基于日前调度的大规模中央空调调峰方法

李作锋，杨 斌，杨永标，崔高颖

（1.国网江苏省电力公司，南京 210024；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211000；3.国网江苏省电力公司 电力科学研究院，南京 10003；4.国家电网公司 电能计量重点实验室，南京 210019）

◆能效与负荷管理◆

基于日前调度的大规模中央空调调峰方法

李作锋1，杨 斌1，杨永标2，崔高颖3，4

（1.国网江苏省电力公司，南京 210024；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211000；3.国网江苏省电力公司 电力科学研究院，南京 10003；4.国家电网公司 电能计量重点实验室，南京 210019）

目前，很多省级电网存在尖峰突出、负荷波动大等问题，其中空调负荷已成为造成电网尖峰负荷的主因。据不完全统计，发达地区空调负荷已达到峰荷的1/3，甚至接近50%。2015年，北京夏季空调负荷为720万kW，江苏夏季空调负荷为2 700万kW，分别占最大负荷的38%和32%［1］。对空调负荷进行调控，就相当于为电力系统提供了一种新型的“负瓦”调节资源［1］。另一方面，相对于居民空调，公共楼宇中央空调负荷占比大、集中、可控，通过先进的传感、采集、控制、通信和优化技术，可实现规模化调峰潜力，有效减小电网峰谷差，改善电网供电结构［1—3］。

目前，空调负荷参与电网调峰研究主要集中在调控技术与电价引导2个方面。在调控技术上，目前主要有中断控制、周期性暂停控制及温度控制3种调控手段［4—7］。文献［8］、文献［9］通过相关工程示范验证了空调负荷实现电网削峰的可行性；文献［10］—文献［12］提出了大规模空调负荷以刚柔组合控制模式参与电网调控的总体思路和技术架构；文献［13］—文献［15］采用状态队列响应控制模型构建了空调负荷能效电厂模型，提出了空调负荷以直接负荷控制（direct load control，DLC）方式下的优化调度模型；文献［16］提出商务楼宇中央空调周期性暂停控制（duty cycling control，DCC）的市场运作模式及DCC策略优化模型；文献［17］针对以往中央空调对终端整体调节的控制方法，提出了基于局部终端温度调节的控制策略。在电价引导上，文献［18］、文献［19］研究了在电价信号下，居民用户空调负荷基于改进粒子群的多目标优化控制算法。

2009年，美国针对西雅图商业楼宇进行研究,验证了商业楼宇空调负荷调控的可行性。2009—2011年，日本开展了居民空调用电的实证研究。2012年，国家电网公司在上海汇泰大楼、重庆电力公司新生产大楼以及北京方恒国际等楼宇开展智能楼宇空调调控项目，实现了15%以上高峰负荷削减目标。2015年8月，国网江苏省电力公司开展了全省非工空调调控示范工程，参与空调用户达到1 172户，实际控制负荷14.95万kW。

因此，依托江苏非工空调调控示范工程，在具体分析中央空调负荷组成及调控策略潜力的基础上，提出了大规模中央空调调峰架构及优化模型，以电网公司补偿费用最少为目标，计及电网侧、用户侧等约束，采用CPLEX优化软件，以调控选项为变量得出中央空调调控组合方案，具有实际调控意义。

1 大规模中央空调调控策略及架构

1.1 中央空调系统分析

完整的中央空调的水系统一般由冷水机组、冷冻水循环系统、风机盘管、冷却塔及相应的控制系统等构成。

（1）冷水机组：主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等构成。

（2）冷冻水循环系统：由冷冻水泵、阀门、供回水管道等组成，是中央空调系统中的载冷剂回路，主要作用是将来自于制冷机组的冷量带到风机盘管系统中，用于和室内的热空气进行交换，达到降低环境温度的效果，与此同时，将室内的空气热量再带回至制冷机组。

（3）冷却水循环系统：包括冷却水泵、冷却塔、供回水管道、阀门等，将制冷机组工作与热交换过程中产生的大量的废热排放到室外的空气中，之后冷却水在经过冷却塔喷淋式的冷却降温后，又被带回到制冷机组的冷凝器中，如此循环往复。

