樓宇中央空調(diào)參與電網(wǎng)調(diào)度與控制應(yīng)用研究

劉 萌，游大寧，劉航航，高 嵩，程定一

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

近年來，隨著外電入魯規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、山東省內(nèi)新能源裝機(jī)迅猛增長、直調(diào)公用機(jī)組供熱面積不斷擴(kuò)大、核電機(jī)組從無到有，山東省電源結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷著一個(gè)由量變積累到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期，多重因素疊加造成常規(guī)火電機(jī)組調(diào)峰資源幾近枯竭，一度被迫采取安排大容量火電機(jī)組頻繁日內(nèi)啟停、時(shí)段性棄風(fēng)棄光等措施緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力［1-4］。亟須挖掘負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)潛能，促進(jìn)風(fēng)電、光伏等間歇式新能源發(fā)電的消納利用。與此同時(shí)，隨著特高壓直流的快速發(fā)展，直流閉鎖故障等引發(fā)的大功率缺失使電網(wǎng)安全穩(wěn)定面臨挑戰(zhàn)，精準(zhǔn)柔性負(fù)荷控制是保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

空調(diào)負(fù)荷是熱慣性較大的負(fù)荷，其運(yùn)行狀態(tài)可以根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，不會(huì)對(duì)用戶熱舒適度造成明顯的負(fù)面作用?？照{(diào)負(fù)荷在負(fù)荷中占到很大比例，某些發(fā)達(dá)的城市中在夏季峰荷時(shí)段能達(dá)到總負(fù)荷的30%～40%，并且占比逐年提高［5-9］。因此，研究在大功率缺失情況下對(duì)空調(diào)參與電網(wǎng)的應(yīng)急響應(yīng)以及正常情況下參與電網(wǎng)調(diào)峰，對(duì)于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行意義重大［10-22］。空調(diào)包括中央空調(diào)和分散式兩種類型。樓宇中央空調(diào)一般針對(duì)為商業(yè)、政府或者企業(yè)樓宇進(jìn)行集中供冷（熱），相當(dāng)于多臺(tái)分散式空調(diào)的聚合，具有單個(gè)中央空調(diào)負(fù)荷功率大、可調(diào)控性能好等優(yōu)點(diǎn)，在并且全部空調(diào)負(fù)荷中占有很大比例，因此主要針對(duì)中央空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行研究。

介紹中央空調(diào)工作的基本原理和空調(diào)室內(nèi)溫度的控制特性，分析了電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急響應(yīng)和用戶對(duì)負(fù)荷控制的基本要求，在此基礎(chǔ)上，以某樓宇中央空調(diào)為實(shí)際案例進(jìn)行分析，討論中央空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性。

1 中央空調(diào)基本工作原理

1.1 基本工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個(gè)組成部分：主機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如圖1 所示［8-9］。圖中，T為經(jīng)過冷卻塔的冷卻水溫度。以制冷運(yùn)行狀態(tài)的中央空調(diào)為例進(jìn)行分析：主機(jī)通過制冷壓縮機(jī)把冷媒（制冷劑）壓縮成液態(tài)后，將其送至蒸發(fā)器與冷凍水進(jìn)行熱量交換，降低冷凍水溫度；冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中的冷凍泵將冷凍水送至各房間風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管，風(fēng)機(jī)吹動(dòng)盤管實(shí)現(xiàn)房間與冷凍水之間的熱量交換，達(dá)到降溫室內(nèi)溫度的目的；經(jīng)過蒸發(fā)器后的冷媒在冷凝器中與冷卻水進(jìn)行進(jìn)一步熱量交換，釋放熱量，變?yōu)闅鈶B(tài)。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻泵將冷卻水送至冷卻塔，由冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋，實(shí)現(xiàn)與大氣之間的熱量交換，把冷卻水中的熱量散發(fā)到大氣。上述各部分過程往復(fù)循環(huán)。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)基本原理

