主动需要系数法在建筑负荷控制中的应用

韩占强

(中国中建设计集团有限公司，北京 100037)

0 引言

作为电气设备和线路选择的依据，需要系数法是电气负荷计算的常用方法之一。该方法以热效应条件(即计算负荷产生的热效应与实际变动负荷产生的热效应等效)为基础，需用系数和用电设备使用工况有关，用电设备越多、需要系数越高。需要系数法的计算准确度和设备台数有关，设备台数多时，该计算较为准确。由于设备组中每台设备的使用工况不确定，需要系数反映的就是设备组整体在没有外部干预情况下的自然运行状态，本文中称为自然需要系数，用Kx0表示。

自然需要系数是随着时间变化的，通常取其在一个工作周期内的最大值作为负荷计算和设备选择的依据。一些设计手册中给出了常用用电设备组的需要系数，以表1中住宅建筑为例，通过实际工程调研得出用电负荷的需要系数，为负荷计算提供了参考依据。

住宅建筑用电负荷需要系数 表1

表1中的需要系数虽然用于计算最大需求功率，但负荷在实际使用中一直处于动态变化(见图1)，负荷在某个工作周期内(例如24h内)是不均衡的。由于每个用电设备的使用状态都是由即时需求决定，带有一定的自然随机性，当某一时刻需求集中时，就会达到用电高峰，出现设备负载率高、电能质量下降、供电可靠性降低等问题；当用电需求变小时，则会出现用电低谷，变压器负载率较低，系统资源得不到充分的利用，甚至导致供电电压偏高等。

针对以上问题，主动需要系数的概念被提出，通过对用电负荷特性、运行需求进行分析，采用一定的控制策略对负荷进行合理有效的控制，达到削峰填谷的目的。

图1 分时负荷曲线

1 负荷特性研究和分类

通过对民用建筑用电负荷特性的分析，用电设备可以分为三类。

第一类为即时类用电设备，设备的运行状态仅和实时需求有关，设备本身或其服务对象不含惯性环节或储能环节。典型设备如照明、办公计算机用电等。以照明为例，人们在视觉作业时需要光，室内需要开启照明灯具，灯具发出的光和其开关状态是瞬时对应的，不存在超前或滞后效应。因此此类用电设备的计算功率是由其使用工况决定的，也就是说此类设备的需要系数完全对应于实时需求。

第二类为惯性类用电设备，设备本身或其服务对象包含惯性能量环节，例如热量等。此类设备如房间空调系统、带蓄热水箱的电热水器、电冰箱等。

由于具有能量惯性，设备的运行状态(包括运行功率和时间)在一定条件下可以弹性调整，具有可控制性。以空调系统为例，其所服务区域的房间热量为惯性环节，短时间服务中断时，在一定条件下能使房间温度仍保持在一定的温度范围内，因此可以实现负荷波动控制，判断设备是否为惯性用电设备的关键是判断其本身或服务对象是否包含能量惯性环节。以电热水器为例，带蓄热水箱的电热水器为惯性用电设备，不带蓄热水箱的即热式电热水器不属于惯性类用电设备。一般带水箱的家用电热水器(50L)功率为2kW，即热式热水器(不带水箱)的功率为8kW，可以看出，自带蓄热水箱的电热水器由于具有惯性能量环节，可以大大降低设备安装功率。

第三类为储能类用电设备。设备本身或其服务对象包含储能环节，例如蓄电池或其他储能介质。根据能否向建筑物馈送能量，该类设备又可以分为两类：(1)仅作为用电设备储能，不向建筑物馈送能量，如电动汽车充电桩系统，由于所存储电能系用于汽车行驶用电，对于建筑物来说仅是用电设备。(2)既能作为用电设备储能，又能向建筑物馈送能量，如UPS系统、空调冰蓄冷系统、电网储能系统等。当设备向建筑物馈送能量时，可认为设备的需要系数Kx=-1。其中，在空调冰蓄冷系统中，当低谷电价时，制冷机组运行蓄冷，把电能转化为冷量贮存；用电高峰时，释放储存的冷量，以减少冷机功率和运行时间，达到减少运行费用和优化资源配置、实现整体节能的效果。

在满足使用要求的情况下，储能类用电设备和惯性类用电设备可以采用智能控制策略对设备运行功率和运行时间进行调整，也称为柔性用电设备。随着物联网、通信技术和智能控制技术的发展，此类设备将会越来越智能，更易于实现整体协同控制。

