基于交易控制的空調(diào)系統(tǒng)電力需求響應(yīng)策略進展及建議

熊成燕，孟慶龍，奚 源

（1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

不斷增長的空調(diào)用電需求以及夏季高溫天氣出現(xiàn)的空調(diào)用電高峰已成為導(dǎo)致電力負(fù)荷側(cè)峰谷差值變化和峰值需求的主要原因，也是影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行、威脅電網(wǎng)安全性的重要因素。如一貫依靠增加裝機容量來滿足短暫的空調(diào)尖峰用電，不僅需要付出巨額的投資，還會浪費社會資源。合理調(diào)控空調(diào)負(fù)荷，可以在盡量不影響用戶舒適度的前提下降低峰值負(fù)荷、緩解電力供需矛盾。

電力需求響應(yīng)（demand response,DR）能有效解決電網(wǎng)供需不平衡問題。我國在20世紀(jì)90年代就引入了DR的概念，但直到近幾年我國電力供應(yīng)不平衡問題越來越嚴(yán)峻，DR才開始得到極大重視［1］?？傮w來看，我國在需求側(cè)響應(yīng)方面處于初步發(fā)展階段，市場化程度低，用戶參與度不高，多趨向于行政手段。而交易控制（transactive control,TC）作為一種新的空調(diào)DR方法，能有效解決傳統(tǒng)DR方法無法規(guī)避的一些問題，例如保護終端用戶隱私、尊重用戶偏好和在實施DR的同時保證用戶舒適度。國外學(xué)者已對TC策略展開諸多研究，并已將此策略應(yīng)用至示范項目中。盡管國外DR發(fā)展現(xiàn)狀與我國目前實際情況存在較大差異，但將TC策略應(yīng)用到空調(diào)負(fù)荷控制中，基于市場交易機制、利用價格手段將底端的柔性負(fù)荷末端需求與頂端電網(wǎng)電價聯(lián)系起來的運作經(jīng)驗值得我國借鑒。

本文首先介紹了TC原理、結(jié)構(gòu)以及優(yōu)勢；其次介紹了TC過程；最后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合中國DR的發(fā)展現(xiàn)狀，對TC策略在我國空調(diào)DR中的應(yīng)用進行初步探討并給出若干建議。

1 交易控制策略

1.1 交易控制研究現(xiàn)狀

DR被定義為當(dāng)電力批發(fā)市場價格升高或者系統(tǒng)可靠性受到威脅時，電力用戶根據(jù)價格信號或激勵措施響應(yīng)電網(wǎng)，暫時改變其固有的習(xí)慣用電模式，從而減少或推遲某時段的用電負(fù)荷而保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并抑制電價上升的短期行為。傳統(tǒng)的DR策略被分為兩大類：電價型和激勵型，而國外學(xué)者提出了一種基于TC的DR策略。TC是一種基于市場交易的分布式控制方法，因此有時也稱基于市場的控制（market-based control,MBC）策略。

國外學(xué)者已開展了諸多有關(guān)TC應(yīng)用到空調(diào)DR中的研究。文獻［2］詳細(xì)闡述了一種關(guān)于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（heating,ventilation and air conditioning,HVAC）系統(tǒng)DR的TC策略，設(shè)計了交易市場模型（交易市場結(jié)構(gòu)、投標(biāo)和清算策略）和HVAC組件模型，最后通過仿真和物理實驗證實了TC在商用建筑HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用效果和前景。文獻［3］設(shè)計了商業(yè)建筑HVAC系統(tǒng)的TC模型，模擬結(jié)果顯示采用TC策略每年可節(jié)省約3 952 kWh電量，此外還觀察到若平均冷負(fù)荷降低，則建筑物的總能耗也顯著降低。

最著名的試點項目是2006—2007年美國西北太平洋國家實驗室（Pacific northwest national lab,PNNL）設(shè)計的Olympic Peninsula GridWise試點示范項目［4］，該項目的TC對象包括家用溫控器、家用熱水器、家用干衣機、商用HVAC系統(tǒng)等；PNNL又在2011—2013年主導(dǎo)完成了AEP Ohio gridSMART示范項目，HVAC系統(tǒng)由智能軟件管理并參與到以5 min為價格波動周期的實時電力市場中，以此來調(diào)整居民家庭用電［5］。另外，由美國能源部2009—2015年聯(lián)合資助的Pacific Northwest Smart Grid項目［6］也是世界上最早實施TC的試點項目之一。在歐洲，Powermatching City項目［7］先后于2009年和2011年開啟第1階段和第2階段試點項目。與國外相比，我國對基于市場交易機制的DR鮮有研究，文獻［8］將TC策略用于控制微電網(wǎng)的分布式能源，文獻［9］—文獻［10］提出基于市場機制的DR是我國發(fā)掘需求側(cè)資源的未來發(fā)展方向。

目前對TC的研究方法主要以仿真模擬為主，有少部分的物理實驗研究，主要集中在TC方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。TC方案中終端用戶的詳細(xì)控制方法需進一步研究，尤其需要重點研究交易市場結(jié)構(gòu)、投標(biāo)和清算策略。在未來的研究中，利用TC將所有能源網(wǎng)絡(luò)整合在一起構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，以應(yīng)對可再生能源日益普及所帶來的間歇性問題。