1）制冷主機(jī)。制冷主機(jī)通過壓縮機(jī)對(duì)冷凍水進(jìn)行制冷，冷凍水一般制冷到7 ℃左右，是中央空調(diào)系統(tǒng)的冷源，冷凍水由冷凍水泵送入空調(diào)房間。水冷式機(jī)組一般包括螺桿機(jī)組、離心機(jī)組等主機(jī)類型。

2）冷凍水泵。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的泵為冷凍水泵，將冷凍水循環(huán)到空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)末端與各個(gè)房間內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，冷凍水的溫度升高后再循環(huán)回到冷水主機(jī)的蒸發(fā)器內(nèi)，放出熱量（吸收冷量），再返回空調(diào)系統(tǒng)末端循環(huán)，不斷的循環(huán)構(gòu)成冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。

3）冷卻水泵。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的泵為冷卻水泵，制冷劑在主機(jī)中循環(huán)，在冷凝器里放出熱量，變成氣體，需要通過冷卻水來完成散熱，使其再凝結(jié)為液態(tài)制冷劑。主機(jī)所產(chǎn)生的熱量由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)帶走，循環(huán)到冷卻塔把熱量釋放到大空中，再回到冷水機(jī)組，不斷地循環(huán)構(gòu)成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

4）冷卻塔。冷卻水泵把吸收了主機(jī)熱量的水送到冷卻塔，冷卻塔中有布水管噴頭，其中的水自上而下流動(dòng)，主要通過自然空氣以及軸流風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣加速運(yùn)動(dòng)帶走水中的熱量。經(jīng)冷卻塔降溫之后的冷卻水再次循環(huán)回到制冷主機(jī)，帶走制冷主機(jī)產(chǎn)生的熱量。

5）風(fēng)機(jī)盤管。風(fēng)機(jī)盤管安裝在每個(gè)房間內(nèi)，冷凍水經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)進(jìn)行熱量交換，熱量交換后的水再循環(huán)回主機(jī)進(jìn)行制冷（或制熱），不斷循環(huán)以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。

1.2 房間內(nèi)溫度的控制

圖2 單個(gè)空調(diào)室內(nèi)的溫度周期變化特性

各房間的設(shè)定溫度Tset由室內(nèi)人員通過溫度控制器設(shè)定，室內(nèi)溫度周期變化，如圖2 所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管打開時(shí)時(shí)，室內(nèi)溫度下降，當(dāng)達(dá)到溫度關(guān)閉邊界溫度值Tlow時(shí)，空調(diào)控制器關(guān)閉室內(nèi)風(fēng)機(jī)和盤管閥門；當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管閥門關(guān)閉時(shí)，室內(nèi)溫度上升，當(dāng)達(dá)到溫度開啟邊界溫度值Thigh時(shí)，空調(diào)控制器開啟室內(nèi)風(fēng)機(jī)和盤管閥門。

單個(gè)房間內(nèi)溫度變化具有周期特性，中央空調(diào)的功率由負(fù)荷多樣性決定，負(fù)荷控制可能會(huì)單個(gè)房間運(yùn)行狀態(tài)的趨同，引發(fā)中央空調(diào)功率振蕩和功率的“二次沖擊”［10］。

2 對(duì)負(fù)荷控制的基本要求

2.1 電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷控制的要求

2.1.1 穩(wěn)控切負(fù)荷對(duì)負(fù)荷控制的要求

為保證大功率缺失（如直流閉鎖故障）時(shí)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，安穩(wěn)系統(tǒng)需要快速、可靠地切除相應(yīng)負(fù)荷。以山東電網(wǎng)穩(wěn)控切負(fù)荷系統(tǒng)為例，其安穩(wěn)系統(tǒng)從判斷直流系統(tǒng)雙極閉鎖至變電站負(fù)荷開關(guān)出口跳開，整個(gè)過程的動(dòng)作時(shí)間約100 ms。因此，切除負(fù)荷快速性和可靠性是負(fù)荷控制用于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。

