1引言
研究和实践表明, 传统仅靠单一增加发电规模无法满足人们对电力与日俱增的需求, 必须调动负荷资源参与电网调峰, 才能有效缓解电力供需矛盾。公共楼宇空调具有负荷容量大、可调性较好以及对社会生产影响较小等特点, 成为负荷资源参与电网调峰的优选对象。以江苏为例, 2013年江苏最高负荷达到8191万千瓦, 其中空调负荷“贡献”了全省1/3的负荷量, 约2800万千瓦。
然而, 目前国内关于需求响应的电价及激励政策相对缺失, 基于电价或激励等方式引导空调负荷主动参与电网互动尚不具备可行性。因此, 解决空调负荷带来的电力供需紧张矛盾这一问题, 必须采用新的思路。
2总体思路
空调负荷的调节控制方式主要包括刚性负荷控制和柔性负荷控制。其中刚性负荷控制方式是一般是直接全部或部分关停空调设备, 如关停主机、关停循环系统或者关停末端风机盘管等。该方式的最大优点是方式简单、响应迅速、执行到位、限负荷容量确定。其缺点是刚性控制方式导致空调制冷能力的急剧下降, 影响了用户的舒适度。
近年来, 研究者提出了空调柔性控制的调节方式, 即通过改变空调设备运行参数、运行模式等调整负荷的出力, 达到部分削减负荷的目的。其优点是空调负荷制冷能力下降相对平缓, 对用户的舒适度影响相对较少, 缺点是调控效果存在一定时延(例如设置中央空调冷冻水出水温度, 则需要经过一二分钟负荷才能真正降到计算值), 调控过程相对复杂, 调控容量不确定性大。
由于空调系统是一个复杂的自平衡系统, 对其局部进行的控制会导致负荷的重新分配, 因此空调负荷调控具有一定的非线性特点, 选择公共楼宇空调负荷参与电网调峰显然不同于常规的电网调峰机组, 它是由大量的非线性负荷曲线不断进行优化组合, 虚拟等效出与常规调峰机组相似的调峰曲线。
公共楼宇空调负荷虚拟调峰的思路就是充分利用不同类型楼宇的用电特性、不同类型空调的负荷特性和响应调节特性, 基于电网调峰需求, 选择合适的楼宇、合适的空调进行优化组合, 拟合出与常规调峰机组类似的调峰特性, 将大规模空调负荷虚拟成电网调峰机组, 参与电网调峰调度。
针对江苏电网提出了综合利用空调系统的刚性负荷控制方式与柔性负荷控制方式相结合的思路。基于刚性负荷控制得到基本负荷响应容量, 再在基本负荷响应容量上叠加柔性负荷控制得到调节负荷容量, 从而得到理想的负荷调峰曲线, 如图1。
图中, 空调负荷的刚性控制主要面向主机、循环水泵、新风机组以及末端风机盘管进行全部或部分关停, 从而能得到确定的调控容量, 即得到基本负荷。柔性控制方式主要采用两种方式：第一种方式通过改变空调系统运行参数, 例如调节冷冻水温度、阀门开度限制等; 第二种方式改变空调系统运行模式, 例如进行全局温度控制、冰蓄冷等。柔性控制获取非线性、波动性的调控容量, 即得到调节负荷, 通过基本负荷和调节负荷叠加, 得到目标虚拟调峰负荷。
3实现方式
公共楼宇空调负荷虚拟调峰具体实现方式从下而上包含4个层面, 即楼宇层、终端层、通信层和主站层, 如图2所示。
楼宇层建设主要包括空调本体改造、量测系统建设及监控系统对接。其中空调本体改造内容包括空调主机板的对接、水阀和风阀的改造、末端风机盘管的改造等; 量测系统的建设包括空调主机系统、末端系统、新风系统分项计量、测量装置的安装、楼层温湿度传感器的布点等; 监控系统对接就是与原有的楼宇自动化系统进行互联互动, 获取楼宇的综合用能情况、能效水平等。
终端层建设主要是部署需求响应终端, 对上接收虚拟调峰主站系统的负荷调度曲线, 根据空调系统的实际运行工况, 选择合理的控制策略, 对空调设备进行调控; 对下采集分项计量仪表、温湿度传感器、水温流量等信息, 诊断空调运行状况和能效水平, 为调峰能力预测提供数据支撑。
通信层建设主要是构建高效、可靠的通信网络, 以电力光纤、GPRS、以太网为主, 传输公共楼宇空调运行数据和虚拟调峰指令。通信层建设要注意内网外接入信息安全防护问题。
主站层建设主要部署虚拟调峰主站系统的, 与调度自动化系统等接口交互。虚拟调峰主站功能包括虚拟机组优化组合、策略分解执行、效果统计评估等。虚拟调峰主站接收电网调度系统的负荷调度曲线, 预测公共楼宇的调峰能力, 优化组合楼宇空调系统调控序列, 有序实施调控。
4运行方式
公共楼宇空调负荷虚拟调峰的运行框架主要建立在3个层面, 即公共楼宇层面、空调系统层面以及智能调控层面, 如图3。
在楼宇选取层面, 经过前期对大量公共楼宇的现场调研, 按照楼宇功能定位划分, 公共楼宇大致可以分别以下几类——政府、酒店、商场、地铁、写字楼、医院、学校及综合体。每一种类型楼宇空调的运营时间、开启时间和高峰负荷时间做了一个统计分析, 分布的规律见表1。
公共楼宇功能定位的不同, 使得空调负荷的开启时间和运行时间不同, 导致不同楼宇空调负荷对早中晚高峰的影响不同, 这就使得通过楼宇的优化组合达到满足不同时间段调峰成为可能。
在空调设备层面, 目前主流的三大空调厂家约克、特灵、开利约占楼宇中央空调市场份额的80%～90%, 这就为探索空调调控的共性特性成为可能。针对空调系统不同组成部分, 采取不同的控制方式会带来不同的调控效果, 这就使得通过空调调控对象及手段的优化组合达到满足不同调峰容量需求成为可能, 见表2。
在智能调控层面, 通过空调虚拟调峰主站和终端系统的协调配合, 实现不同楼宇空调负荷的组合和空调系统调控方式的组合。主站层面智能调控策略包括潜力预测、虚拟组合和优化分解; 终端层面通过策略选择、执行和修正达到精准的调控效果。这就使得通过自动化手段的达到虚拟调峰成为可能。
5结语
目前, 江苏在苏州、南京等地选择了162栋公共楼宇, 正在开展空调负荷参与电网虚拟调峰示范工程建设, 公共楼宇覆盖政府、酒店、商场、写字楼等, 调控中将充分利用好刚性负荷控制手段和柔性负荷控制手段, 预计实际调控负荷偏差与目标调控负荷的偏差小于±10%。(杨永标, 颜庆国, 徐石明, 肖文举, 薛铭枫)
原标题：公共楼宇空调负荷参与电网虚拟调峰的思考