（4）风机盘管系统：风机盘管系统主要由热交换盘管、盘管风机、室温控制装置等构成，为中央空调系统末端装置，作用是根据空调区域的需求，通过风机向空调区域输送冷风量，不间断地循环室内空气，将空气热量带到冷冻水系统中并提供适宜的新风，用来保证房间内适宜的湿度和温度等。

示范工程调研显示，冷水机组负荷一般占空调负荷的74%，冷冻水循环系统占15%，冷却水循环系统占8%，风机盘管系统占3%，空调主要部位耗能比重如图1所示。

图1 空调主要部位耗能所占比重

1.2 中央空调调峰策略

依据空调系统的不同物理特征，基于工程实际，中央空调柔性调控策略分类如下。

（1）区域控制策略

全局温度控制：改变空调作用区域的整体温度设定，或者改变空调回风温度的设定。

预制冷：增加系统冷量输出，使室内温度降低，提前储备冷量。

（2）冷水机组控制策略

增加冷冻水温度：调高主机设备的出水温度。

限制制冷需求：限制或减少制冷需求或冷机容量。

（3）末端系统控制策略

控制风机变频：改变送风设备的电动机输出功率。

增加送风温度：调高送风设备的出风温度。

减少风机数量：关闭部分送风设备。

限制冷却阀门：调节送风设备的冷冻水进水阀门。

（4）恢复与撤销策略

慢速恢复：将控制参数逐级调回到原有设置值。

恢复分组/分区域设备：将受控设备进行分组或分区域恢复到正常运行状态。

延长调控时间：将控制时间延长至设备正常关闭时刻。

1.3 大规模中央空调参与日前调峰架构

大规模中央空调参与日前调峰架构为2层，如图2所示。电网侧平台实现调峰潜力预测、策略优化及效果评估等功能，向用户侧调控终端下发调峰指令，同时接收终端上传的负荷信息，便于实时监测；用户侧调控终端主要负责对典型空调设备进行控制。

图2 大规模中央空调参与日前调峰架构

中央空调参与日前调峰流程包括调峰前、调峰时、调峰后3个部分，调峰前包括调峰能力预估、调峰策略优化及形成；调峰时为调峰指令、信息的发送及监测；调峰后为调峰效果评估及调峰能力修正等，中央空调参与日前调峰流程如图3所示。

图3 中央空调参与日前调峰的流程

2 基于日前调度的中央空调调峰优化模型

2.1 调峰策略选择

综合调峰效果及成本，考虑全局温度控制、增加冷冻水温度、关闭风机盘管和主机作为主要调峰策略，根据现场实证数据，具体策略如下。

（1）全局温度控制

若相对湿度为50%～60%RH，环境空气温度为24～26℃时，人体将会处于最舒适状态。以室温控制在24℃为基础，空调设定温度每提高1℃，空调能耗大约降低7%，降负荷计算如式（1）

式中：ΔPt为削减功率，kW；Pair为空调系统功率，kW；ΔT为下降温度值，℃。

设定控制最低温度为24℃，全局温度控制策略下包含3个调峰档位，分别为提高室内设定温度1℃、2℃、3℃。

（2）增加冷冻水温度

若固定转速离心冷水机组，冷冻水出水温度每提升1℃可节能0.91%～1.97%；装有变频装置的离心机组，一般在低于80%负荷条件下，冷冻水出水温度每提升1℃可节能3.64%～5.46%，降负荷计算如式（2）

式中：ΔPw为增加冷冻水温度削减功率，kW；ΔT为水温调节量，℃；δ为修正值，固定转速离心机取值0.91%~1.97%，变频离心机取值3.64%~5.46%；Pm为原消耗功率,kW。

在不影响用户舒适度的情况下，降低中央空调耗能，设定增加冷冻水温度策略下包含3个调峰档位，分别为增加冷冻机出水温度1℃、2℃和3℃。

（3）关闭风机盘管

当执行关闭风机盘管策略时，一方面风机盘管功率下降，另一方面末端负荷下降也会对主机负荷造成间接影响，降负荷计算公式如式（3）

式中：ΔPf为关闭风机盘管削减功率，kW；α为风机盘管关闭比例；Pf为风机盘管总功率，kW；，β为风机盘管关闭对主机的影响率，取值5%~20%；Ph为空调主机功率，kW。