中央空調(diào)參與穩(wěn)控切負(fù)荷控制只能采用直接斷電切除的控制方式。

2.1.2 調(diào)峰對(duì)負(fù)荷控制的要求

調(diào)峰在調(diào)度過程中保證電力系統(tǒng)功率平衡基礎(chǔ)上，保證調(diào)度過程中發(fā)電成本以及中央空調(diào)的舒適度影響最小。需要建立含中央空調(diào)負(fù)荷的源-荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)所有參與電網(wǎng)調(diào)峰中央空調(diào)負(fù)荷與機(jī)組的優(yōu)化組合。模型中需要計(jì)及中央空調(diào)的功率調(diào)整的上下限值、功率調(diào)整速率、中央空調(diào)恢復(fù)時(shí)間以及中央空調(diào)舒適度等要素。

中央空調(diào)參與調(diào)峰的控制方式可以采用柔性調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 空調(diào)用戶對(duì)負(fù)荷控制的要求

隨著社會(huì)的發(fā)展，電力用戶對(duì)用電質(zhì)量提出更高要求，不考慮用戶終端用電特性的負(fù)荷控制可能對(duì)用戶用電舒適度造成明顯的負(fù)面影響。其中負(fù)荷舒適度是指用戶對(duì)供電服務(wù)質(zhì)量的滿意程度，對(duì)空調(diào)負(fù)荷來講，指對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的滿意程度。因此，空調(diào)用戶對(duì)負(fù)荷控制的要求是：負(fù)荷控制的過程中不對(duì)用戶的熱舒適度造成明顯的負(fù)面作用?？照{(diào)室內(nèi)的熱慣性時(shí)間常數(shù)較大，短時(shí)間的切斷或者改變控制參數(shù)，并不會(huì)明顯影響室內(nèi)的溫度，因此以空調(diào)負(fù)荷為控制對(duì)象具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但需要建立用戶的終端特性的精確用電模型，對(duì)負(fù)荷控制過程中對(duì)室內(nèi)溫度的變化進(jìn)行精確考量。

3 中央空調(diào)參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性分析

3.1 中央空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的功率情況

約克、特靈和開利是當(dāng)前國內(nèi)使用比較廣泛的中央空調(diào)，其單臺(tái)主機(jī)、冷凍泵、冷卻泵以及各風(fēng)機(jī)的額定功率如表1 所示。中央空調(diào)系統(tǒng)功率消耗較大的設(shè)備均在中央空調(diào)機(jī)房內(nèi)，主機(jī)功率約占空調(diào)系統(tǒng)總功率消耗的60%～70%，冷凍水泵和冷卻水泵功率總計(jì)約占空調(diào)總功率的15%，因此主要分析主機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵的可控性。

表1 中央空調(diào)設(shè)備功率 單位：kW

3.2 中央空調(diào)的可控性

3.2.1 斷電直切控制策略

中央空調(diào)正常關(guān)機(jī)時(shí)，主機(jī)逐漸地卸載冷負(fù)荷，此過程需要耗費(fèi)約1～2 min。如果直接斷電切除空調(diào)，冷凍泵和冷卻泵停止工作，冷凍水和冷卻水不再循環(huán)。此時(shí)，主機(jī)蒸發(fā)器中的液態(tài)冷媒繼續(xù)蒸發(fā)吸熱，可能使蒸發(fā)器中的冷凍水迅速降溫至很低溫度甚至結(jié)冰，對(duì)主機(jī)產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，冷凝器中的冷卻水會(huì)升溫，可能會(huì)超出主機(jī)上限報(bào)警溫度。因此，對(duì)中央空調(diào)的緊急控制應(yīng)該遵循幾條原則：

1）中央空調(diào)的斷電直切控制最好是只切主機(jī)，雖然主機(jī)未經(jīng)過關(guān)機(jī)程序，會(huì)對(duì)設(shè)備有一定的損害，但在不頻繁啟停機(jī)的情況下，基本能夠忽略斷電對(duì)主機(jī)的損害。同時(shí)，主機(jī)功率消耗大，可切除的功率量較大，一般為幾百千瓦。

