基于需求側(cè)管理的區(qū)域能源系統(tǒng)控制分析

李逸超

（國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400）

中央空調(diào)是調(diào)控要件，相比分體式空調(diào)而言，中央空調(diào)具備多種優(yōu)勢，如中央空調(diào)具備較大的單體容量，更加容易控制等，由于中央空調(diào)絕大多數(shù)被應(yīng)用于事業(yè)單位，由此，較為容易匯聚共識，基于電力而言，更易于需求側(cè)管理，在進(jìn)行需求側(cè)負(fù)荷管理控制的過程中，中央空調(diào)成為優(yōu)選對象。

1 區(qū)域能源系統(tǒng)組成

基于區(qū)域能源系統(tǒng)，主要包括4個子系統(tǒng)：BSS系統(tǒng)（建筑服務(wù)系統(tǒng)），該子系統(tǒng)由辦公建筑以及中央空調(diào)組合而成；CS系統(tǒng)（控制系統(tǒng)），該系統(tǒng)主要由多級控制器組合而成；TSS系統(tǒng)（蓄能系統(tǒng)），該系統(tǒng)主要由換熱器以及水箱組合而成；ESS系統(tǒng)（供能系統(tǒng)），該系統(tǒng)主要有泵機(jī)組組合而成。如圖1所示。

2 區(qū)域能源系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及選型

在建立模型系統(tǒng)之前，需要對部件的參數(shù)與選型進(jìn)行確定，圖2為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖。第一步，依據(jù)建筑的熱負(fù)荷，對供能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含著多種參數(shù)，主要有熱負(fù)荷的參數(shù)以及泵機(jī)組的參數(shù)等；第二步，將峰值熱負(fù)荷所在日期視為經(jīng)典的設(shè)計(jì)日，針對于蓄能系統(tǒng)，在設(shè)置設(shè)備有關(guān)參數(shù)時，主要基于選型的結(jié)構(gòu)以及熱負(fù)荷的變化情況；第三步，充分結(jié)合供能以及蓄能系統(tǒng)的選型，對于中央空調(diào)系統(tǒng)，以此確定多級控制器的參數(shù)，同時，依據(jù)模擬的實(shí)際結(jié)果，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整。

3 負(fù)荷削減控制策略

相比需求側(cè)間負(fù)荷控制策略而言，在實(shí)施直接負(fù)荷控制策略的時候，不借助于蓄能系統(tǒng)，實(shí)際上是利用虛擬蓄能特性，這種特性來源于建筑物本身，具體而言，就是將建筑物當(dāng)作虛擬熱池，對用電模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到直接管理側(cè)用電負(fù)荷的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)。對于負(fù)荷削減控制策略，本節(jié)主要從設(shè)計(jì)周運(yùn)行情況以及設(shè)計(jì)日運(yùn)行情況兩方面進(jìn)行分析，以供參考。

對于負(fù)荷削減控制策略而言，其原則是基于高峰時期的電力，將室內(nèi)溫度的既定值進(jìn)行降低，以達(dá)到削減峰值的目的。具體而言，在上午8～11點(diǎn)的時間段內(nèi)，通過把室內(nèi)溫度由20℃降至18℃，促使電力系統(tǒng)在該段時間內(nèi)的電負(fù)荷明顯降低。設(shè)計(jì)周運(yùn)行情況：設(shè)計(jì)周選取在7月14日～21日，即時間處于9072～9239h，時間的步長為1.5h，在執(zhí)行負(fù)荷削減策略之后，并通過模擬，得出了設(shè)計(jì)周的運(yùn)行情況如下所示。

從圖3中可以得知，泵機(jī)組在設(shè)計(jì)日的實(shí)際運(yùn)行情況，在初始階段，供水溫度維持在42℃左右，在需求響應(yīng)的這段時間之內(nèi)，負(fù)荷回水的溫度顯著上升，并在38～41℃的范圍內(nèi)存在波動的現(xiàn)象。在經(jīng)過響應(yīng)時間后，回水溫度隨之逐漸降低，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象，主要由于室內(nèi)溫度被提高了，由之前的19℃上升至21℃，且增大了送風(fēng)量，然而，盤管出口處的溫差并沒有多大變化，在此情況下，致使熱泵進(jìn)口處的溫差明顯增大，因此，回水的溫度得到了降低，這與電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況是相符的。在實(shí)施削減控制策略的前后，建筑室內(nèi)的溫度出現(xiàn)較為明顯的變化，從19℃逐步上升到21℃，且室溫保持在20℃左右波動，運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

在需求響應(yīng)的時間范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)功率呈現(xiàn)顯著的削減趨勢；在經(jīng)過響應(yīng)時間后，發(fā)生了反彈的現(xiàn)象，系統(tǒng)總功率逐漸增加，但是，在電力平價時間段內(nèi)，對電力系統(tǒng)的影響并不是很大。從整體上來看，在工作日內(nèi)功率效率呈現(xiàn)下降的趨勢，產(chǎn)生這樣的情況主要基于熱量存儲，在周末由于停機(jī)的原因，致使在周一的時候，相比剩余4天，周一熱負(fù)荷相對較高。設(shè)計(jì)日運(yùn)行情況：選取7月14日為設(shè)計(jì)日，即9072～9095h，時間步長為1h，實(shí)施負(fù)荷削減策略，進(jìn)而得出了設(shè)計(jì)日的運(yùn)行情況，主要包括溫度變化以及電力系統(tǒng)耗電的運(yùn)行情況。

