基于用電習(xí)慣的空調(diào)負(fù)荷曲線研究

陸斌

為了全面評估空調(diào)負(fù)荷的調(diào)度潛力并為制定負(fù)荷調(diào)度計劃提供參考，本文對不同用電習(xí)慣下的空調(diào)負(fù)荷曲線及可調(diào)度容量進行了研究。首先提出了基于蒙特卡羅法的空調(diào)負(fù)荷曲線計算方法，結(jié)合空調(diào)負(fù)荷模型，通過蒙特卡羅法模擬規(guī)?；照{(diào)負(fù)荷的運行情況，從而計算負(fù)荷曲線。其次結(jié)合算例對比分析了不同開機時間、設(shè)定溫度、關(guān)機方式等用戶用電習(xí)慣下空調(diào)負(fù)荷的負(fù)荷曲線結(jié)果顯示，空調(diào)負(fù)荷曲線隨著用電習(xí)慣的多樣化而趨于平滑。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)負(fù)荷 負(fù)荷計算 可調(diào)度容量 用電習(xí)慣

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，全社會的電力供需均呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢，國內(nèi)負(fù)荷結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生深刻變化。在國內(nèi)的大中城市中，空調(diào)負(fù)荷在用戶負(fù)荷中的比例逐漸上升，在夏季高峰負(fù)荷時期體現(xiàn)得尤為明顯。大量的空調(diào)負(fù)荷造成高峰負(fù)荷的不斷攀升，峰谷差進一步拉大，出現(xiàn)顯著的負(fù)荷尖峰現(xiàn)象，而低谷期電力富余，部分發(fā)電容量處于閑置狀態(tài)，電力設(shè)備利用率降低，對電網(wǎng)運行帶來巨大的負(fù)面影響。

與此同時，空調(diào)所屬建筑環(huán)境具備一定的熱儲存能力，能夠在一定時間范圍內(nèi)將電能轉(zhuǎn)化為熱能進行儲存，且在一定溫度范圍內(nèi)對用戶體驗無明顯影響。目前已有較多學(xué)者對空調(diào)所屬建筑物的模型進行了研究。文獻[4]應(yīng)用基于電路模擬的等效熱參數(shù)（equivalent thermal parameters，ETP）建模方法，得到了空調(diào)負(fù)荷所屬建筑物的熱力學(xué)模型；文獻[5]應(yīng)用基于冷（熱）負(fù)荷計算的建模方法，根據(jù)能量守恒定理，推導(dǎo)出室內(nèi)溫度變化的遞推公式。如果能充分利用空調(diào)負(fù)荷的熱儲存能力，結(jié)合合理的手段對空調(diào)負(fù)荷進行調(diào)控，不僅可以在幾乎不影響用戶舒適度體驗的情況下降低系統(tǒng)高峰時段的用電需求，緩解高峰時段的供電壓力，提高低谷時段電力設(shè)備的利用率，還能在系統(tǒng)出現(xiàn)頻率波動時主動參與有功調(diào)節(jié)，以較小影響用戶舒適度的代價協(xié)助維護系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，減少系統(tǒng)的運行成本。因此，對空調(diào)負(fù)荷用電計劃的優(yōu)化和運行控制策略進行研究，制定合適的用電計劃和控制策略，對維護電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有重要意義。

然而，目前的研究大都假設(shè)空調(diào)負(fù)荷全天完全受控，或某一時間段完全受控進行調(diào)控，雖然室內(nèi)溫度始終維持在舒適范圍，但未考慮用戶對空調(diào)負(fù)荷的實際使用需求和用電習(xí)慣，可能出現(xiàn)家中無人而空調(diào)卻打開，或要求用戶削減負(fù)荷時用戶不愿削減的情況，導(dǎo)致實際調(diào)節(jié)效果較預(yù)期出現(xiàn)偏差。因此，在制定調(diào)度計劃前，針對用戶不同用電習(xí)慣，進行負(fù)荷計算，可為合理制定調(diào)度計劃提供參考。本文以空調(diào)負(fù)荷模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用蒙特卡羅模擬法對不同開機時間、關(guān)機方式等用電習(xí)慣下空調(diào)的負(fù)荷曲線進行了計算和對比分析。

1 空調(diào)負(fù)荷建模

2 空調(diào)負(fù)荷曲線計算

空調(diào)負(fù)荷曲線計算流程圖如圖1所示。首先根據(jù)用戶對空調(diào)使用規(guī)律的概率分布，通過蒙特卡羅模擬技術(shù)得到空調(diào)用戶的開機時間和關(guān)機時間。對單臺空調(diào)，在用戶開機后，根據(jù)式（3）、（4）模擬空調(diào)的運行，每隔一定時間計算一次本段時間間隔內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的平均功率，并更新室內(nèi)外溫度等參數(shù)。如此循環(huán)，直到空調(diào)關(guān)機，即可得到該臺空調(diào)的負(fù)荷曲線。將區(qū)域內(nèi)所有空調(diào)負(fù)荷的負(fù)荷曲線進行疊加，即得規(guī)?；照{(diào)負(fù)荷的負(fù)荷曲線。

