中央空调集群需求响应双层优化控制方法研究

摘  要：中央空调运行负荷较大，需要及时满足其需求响应，为此提出中央空调集群需求响应双层优化控制方法。建立目标函数，求解中央空调集群在最大负荷运行条件下的约束条件，根据约束条件调度中央空调的响应目标，在此基础上，构建一个双层优化控制模型，采用该模型得出各个空调的运行状态，并将运行状态信息与需求信息同时传输至模型中的信息处理单元，从而针对空调的状态实现有针对性的调控。实验结果表明，该方法能够及时对需求响应作出调整，实现了对中央空调集群的高精度控制。

关键词：中央空调集群;需求响应;约束条件;双层优化控制

0    引言

在经济高速发展的背景下，无论是家庭用电量还是企业用电量均呈现出持续增长的趋势，虽然相关控制措施可在一定程度上缓解用电问题，但部分地区仍然存在电力供应紧张的问题。空调作为一种已经普及的电器，其用电负荷容量较大，尤其是夏季，此时是空调负荷高峰期，如果不对空调负荷尤其是中央空调集群负荷进行有效控制，极易出现负荷尖峰现象。除此之外，通过合理的需求管理方式，使中央空调集群快速响应调度需求，实现对需求响应的有效控制，有助于缓解电力供应紧张的局面，进一步保障电网的运行安全[1]。

目前常用的控制方法主要有基于弹性温度可调裕度的控制方法、基于用户需求的控制方法以及基于状态预测的控制方法，上述方法虽然都能够实现对需求响应的控制，但存在控制精度不高和响应不及时的问题[2]，因此，设计了一种基于双层优化控制模型的中央空调集群需求响应控制方法。

1    中央空调集群需求响应双层优化控制方法

功率波动是中央空调集群的重要输出向量，在需求响应控制中，如果仅从数值角度出发，那么功率波动可以作为中央空调集群的输出功率，但在实际需求中，功率波动受多方面因素影响，因此，在定量分析需求响应中室内温度设定区间、需求响应时长、需求提前通知时间等条件的前提下[3]，构建一个目标函数：

K=T（Pmax+Pmin）       （1）

式中：Pmax表示波动曲率最大值，即中央空调集群运行功率的最大值;Pmin表示波动曲率最小值，即中央空调集群运行功率的最小值;T表示运行时长，具体可分为tstart和tend，tstart表示需求响应的起始时刻，tend表示需求响应的结束时刻。

由能量守恒定理可知，某个时间段内中央空调输送的热量减去该区域内原有的热量，应该等于该区域的实际热量值[4]，基于该原理结合公式（1）构建的目标函数，得到中央空调集群在最大负荷运行条件下需求响应的约束条件：

式中：Pbeat（tstart）表示需求响应起始时刻中央空调集群运行功率最佳值;Pbeat（tend）表示需求响应结束时刻中央空调集群运行功率最佳值;n表示空调数量;i表示集群中的第i个空调;pi表示空调i运行的最大负荷;Sti表示运行时段内需求响应事件持续时间;qj表示空调运行负荷系数。

在满足上述约束条件的基础上，假设中央空调集群在接收需求响应之前，就已经进入到预制冷工作模式，此时构建双层优化控制模型，对需求响应进行层次化控制：

式中：pn表示中央空调集群总体需求响应系数;pn′表示中央空调集群在提前通知条件下的需求响应系数;un表示需求响应过程中中央空调集群的运行状态;un′表示运行偏差。

通过求解双层优化控制模型，得出各空调的运行状态，将运行状态信息与需求信息同时进行处理，根据处理结果给出响应指令，并判断是否对中央空调集群进行人为控制，从而实现对中央空调集群需求响应的层次性和全面性控制。

2    实验验证与结果分析

为验证基于双层优化控制模型的中央空调集群需求响应控制方法的实际应用效果，在Windows 10操作系统、内存容量为16G、硬盘容量为512GB SSD+2TB HDD的硬件环境下进行实验，实验数据均采用MATLAB软件进行处理。

需求响应时间反映控制方法的响应效率，影响控制效果，以此为实验指标，将基于弹性温度可调裕度的控制方法（方法1）、基于用户需求的控制方法（方法2）以及基于状态预测的控制方法（方法3）作为对比方法与本文方法进行对比，结果如表1所示。

分析表1数据可知，本文方法的需求响应用时明显低于现有方法，其最高用时仅为2.80 s，最低仅用时0.98 s，说明该方法的响应效率更高，能够对中央空调集群需求及时做出反映与调整，有利于降低出现负荷尖峰现象的风险。这是由于该方法构建了双层优化控制模型，通过该模型获得中央空调集群中各个空调的运行状态，并进行有针对性的处理，从而缩短了响应时间。

以控制精度为实验指标，对比不同方法的需求响应控制效果，结果如表2所示。

分析表2数据可知，与现有方法相比，运用本文方法对中央空调集群需求响应进行控制时，控制精度明显更高，在实验次数为210次时，其控制精度最大值达到了89.0%，说明该方法的控制效果较为可靠，可为中央空调集群的安全运行提供保障。因为该方法通过目标函数求解中央空调集群需求响应的约束条件，在此基础上进行优化控制，有利于提高控制精度。

3    结语

针对现有方法存在的需求响应时间较长和控制精度不高的问题，提出了基于双层优化控制模型的中央空调集群需求响应控制方法。实验结果证明，本文方法控制精度较高，且响应时间较短，能够适用于中央空调集群需求响应的相关控制操作，有助于缓解用电紧张的问题。虽然本文方法取得了一定的成效，但是由于没有考虑到空调的热惯性等因素，集群中的个别空调存在无法接收响应需求信息的问题，因此还需进一步优化。

[参考文献]

[1] 华亮亮，黄伟，葛良军，等.计及需求响应的主动配电网双层优化调度模型[J].电力建设，2018，39（9）：112-119.

[2] 王均，黄琦.基于优惠券激励的需求响应双层优化机制[J].电力系统保护与控制，2019，47（1）：108-114.

[3] 朱宇超，王建学，曹晓宇.中央空调负荷直接控制策略及其可调度潜力评估[J].电力自动化设备，2018，38（5）：227-234.

[4] 董晓晶，刘洪，宫建锋，等.考虑多类型综合需求响应的电热耦合能源系统可靠性评估[J].电力建设，2018，39（11）：10-19.

收稿日期：2020-06-16

作者简介：滕兆胜（1969—），男，山东日照人，硕士，工程师，研究方向：电气工程與自动化。