2 针对不同负荷的控制策略研究和案例分析

针对不同的负荷特性，在满足使用需求的前提下，将无序的、不受控的用电负荷调整为受控的、可动态变化的负荷。对于用电设备组来说，通过主动负荷控制和人工干预，使实际使用功率可以按照事先设定的范围进行动态调整，即可通过主动改变其需要系数实现用电负荷柔性控制的方法，在本文中称之为“主动需要系数法”。

2.1 第一类即时类用电设备的控制策略

即时用电设备的运行状态仅和实时需求有关，从削峰填谷角度来看，此种负荷可控性较差。需要注意的是，此类设备的使用工况是否真正对应于其实际需求。

例如在室内具有天然采光的场所，白天并不需要全部开启照明灯具，但目前很多建筑物内并没有做到这一点，造成能源浪费。如果采用智能照明控制系统，利用亮度传感器来实现照明的照度感应控制，也可以视为采取一种主动控制方法以降低照明设备的同时使用系数。

2.2 第二类惯性类用电设备的控制策略

由于惯性类用电设备本身或其服务对象包含惯性能量环节，在设备停止运行后，仍能使其输出参数在一定时间内保持在需求范围内，因此可以利用该特性在用电高峰期进行调节。这个延迟时间越长，对负荷控制就越有利，越利于削峰填谷。

2.2.1 惯性能量环节时间长度

该时间长度由惯性类用电设备的时间常数、系统输出参数的设定限值2个因素确定。其中，时间常数T是表示过渡反应时间过程的常数，对于按指数规律衰变的量，指该物理量上升到至最大值的变化量的0.632倍(1-1/e)，或从最大值衰减到最大值的0.368倍(1/e)所需要的时间，一般认为在4T后过渡过程达到稳定值。时间常数越大，用电设备的惯性越大。时间常数示意图如图2所示。

以房间空调系统为例，其时间常数的物理意义是：在恒定空调输入的情况下，房间的温升达到稳定温升变化值的0.632倍(1-1/e)所需要的时间，也是在断开空调后，温升下降到初始值的0.368倍(1/e)所需的时间。

时间常数和房间围护结构、房间内热负荷大小有关。房间围护结构隔热性能越好，时间常数越大。房间温度的变化可以用式(1)表示：

θ=θ0+(θW-θ0)(1-e-t/Τ)

(1)

式中，θ0为房间初始温度，℃；θW为房间温度稳定后的温度值，℃；θ为t时刻房间温度，℃；T为房间热时间常数。

房间空调系统的惯性时间常数通常是固定的，因此可以通过改变其温度设定值来调节负荷运行状态。假定室内空调温度在夏天为26℃～28℃，若采用定频空调机组，机组在室温高于28℃时投入运行，室温逐渐降低，在到达26℃停止运行(间歇时间长度为Δt1)，室温升高至28℃时机组再度开启，温度动态变化曲线可用图3表示。

如果改变温度的下限值至24℃，则系统储存的冷量增加，机组的运行间歇时间变长为Δt2(Δt2>Δt1)。掌握了以上负荷特性，就可以通过主动负荷控制，在一定时间周期内为电网调峰。对于一个建筑物内的多台机组，可以视为一个用电设备组，通过改变各个机组的运行间歇时间的长短，控制不同机组之间的间歇时间协调错峰，可使整组设备的同时运行功率降低。

其他惯性类负荷也可采用此种方式，如热泵供暖，若允许室温波动±2℃，则电动热泵可同时为电网调峰；电冰箱如允许温度±1℃范围内波动，可根据电力负荷波动运行。

2.2.2 车库送排风机控制实例分析

下面以建筑内常见的车库送排风机为例，说明惯性类负荷的控制方法及对系统设计影响。某地下车库，建筑面积2.2万m2，分为6个防火分区，每个分区内分别配置送排风机。各防火分区风机配置参见表2。

某车库各防火分区的风机配置 表2

地下车库送排风机通常采用时间控制，也可受一氧化碳浓度影响，浓度达到上限值时风机启动，降低到下限值时风机停止运行。这两种方式都可能会同时开启或停止所有风机。参考设计手册，通风机类负荷的需要系数Kx一般可取0.8，用于计算风机在自然工作状态下出现的最大工作负荷。

通过改变运行策略，在CO浓度不超过高限值的情况下，可以利用其浓度参数的惯性间歇时间，使6个防火分区的送排风机错峰交替运行。通过模拟计算，在最不利情况下需2个分区风机同时运行，此时主动需要系数为0.33。