3 算例分析

本章對500臺額定功率為2kW的空調(diào)負(fù)荷，選取開機時間、關(guān)機方式、設(shè)定溫度等用電習(xí)慣，計算不同用電習(xí)慣下當(dāng)日16：00至次日08：00的負(fù)荷曲線及可調(diào)度容量并進行對比分析。假設(shè)相同用電習(xí)慣下用戶的開關(guān)機時間均服從正態(tài)分布。

3.1 不同開機時間

對到家后即開啟空調(diào)、到家2小時后開啟空調(diào)和上述2種情況各占一半這3種不同的開機時間下的負(fù)荷曲線進行對比，如圖2所示。其中p為到家2小時后開啟空調(diào)的概率，同時假設(shè)所有用戶均設(shè)定空調(diào)在凌晨4：00前后關(guān)閉。

由圖2可以看出，若所有用戶都在到家后立即開啟空調(diào)，從17：00開始，隨著用戶的開機，負(fù)荷快速增加并達(dá)到高峰；20：00前后，大部分用戶室內(nèi)溫度降低至設(shè)定溫度上下，空調(diào)開始以較低功率運行以維持室內(nèi)溫度，整體負(fù)荷功率降低，負(fù)荷高峰期結(jié)束； 23：00開始，隨著室外溫度的進一步降低，空調(diào)負(fù)荷功率也隨之降低。若所有用戶都推遲2小時開機，則負(fù)荷尖峰也相應(yīng)推遲，但尖峰負(fù)荷并不會減少。若用戶按0.5的概率在2種開機時間內(nèi)進行選擇，由于開機時間的分散，尖峰負(fù)荷有明顯降低。因此，若能利用分時電價等方式引導(dǎo)用戶的開機時間，將負(fù)荷高峰提前或推遲，則可有效避免高峰期尖峰負(fù)荷的進一步提升，即使不能改變所有用戶的開機時間，也能在一定程度上使負(fù)荷曲線變得平滑。

3.2 不同關(guān)機方式

用戶常見的關(guān)機方式有2種，一種是睡前設(shè)定定時關(guān)機，另一種為睡前將空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)高，但并不關(guān)機，直到早上。本文對上述2種關(guān)機方式及2種方式并存的情況進行仿真分析，假設(shè)定時關(guān)機的用戶設(shè)定在次日凌晨4：00前后關(guān)機，睡前調(diào)高溫度的用戶在0：00前后將空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)高2℃。對比結(jié)果如圖3所示，其中p為睡前調(diào)高設(shè)定溫度的概率。

由圖3可見，0：00前后隨著用戶調(diào)高設(shè)定溫度，室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度，部分空調(diào)處于停機狀態(tài)，負(fù)荷曲線出現(xiàn)一段低谷期；在1：30前后停機的空調(diào)開始恢復(fù)工作，負(fù)荷低谷期結(jié)束。若所有用戶均在0：00前后調(diào)高溫度，則低谷期后隨著室外溫度的上升，空調(diào)功率逐步增加；若用戶按0.5的概率選擇是否在0：00前后調(diào)高設(shè)定溫度，在4：00前后隨著部分用戶的關(guān)機，空調(diào)功率下降。這種情況下的負(fù)荷曲線較p=1情況下的曲線更為平滑，結(jié)合圖3中p=0.5情況下的曲線可見，用戶用電習(xí)慣的多樣化可使負(fù)荷曲線變得平滑。

4 結(jié)論

本文主要針對不同用電習(xí)慣下的空調(diào)負(fù)荷曲線及可調(diào)度容量展開研究，采用蒙特卡洛模擬法對500臺空調(diào)負(fù)荷在不同開機時間、設(shè)定溫度、關(guān)機方式等用戶用電習(xí)慣下的負(fù)荷曲線及可調(diào)度容量進行計算和對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）大量用戶的同時開關(guān)機會帶來空調(diào)負(fù)荷的高峰和低谷，調(diào)整開關(guān)機時間可有效改變用電高峰和低谷出現(xiàn)的時間；

（2）用戶用電習(xí)慣的多樣化對平滑負(fù)荷曲線有顯著作用；綜合以上結(jié)論，本文的研究可對正確分析空調(diào)負(fù)荷調(diào)度潛力、合理規(guī)劃空調(diào)負(fù)荷用電計劃提供參考。

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作者單位

南京師范大學(xué)南瑞電氣與自動化學(xué)院 江蘇省南京市 210042