng)景,利用文獻(xiàn)［31］分析負(fù)荷的反彈方法進(jìn)行分析,場(chǎng)景設(shè)置依據(jù)可查看附錄A 表A4,負(fù)荷反彈效應(yīng)如附錄A 圖A9 至圖A12 所示。

由附錄A 圖A9 可知,在場(chǎng)景1 和2 下,由于該調(diào)控模式下空調(diào)群被全體關(guān)斷,與不考慮空調(diào)關(guān)斷的情況相比,更容易引起用戶集體無(wú)序進(jìn)行空調(diào)設(shè)定溫度的調(diào)回,導(dǎo)致在14:20 時(shí)空調(diào)集群調(diào)回溫度的情況更為集中,致其在后續(xù)的運(yùn)行中產(chǎn)生較大的空調(diào)群負(fù)荷反彈。

由附錄A 圖A10 可知,當(dāng)空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí),場(chǎng)景3～5 和場(chǎng)景1～2 引起的負(fù)荷反彈效果相似。對(duì)于場(chǎng)景6,雖然響應(yīng)過(guò)程中空調(diào)群的溫度被調(diào)高,但空調(diào)不會(huì)被全體設(shè)定為28 ℃。因此,相比場(chǎng)景3～5,其引起的負(fù)荷反彈效應(yīng)有所下降。當(dāng)空調(diào)考慮關(guān)斷時(shí),場(chǎng)景3～6 空調(diào)群在響應(yīng)過(guò)程中受控的空調(diào)數(shù)量相對(duì)空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí)少,用戶無(wú)序下調(diào)溫度設(shè)定點(diǎn)的集中程度得到一定緩解,引起的負(fù)荷反彈效應(yīng)也有所下降,在場(chǎng)景5 和6 中,對(duì)比空調(diào)不考慮關(guān)斷引起的負(fù)荷反彈效應(yīng)更為輕微。

由附錄A 圖A11 可知,在場(chǎng)景7 和8 中,空調(diào) 群為了全力響應(yīng)電網(wǎng)需求,在響應(yīng)結(jié)束前溫度均會(huì)被調(diào)至28 ℃,此時(shí)空調(diào)群調(diào)控情況與空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí)一致。因此,兩者造成的負(fù)荷反彈效益相似。

由附錄A 圖A12 可知,對(duì)于場(chǎng)景9,當(dāng)空調(diào)考慮關(guān)斷時(shí),在調(diào)控過(guò)程中空調(diào)群可能被關(guān)斷也可能被調(diào)高設(shè)定溫度,對(duì)比空調(diào)不考慮關(guān)斷,受控的空調(diào)數(shù)量會(huì)存在降低的情況,此時(shí)負(fù)荷反彈情況也會(huì)略微下降。在場(chǎng)景10 中,Pneed再次降低,當(dāng)空調(diào)不考慮關(guān)斷時(shí),負(fù)荷反彈效應(yīng)有所下降；當(dāng)空調(diào)考慮關(guān)斷時(shí),由于Pneed遠(yuǎn)低于空調(diào)群調(diào)控潛力極限值,此時(shí)受控的空調(diào)數(shù)量也會(huì)大幅度降低,負(fù)荷反彈效益影響相對(duì)最小。

綜上所述,無(wú)論是否考慮空調(diào)關(guān)斷,在DR 結(jié)束后均會(huì)引起負(fù)荷反彈現(xiàn)象。對(duì)于負(fù)荷反彈效應(yīng),可采用設(shè)定溫度調(diào)回、馬爾可夫鏈等方法避免［32-33］,本文提出的調(diào)控策略,調(diào)控模式1 下提升的空調(diào)調(diào)控潛力最大,且無(wú)須經(jīng)歷多重輪換調(diào)控,避免了實(shí)際操作過(guò)程中可能出現(xiàn)輪換延誤導(dǎo)致響應(yīng)延遲、空調(diào)群功率延遲下降等情況。因此,調(diào)控模式1 適用于電網(wǎng)緊急事故限電等需要大量削減負(fù)荷高峰的場(chǎng)景。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用了ETP 模型構(gòu)建空調(diào)負(fù)荷模型,基于微元法提出了空調(diào)群調(diào)控潛力評(píng)估方法,考慮空調(diào)允許關(guān)斷時(shí)間,提出考慮多重輪換的空調(diào)調(diào)控策略。以某區(qū)域空調(diào)群進(jìn)行實(shí)例分析,主要結(jié)論如下:

1）所提模型與方法能根據(jù)LA 與電網(wǎng)協(xié)商的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出空調(diào)群調(diào)控潛力。仿真結(jié)果表明,考慮空調(diào)關(guān)斷可極大提高空調(diào)群調(diào)控潛力。

2）所提考慮空調(diào)可關(guān)斷的多重輪換調(diào)控策略能保證在不偏離用戶舒適度合理范圍的前提下,完成對(duì)電網(wǎng)的DR 任務(wù),有助于緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力,提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。

3）DR 結(jié)束后空調(diào)群再啟動(dòng)時(shí)將引起負(fù)荷反彈效應(yīng),其中,采取調(diào)控模式1（全體限時(shí)關(guān)斷調(diào)控模式）引起的負(fù)荷反彈較為嚴(yán)重,但調(diào)控潛力也得到了顯著提升,適用于電網(wǎng)緊急事故限電等需要大量削減負(fù)荷高峰的場(chǎng)景；調(diào)控模式2～4 與不計(jì)及空調(diào)關(guān)斷引起的負(fù)荷反彈情況相似,甚至更為輕微。

在后續(xù)研究中,將針對(duì)不同地區(qū)、類型的空調(diào)集群可能存在差異特性對(duì)空調(diào)負(fù)荷調(diào)控特性的影響,以及如何兼顧關(guān)斷空調(diào)與抑制負(fù)荷反彈等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

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