在使用自然需用系数法时，车库送排风机的计算功率为88.8kW，采用主动需要系数后计算为33.3kW，计算容量大幅减小，显著优化了配电系统的资源配置。

2.3 第三类储能类用电设备的控制策略

储能类设备所储存能量和功率、时间的关系可以用式(2)表示：

(2)

可以看出，对应于一定的储能量，可以弹性调整其运行功率、工作时间，对应多种工作曲线，因此具有良好的控制特性；储能充放电功率越大，时间越长，其所存储的能量越大。储能类用电设备可以利用其储能环节在用电低谷期进行储能，在用电高峰时释放所储存的能量，起到削峰填谷的作用(参见图4)。

图4 储能类设备削峰填谷示意图

2.3.1 电动汽车充电桩控制分析

下面以电动汽车充电桩系统为例，重点说明储能类用电设备的控制策略。

电动汽车充电桩的使用需求是在一定时间内使电池充满，由于总充电量是充电功率和时间的积分，充电功率和充电时间可以是变化的，对应不同的功率-时间曲线。图5采用时间间歇控制，图6采用变功率控制。

多台充电桩充电时，在某个时段会出现充电高峰。以住宅小区为例，其使用工况是白天大部分电动汽车外出，晚上回家进行充电。因此充电高峰主要集中在晚上，经过模拟，充电高峰出现在19:00～23:00左右，需要系数较高；23:00以后，充电桩使用率大大降低，需要系数降低。在自然使用工况下出现的充电功率峰值对电网和变压器容量需求都较大。

图5 间歇控制曲线图

图6 变功率控制曲线图

对于单辆电动汽车，在每天都进行充电的情况下，其充电量不是电池的总容量，而是和其当天行驶里程相关。对于多辆电动汽车，每天的平均充电量对应于每天的平均行驶里程。目前主流电动汽车的续航里程都在250km以上，使用交流充电桩充电时间为6～8h。参考图集18D705-2第65页中数据，目前代表型号的电动汽车，100km耗电量为12～16kWh，对应此电量所需的充电时间为1.88～2.5h，可取2.5h。假定小区内所有电动汽车的日平均行驶里程为60km，则平均充电时为2.5h×60/100=1.5h。

若该小区电动汽车日均在车库停留时间为10h，可以通过充电负荷控制，调节各充电桩的工作状态，将所有汽车的总充电量均匀分布在10h完成，此种情况对电网的供电容量需求最小，充电桩的需要系数值为Kx=1.5/10=0.15。此系数即为采用主动负荷控制策略下的主动需要系数的最低值。

目前电动汽车智能充电监控系统已经可以实现此功能，在满足总充电需求的情况下，通过对充电桩进行启停控制和充电电流控制，调节改变充电桩总负荷的大小。充电桩工作状态不再是自然随机的，而是一种主动受控的状态，主动需要系数可以根据配电系统的利用率状态进行动态调整，最大限度利用系统资源，降低系统配置容量。

充电桩主动负荷控制流程图见图7。

图7 充电桩主动负荷控制流程图

需要说明的是，对一个给定的主动需要系数值，为了避免在临界点附近出现设备频繁启停的振荡状态，需要为给定值设定一个上下限值(如不大于给定值的±3%)，建议上下限值之间的实际功率波动幅度大于1个充电桩的功率并小于2个充电桩的功率。

2.3.2 实际工程举例

某住宅小区，总建筑面积7.46万m2(其中地下2.3万m2，地上5.16 万m2)，包括3栋高层住宅、地下车库和配套用房。如不考虑充电桩，经计算需设置4台630kVA变压器,其中住宅用电变电室(局管)和高压自管变电室各设置2台。

根据国家相关政策和标准，新建住宅配建设停车位应100%预留充电设施建设安装条件。本小区配套机动车停车位432个，全部按照7kW交流充电桩考虑，如按照自然需要系数法，最大值Kx0取0.6。则小区车库充电桩总安装容量为PeΣ=432×7kW=3 024kW，总计算容量为Pj0=Kx0×PeΣ=0.6×3 024=1 814kW。如设置充电桩专用变压器，则需要预留变压器容量为S=Pj/β/cosφ=1 814/0.7/0.95=2 727kVA。

从以上计算可以看出，住宅小区充电桩容量如果简单地用自然需要系数法计算，充电桩需要配置的变压器容量较大，甚至会超过充电桩之外所有负荷所需配置变压器容量的和。如果采用主动系数法，假定日均行驶里程60km，在车库日均停留时间为10h。充电桩最小需要系数可以取Kx1=0.15。计算结果对比列表参见表3。