在響應(yīng)時間范圍內(nèi)，建筑內(nèi)溫度基本維持在19℃來回波動。但是，在工作日的10～17點(diǎn)，室內(nèi)溫度發(fā)生了變化，從19℃上升到21℃，且溫度在21℃處波動，實(shí)際運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)期的目的。在設(shè)計(jì)日功率的變化：當(dāng)電力處于高峰時期，實(shí)施負(fù)荷削減控制策略，總功率出現(xiàn)下降的趨勢，與基礎(chǔ)模型相比而言，發(fā)揮了一定的削減作用，室內(nèi)溫度也隨之降低了，針對于需求側(cè)用戶的舒適而言，有著很大的影響。在經(jīng)過電力高峰期后，不再實(shí)施控制策略，系統(tǒng)功率出現(xiàn)了反彈的現(xiàn)象，室內(nèi)溫度發(fā)生了變化，有19℃逐漸上升至21℃左右波動，產(chǎn)生了另一個高峰電負(fù)荷，即便處于電力評價階段，也有礙于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制策略

對于負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制策略而言，其原則是基于高峰時期到來之前，將室內(nèi)溫度的既定值進(jìn)行升高，也就是提前升溫，并借助于虛擬熱池，以達(dá)到儲存熱能的目的；當(dāng)處于高峰時段，將室內(nèi)溫度進(jìn)行恢復(fù)，并釋放儲存的熱能，以滿足于熱負(fù)荷的要求，以達(dá)到移峰的效果。本節(jié)主要從設(shè)計(jì)日運(yùn)行情況以及設(shè)計(jì)周運(yùn)行情況兩方面進(jìn)行分析，以供參考。實(shí)際策略設(shè)計(jì)主要包括以下兩種：在6～8點(diǎn)，把室內(nèi)溫度進(jìn)行升高，升高至23℃，在8～11點(diǎn)，將室內(nèi)溫度由23℃降至19℃，在11點(diǎn)之后，再將室內(nèi)溫度升至21℃；在早上7點(diǎn)～8點(diǎn)，把室內(nèi)溫度進(jìn)行升高，升高至23℃，在8點(diǎn)～11點(diǎn)，將室內(nèi)溫度由23℃降至19℃，在11點(diǎn)之后，再將室內(nèi)溫度升至21℃。

設(shè)計(jì)日運(yùn)行情況：選取7月14日為設(shè)計(jì)日，即9072～9095h的范圍，時間步長為1h，實(shí)施負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制策略，進(jìn)而得出了兩種設(shè)計(jì)日運(yùn)行情況。對于室內(nèi)以及機(jī)組溫度的變化情況而言，在工作日內(nèi)，熱泵機(jī)組進(jìn)出口處的溫度處于合理范圍，室內(nèi)溫度基本保持不變。通過對比可以得知，在8～10點(diǎn)，第一種策略的室內(nèi)溫度變化率明顯低于第二種策略，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象主要是因?yàn)榈诙N策略加熱所需的時間較短，儲存的熱量相對較少，致使建筑室內(nèi)的既定溫度發(fā)生了變化，由23℃下降至19℃，溫度下降的時間較快。在實(shí)施轉(zhuǎn)移控制策略后，從系統(tǒng)耗能情況上來看，兩個策略都存在顯著的移峰效果，通過有關(guān)的計(jì)算，相比基礎(chǔ)模型，在實(shí)施第一種策略后，在設(shè)計(jì)日內(nèi)，轉(zhuǎn)移的總電量為35.92kWh，在高峰階段，實(shí)施第二種策略后，電力系統(tǒng)功耗降低了31.79kWh，這主要是因?yàn)槲醇皶r實(shí)施策略，在增加供熱溫度的情況下，高負(fù)荷運(yùn)行所需的時間隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致能耗的增加。通過以上的分析可以得知，在6～8點(diǎn)，實(shí)施負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略，削減負(fù)荷的效果更佳。

設(shè)計(jì)周運(yùn)行情況：選取第一種策略（在6～8點(diǎn)，把室內(nèi)溫度進(jìn)行升高，升高至23℃，在8～11點(diǎn)，將室內(nèi)溫度由23℃降至19℃，在11點(diǎn)之后，再將室內(nèi)溫度升至21℃）為最優(yōu)方案，通過深入的模擬，進(jìn)而得出設(shè)計(jì)周的運(yùn)行情況，并進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算，在設(shè)計(jì)周，通過實(shí)施該策略，累積轉(zhuǎn)移的電量為142.99kWh。在設(shè)計(jì)周內(nèi)，對于電力系統(tǒng)耗能情況來說，在高峰時段來臨之前，已經(jīng)提高了室內(nèi)溫度，致使在高峰時段，機(jī)組產(chǎn)生了新的負(fù)荷高峰，在經(jīng)過高峰時段后，室內(nèi)溫度突然被提升，機(jī)組隨之產(chǎn)生反彈的現(xiàn)象，也就是形成新的負(fù)荷高峰。所以，若負(fù)荷群是由多個機(jī)組組合而成，將會同時發(fā)生變化，進(jìn)而極大地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

通過以上的分析可以得知，在實(shí)施直接負(fù)荷控制策略時，不借助蓄能系統(tǒng)，而是利用虛擬蓄能特性，將建筑物當(dāng)作虛擬熱池，對用電模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到直接管理側(cè)用電負(fù)荷的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)；對于負(fù)荷削減控制策略而言，主要基于高峰時期的電力，將室內(nèi)溫度的既定值進(jìn)行降低，以達(dá)到削減峰值的目的；對于負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制策略而言，其原則是基于高峰時期到來之前，將室內(nèi)溫度的既定值進(jìn)行升高，也就是提前升溫，并借助于虛擬熱池，以達(dá)到儲存熱能的目的。