2）冷卻水泵可同時(shí)被斷電切除。主機(jī)已經(jīng)停止工作的情況下，主機(jī)中不會(huì)再產(chǎn)生需要冷卻水循環(huán)帶走的熱量，冷卻水的水溫會(huì)升高，但不會(huì)損害設(shè)備。

綜上所述，主機(jī)可以直接切除，冷卻泵可以選擇性切除，冷凍泵最好不要切除。為了滿足快速性要求并防止直接斷電造成的主機(jī)卡澀，需要對(duì)主機(jī)的油泵電機(jī)電源進(jìn)行不間斷電源改造（只需接入另外的不間斷380V 電源），保證主機(jī)斷電后油路系統(tǒng)正常工作，油泵不斷電基本可以忽略直接斷電對(duì)主機(jī)所造成的損壞。

3.2.2 調(diào)整主機(jī)運(yùn)行參數(shù)控制策略

可采用調(diào)節(jié)主機(jī)出水溫度的控制方式調(diào)節(jié)主機(jī)的功率。以制冷運(yùn)行狀態(tài)的空調(diào)為例，當(dāng)下調(diào)出水溫度后，主機(jī)會(huì)增加出力，快速制冷循環(huán)水。反之，當(dāng)上調(diào)出水溫度后，主機(jī)會(huì)減少出力。

3.3 負(fù)荷控制對(duì)房間內(nèi)熱舒適度的影響及負(fù)荷功率高峰的抑制

3.3.1 對(duì)房間內(nèi)熱舒適度影響的考量

負(fù)荷控制調(diào)整的是中央空調(diào)的有功功率，空調(diào)短時(shí)間切斷不會(huì)對(duì)用戶舒適度造成明顯的負(fù)面影響，但實(shí)現(xiàn)空調(diào)“不中斷”控制，需要建立空調(diào)室內(nèi)溫度變化與中央空調(diào)功率變化之間的函數(shù)關(guān)系，即建立精確的中央空調(diào)用電模型。在此基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確定量負(fù)荷控制對(duì)房間內(nèi)舒適度的影響。

3.3.2 負(fù)荷功率高峰的抑制

當(dāng)前負(fù)荷控制策略大多會(huì)破壞負(fù)荷群多樣性，出現(xiàn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的空缺、轉(zhuǎn)移甚至消失，從而導(dǎo)致控制后的空調(diào)負(fù)荷群聚合功率出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象和負(fù)荷恢復(fù)過程中的功率恢復(fù)高峰，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來不利影響，須設(shè)計(jì)合理的負(fù)荷控制策略予以避免。

中央空調(diào)可以通過統(tǒng)一控制主機(jī)來消除多樣性破壞所造成的功率振蕩，例如可以通過采用限制主機(jī)電流百分比的方式限制主機(jī)功率，不會(huì)造成功率沖擊［7］。

4 樓宇中央空調(diào)的控制實(shí)例分析

4.1 樓宇中央空調(diào)可控性分析

4.1.1 基本情況概述

某樓宇中央空調(diào)機(jī)房內(nèi)大功率消耗設(shè)備主要有4 臺(tái)主機(jī)、5 臺(tái)冷凍泵和5 臺(tái)冷卻泵，如圖3 所示。各設(shè)備單臺(tái)機(jī)的功率如表2 所示。夏天用電高峰時(shí)，開啟2 臺(tái)主機(jī)、3 臺(tái)冷凍泵和3 臺(tái)冷卻泵。每臺(tái)主機(jī)的工作功率約230 kW。

4.1.2 中央空調(diào)的控制

樓宇中央空調(diào)的主機(jī)系統(tǒng)如圖4 所示，可以通過直接在主機(jī)配電箱內(nèi)增加斷路器，同時(shí)鋪設(shè)光纖傳輸控制信號(hào)以控制斷路器的通斷，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)主機(jī)的切除。另外，可以通過調(diào)節(jié)主機(jī)的出水溫度的方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)功率的控制。