采取关闭风机盘管30 min的方式，设置2个调峰档位，分别为关闭10%和20%风机盘管。

（4）关闭主机

主机功率远大于末端或循环系统，不考虑主机短时间的降负荷对其它系统的影响，降负荷计算公式如式（4）

式中：ΔPh为关闭主机削减功率，kW；γ为主机关闭比例；Ph为主机总功率，kW。

针对含有2台及以上主机的中央空调用户，采取关闭其中一台主机30 min的调峰策略。

在模型设计中，假设e为调峰策略，g为调峰选项，调控决策变量X( ) e,g,k,t为整型决策变量，表示第k个中央空调用户在t时段参与第e类调控策略的第g个调控选项，参与为1，不参与为0。

2.2 目标函数

假设有m个中央空调用户，次日负荷调度分为T个时段（相邻时段间隔为Δtmin），中央空调用户时段的补偿报价为，可调峰容量，上级调度部门下达的调峰容量为，分配给中央空调用户的调峰配额是，由此建立中央空调日前调度计划的优化模型，以电网公司补偿参与调峰空调用户的补偿费用最少为目标函数

空调用户调峰容量和调度下达调峰容量的偏差为ε

2.3 约束条件

（1）调峰量约束

分配给用户的削减容量配额要小于或等于用户的可削减容量。即

（2）调峰总容量约束

中央空调用户所削减的总容量要大于或等于上级调度部门下达的调度容量。即

（3）调控选项约束

每个中央空调用户在一个时段内每类调控策略下仅可参与1个调峰选项。即

（4）调峰偏差约束

式中：εmin为上级调度部门可接受的调峰偏差最小值。

优化模型可规化成非线性单目标混合整数规划问题，决策变量为X( ) e,g,t,k，采用CPLEX优化软件进行求解。

3 算例分析

3.1 基础数据及处理

采用南京2015年7月30日7类62家典型中央空调负荷数据，用户包含商场、酒店、办公楼、写字楼、综合体、大型公建和学校。参与用户数分别是13户、4户、14户、21户、5户、4户和1户，为保证示范工程调控的准确性、可行性，假设每类用户参与同一种调控策略及选项。针对早高峰9:30～11:00，腰高峰13:00～14:30和晚高峰20:00～21:30的3个时段进行调峰，数据采集频率为15 min，w为时间段，w=1表示早高峰，w=2表示腰高峰，w=3表示晚高峰。要求调峰偏差率在±20%以内。

在补偿电价设计方面，一般参与调控的用户，属于日前调度范畴，隔日避峰的用户，给予的补偿电价一般为0.3元/kWh。考虑到选取的7类用户中有以盈利性质的一般工商业用户和非盈利性质的用户，因此商场、酒店、办公楼、写字楼和综合体按0.3元/kWh补偿，大型公建和学校按0.25元/kWh补偿。另外，对于参与用户给予暂缓或不参与有序用电的奖励。

根据2.1小节，按照调控策略排序，共有9个调控选项，以选项1，2，…，9来表示。

3.2 中央空调参与调峰优化效果

62家用户分为7类用户进行组合优化，同类型用户采用早高峰、腰高峰轮流调控手段。采用CPLEX软件混合整数优化进行优化，其中早高峰调控手段（9:30～11:00）组合如表1所示，优化结果发送给控制终端，并上传调峰效果。

表1 早高峰调控方案组合

早高峰调峰后负荷调峰量如图4所示。

图4 早高峰时段调峰量

早高峰调峰总负荷为16 560 kW，削减电量为24 840 kWh，最大调峰偏差为-10%，最小调峰偏差为0.2%，平均调峰偏差为6.24%。

腰高峰调控手段（13:00～14:30）组合如表2所示。

表2 腰高峰调控方案组合

腰高峰调峰前后的负荷对比如图5所示。腰高峰的总削减负荷为17 544 kW，削减电量为26 316 kWh，平均调峰偏差为10.2%。晚高峰（20:00～21:30）调峰手段组合如表3所示，办公楼、写字楼因用户下班而不参与调峰管理。