通过以上分析，采用主动需要系数法可以最大限度利用配电系统供电能力，降低变压器安装容量，优化系统资源。

在既有变压器上增加充电桩，可以通过分析实测变压器日负荷曲线(见图8)，计算出最大可用容量，再通过主动负荷控制，可以反推计算得出电动汽车充电桩的最大可安装数量。具体控制策略可根据通过实测计算变压器的负载率，控制充电桩启停的数量，并形成闭环控制。计算方法如式(3)～(6)所示。

自然需要系数法和主动需要系数法负荷计算对比 表3

(3)

W2=S×βmax×0.95(t2-t1)

(4)

Wav=Pc1×Tav

(5)

(6)

式中，W1为在某个时间段变压器现状负荷的消耗电能，kWh，为有功负荷和时间的积分；W2为在某个时间段变电器在最大设定负载率运行时的供电电能，kWh；Wav为单个充电桩每天平均充电量，kWh；Pc1为单个充电桩充电功率，kW，交流充电桩为7kW；Tav为单个充电桩对应某里程的每天平均充电时间，h；N为最大可服务的充电桩数量；βmax为变压器设定最大负载率；t1、t2为某个时间段的起始时间，h。

图8 变压器供电容量分析示意图

如图8所示，为变压器供电容量分析示意图。其中，底部阴影面区域表示现状负荷用电量，上部中间阴影面区域表示变压器在设定最大负载率下的用电量，上部两侧阴影面部分表示从晚上19:00至早上7:00充电桩最大可用电量。

以上分析案例中采用的是交流充电桩，由于电动汽车平均充电电量只和小区内电动汽车平均行驶里程有关，因此，采用功率更大的直流快速充电桩，可以得到同样的分析结果，不同的是对直流充电桩来说，其主动需要系数更低。

既能作为用电设备储能，又能向建筑物释放能量的储能类用电设备是最理想的负荷。例如电网储能系统，采用蓄电池储能，用电低谷时充电，用电高峰时蓄电池放电，向电网馈送电能。笔者相信，随着智能微电网的发展，此类设备将会得到越来越多的应用。

2.4 多种负荷组合的综合控制策略

建筑中的用电负荷是以上3种负荷类型的组合。

即时类用电设备的运行状态完全由实时需求决定，不存在延时或滞后环节，其运行需要系数对应于自然需要系数。

惯性类用电设备可以根据允许的运行间歇时间的长短，通过改变输出对象参数的变化区间来控制设备的运行方式和时间，利用负荷惯性实现交替错峰运行，通过主动控制达到降低需要系数的目的。

储能类设备是比较理想的柔性设备，可以在用电低谷时投入运行储能，用电高峰时释放能量。其储能量越大，对系统削峰填谷越有利。

(1)负荷控制的总体原则

削峰填谷和经济性最佳原则：对于按峰谷电价计费的场所，在高峰电价期间应尽量减少设备的运行，储能类设备释放能量，惯性类设备主动控制其需要系数至最低值。在低谷电价期间，储能设备投入运行，惯性类用电设备可以利用其负荷惯性，改变其输出参数，进行适度蓄能。对于使用新能源的场所，可以根据新能源的发电量进行主动负荷调节。

安全可靠性原则：在用电高峰期或特殊保电时期，采用主动需要系数法进行负荷控制，改变用电设备自然随机的使用状态，减少设备的实际使用功率，保证重要负荷供电的可靠性。

(2)确定控制边界条件

采用主动需要系数法需要确定两个边界值，最小值由满足设备使用需求的功率最低值确定，最大值由配电系统可提供的最大容量确定或节能控制策略即时设定值确定。在确定设备组内各设备的运行状态时，可以采用优先级控制、排队控制、轮换控制等方式。

对于某个变压器供电的负荷，可以设定变压器的最高负载率或配电干线的最大负荷容量，进行闭环控制。

在设计阶段，可以根据主动需要系数法的需要系数最低值作为最小边界值计算变压器的容量，例如前述充电桩专用变压器计算举例就可以很好地说明了这种方法，其他负荷可以参考此种方法，分析运行工况后确定合适的控制策略和计算取值，达到优化配置的目的。

3 结束语

根据用电负荷的不同运行特性，采用主动控制策略，在满足使用要求的前提下，改变建筑物中用电负荷自然、无序、随机的使用状态，可以减少设备安装容量，降低运行成本，提高系统的运行可靠性。

采用主动需要法计算得到的最大负荷要小于采用自然需要系数法求得的最大负荷，反之会影响供配电系统的设计。从削峰填谷效应来看，储能类设备的控制性能最好，惯性类设备次之，即时类设备贡献最小。