表2 中央空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備單臺(tái)機(jī)功率 單位：kW

圖3 樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房

圖4 樓宇中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)

4.1.3 中央空調(diào)改造后的整體構(gòu)架

針對(duì)該樓宇中央空調(diào)負(fù)荷，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，增加了帶遠(yuǎn)方跳閘功能的智能負(fù)荷控制終端，如圖5所示。負(fù)荷智能終端與中央空調(diào)控制器之間采用Modbus 協(xié)議進(jìn)行通信，中央空調(diào)開放了通信端口，可實(shí)現(xiàn)所有調(diào)整參數(shù)上傳到負(fù)荷控制終端。負(fù)荷智能控制終端與遠(yuǎn)方控制中心之間通過IEC104 規(guī)約進(jìn)行通信，控制中心可以通過負(fù)荷智能控制終端收集所有空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可以下達(dá)控制命令。另外，在末端房間內(nèi)增加了溫度測(cè)點(diǎn)，可以串口通信的方式遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂浦行?。?fù)荷智能終端帶遠(yuǎn)方跳閘功能，可接受控制中心的命令，直接切除中央空調(diào)主機(jī)斷路器。

圖5 中央空調(diào)調(diào)度與控制試驗(yàn)平臺(tái)

4.2 中央空調(diào)控制效果分析

4.2.1 參與電網(wǎng)的應(yīng)急響應(yīng)效果分析

試驗(yàn)過程中，控制中心下發(fā)遙控、遙調(diào)等控制指令至負(fù)荷智能控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)主機(jī)斷路器的分合控制，并進(jìn)一步下達(dá)至中央空調(diào)控制面板，實(shí)現(xiàn)冷凍水設(shè)定溫度以及主機(jī)電流百分比限定值的調(diào)整。通過調(diào)整限制主機(jī)電流百分比可限制主機(jī)功率，避免對(duì)電網(wǎng)造成功率沖擊。試驗(yàn)過程中，限制主機(jī)電流百分比從初始45%開始每5 min 上調(diào)5%，直至95%。中央空調(diào)控制過程中，電流百分比限值、主機(jī)功率變化、室內(nèi)溫度變化、冷凍水溫度變化分別如圖6—圖9所示。

圖6 中央空調(diào)主機(jī)電流百分比限值

圖7 中央空調(diào)控制過程中主機(jī)功率變化

圖8 中央空調(diào)控制過程中室內(nèi)溫度變化

圖9 中央空調(diào)控制過程中冷凍水溫度變化

由圖6—圖9 可以看出，主機(jī)斷電直切控制能夠在事故后快速切除負(fù)荷，在中央空調(diào)負(fù)荷恢復(fù)時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成功率沖擊。與此同時(shí)，負(fù)荷控制不會(huì)空調(diào)用戶的房間溫度造成明顯的負(fù)面影響。

4.2.2 參與電網(wǎng)調(diào)峰效果分析

通過遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)出水溫度的方式，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)功率的調(diào)整。如圖10所示，出水溫度由7 ℃下調(diào)到6 ℃后，空調(diào)主機(jī)功率由300 kW上升為350 kW。出水溫度下調(diào)不會(huì)影響末端房間的溫度。

圖10 中央空調(diào)參與調(diào)峰效果

5 結(jié)語

以某樓宇中央空調(diào)為實(shí)際案例，討論了中央空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性，得出以下結(jié)論：

1）可以通過切除斷路器的方式實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)主機(jī)的直接切除，在油路不斷電的情況下不會(huì)損害主機(jī)設(shè)備；緊急情況下，中央空調(diào)的冷卻泵也可以類似于主機(jī)的形式直接切除；中央空調(diào)的冷凍泵最好不要切除，否則可能損害設(shè)備。

2）可以通過調(diào)整主機(jī)出水溫度的方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)功率的調(diào)節(jié)，中央空調(diào)可以通過該方式參與電網(wǎng)的調(diào)峰。

3）可以通過調(diào)整主機(jī)限定電流百分比的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)過程中的功率限制，避免功率恢復(fù)高峰。