图5 腰高峰时段削减前后负荷对比图

表3 晚高峰调控方案组合

晚高峰调峰前后的负荷对比如图6所示。晚高峰调峰总负荷为6 626 kW，削减电量9 939 kWh，21:00时刻调峰量为-140 kW，具体如图7所示。可能有以下原因：调度部门预测负荷基线存在误差；办公楼、写字楼未参与调峰，导致调峰负荷整体减少；20:45时刻调峰负荷达到最大值，21:00时刻部分用户存在负荷反弹；晚高峰室外温度较低，导致终端配置同样的调峰策略得出不同的调峰量。

图6 晚高峰时段调峰前后负荷对比图

图7 晚高峰时段调峰量

示范数据可以看出，一方面，中央空调参与削减负荷40 730 kW，实现了空调负荷组合调峰，削减电量61 095 kWh，按正常工商业电价0.8元/kWh，节省电费48 876元；另一方面，上级调度部门需支付补偿电费16 801元，以虚拟调峰机组代替常规调峰机组，避免了常规发电机组的容量。

4 结论

本文以中央空调参与日前调峰为背景，分析了中央空调调控的常见策略及效果，建立了大规模中央空调调峰模型，以成本效益为目标，计及电网侧、用户侧等约束，采用CPLEX优化软件，对公共楼宇7类用户参与早、腰、晚峰进行仿真，以调控选项为变量得出中央空调调控组合方案。

一方面受到示范工程限制及避免用户频繁启停机组，本文忽略了中央空调负荷最小调控时间、最小调控时间间隔等因素，导致空调调峰效果较为“粗糙”，波动范围较小，无法满足波动性大的调峰需求。另一方面，后续需加强单体空调负荷强化调控策略及选项研究，准确评估负荷调控效果，可有效提升调峰精度。D

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The peak load shifting method based on day⁃ahead dispatch with large scale central air⁃conditioning

LI Zuo⁃feng1,YANG Bin1,YANG Yong⁃biao2,CUI Gao⁃ying3,4

（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China;2.NARI Technology Co.,Ltd.，Nanjing 211100，China;3.Electric Power Research Institute，State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210003, China；4.Key Laboratory of Electric Energy Metering,State Grid Corporation,Nanjing 210019,China）

公共楼宇中央空调负荷具有时段性集中、负荷基数大、调控方式多、调控影响小等特点，已成为电力公司调峰的重要手段。首先分析了中央空调的能耗组成，基于示范实证提出了公共楼宇中央空调参与电网调峰的主要策略及效果，构建了大规模中央空调参与日前调峰的技术架构，并以电网公司补偿调峰用户费用最少为目标，计及调峰选项、调峰总量、调峰偏差等约束，提出了基于日前调度的大规模中央空调调峰优化模型，最后以江苏非工空调调控示范为例，借助CPLEX优化软件得出中央空调参与早、腰、晚高峰的调控组合方案。

公共楼宇;中央空调；日前调度；负荷调峰

Central air⁃conditioning load of public buildings has become one of the most important peak load shifting resources by electric power company,for the features of using time concentra⁃tion,large capacity,various adjustable methods and little influence on customer,and so on.The compose of central air⁃conditioning pow⁃er comsumption is analyzed firstly,and the adjustable stragies and effect of public buildings’central air⁃donditioning for peak load shifting are proposed based on the demonstration project.Then,the structrure and optimal dispatch model of central air⁃conditioning for day⁃ahead peak load shifting are constructed with electric power compay’s minimum compensation fees,considering the constraint of adjustable stragies,dispatch total and signal capacity,and so on. Lastly,as Jiangsu Province demonstration project on non⁃productive air⁃conditioning for example,the dispatch schedule in different peri⁃od is got with CPLEX optimal soft ware.

public buildings;central air⁃conditioning;day⁃aheaddispatch;peakloadshifting

TM 711

B

1009-1831（2017）03-0026-06

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.006

2017-04-01