1.2 交易控制原理

TC借鑒了微觀經(jīng)濟學(xué)的原理，利用市場交易機制，以經(jīng)濟激勵信號作為通信基礎(chǔ)實施DR，實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)供需動態(tài)平衡，同時降低建筑物的用電量和用電高峰。TC方法不是直接的命令控制，而是基于價值進行決策，這種決策類似于經(jīng)濟交易。TC的核心思想是結(jié)合市場和控制兩種機制，將區(qū)域內(nèi)較高級別的動態(tài)市場交易和較低級別的控制結(jié)合起來［11］。此種策略通過電網(wǎng)和終端用戶雙向通信交換電價和用電量，所以需要健全的通信設(shè)施來傳遞信息。

如圖1所示，基于TC的空調(diào)DR利用市場機制、價格手段，將底端的空調(diào)末端需求與頂端電網(wǎng)電價聯(lián)系起來；利用需求投標(biāo)和市場清算，實現(xiàn)供需動態(tài)平衡。在傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)控制中，室內(nèi)溫度和室內(nèi)溫度設(shè)定值是控制房間制熱和制冷所需的唯一信息。在TC系統(tǒng)中，溫控器使用市場信息（包括投標(biāo)和清算價格）［12］做出控制決策，因此空調(diào)負(fù)荷將隨著電價的變化而變化。在TC環(huán)境下，空調(diào)用戶作為電力消費者將參與到電力市場競價中，根據(jù)用戶行為偏好進行投標(biāo)，依據(jù)實時電價的波動趨勢決定空調(diào)用電量，讓空調(diào)用電量符合市場規(guī)律。

TC根據(jù)社會福利（social welfare,SW）最大化的原則對空調(diào)系統(tǒng)進行控制。總用電收益與總用電成本之差構(gòu)成SW。SW最大化問題可轉(zhuǎn)化為各用電用戶追求自身利益最大，同時各發(fā)電商發(fā)電成本最小的問題。利用市場機制對空調(diào)系統(tǒng)DR進行協(xié)調(diào)控制的實質(zhì)是在供需平衡的前提下實現(xiàn)能源資源的最優(yōu)配置和SW的最大化。

1.3 交易市場結(jié)構(gòu)

空調(diào)系統(tǒng)TC市場基于微觀經(jīng)濟學(xué)理論，通過適當(dāng)?shù)氖袌鲆?guī)則構(gòu)建。這個市場既可以是真實存在的，也可以是虛擬設(shè)計的。若是真實存在的市場則清算價格即為能源成交價格；相反，虛擬設(shè)計的市場不代表真正的金融交易能源市場，此時清算價格僅作為一種控制信號，并不具有實際貨幣意義。不同的空調(diào)系統(tǒng)項目根據(jù)其特性設(shè)計的市場結(jié)構(gòu)應(yīng)有所差異，靈活的TC市場既是TC策略的優(yōu)勢，又是TC策略的重點和難點。

TC策略控制空調(diào)負(fù)荷，既允許以負(fù)荷集成商的形式，又允許以單一主體的形式直接參與電力市場交易。單戶居民的空調(diào)負(fù)荷和耗電量均較小，空調(diào)負(fù)荷集成商（代理商）應(yīng)用TC策略集成分散而數(shù)目龐大的居民空調(diào)負(fù)荷參與電力市場交易。相反，中央空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)用在建筑體量龐大、空調(diào)負(fù)荷較大的商業(yè)建筑或辦公建筑。因此商業(yè)建筑或辦公建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)作為單一主體通過在TC控制器中編程TC策略算法參與市場競價。文獻［13］設(shè)計了空調(diào)負(fù)荷代理商參與TC的市場結(jié)構(gòu)，文獻［14］提出了HVAC系統(tǒng)參與TC的市場結(jié)構(gòu)。

1.4 交易控制優(yōu)勢

TC應(yīng)用到空調(diào)DR中有以下優(yōu)勢：基于TC的DR可預(yù)測性和可靠性很強；TC的信息交換十分簡單，僅需在電力負(fù)荷和用電用戶之間交換電價和所需耗電量，因此可以保護用戶的隱私、尊重個人偏好［15］；在DR時段，TC策略能有效調(diào)控空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，同時對建筑物的舒適性影響很?。?6］；TC采用的市場概念（例如，商品和價格）是大多數(shù)人熟悉的，因此容易被用戶和運營商所接受；基于市場的控制是分布式和可擴展的，適合于大規(guī)模應(yīng)用；TC可以在現(xiàn)有的建筑自動化系統(tǒng)或智能電能表和能源管理控制系統(tǒng)（energy management control system,EMCS）中實施，因此僅需較少的額外費用支出就可實現(xiàn)TC策略；TC可以減少空調(diào)系統(tǒng)的用電量；另外TC通過與電力市場直接交易使用戶獲得低廉的電能，最終降低用戶的空調(diào)運行成本。綜上所述，基于TC的DR具有其獨特的優(yōu)勢。

2 交易控制過程

基于TC的空調(diào)DR策略的實施過程是在每個市場清算周期內(nèi)進行如圖2所示的投標(biāo)、清算、調(diào)整過程（以夏季制冷為例）。①投標(biāo)：空調(diào)的溫控器獲取當(dāng)前空調(diào)用戶的信息（Tcur、Tdes），然后將其轉(zhuǎn)化為投標(biāo)電價Pbid或需求曲線（如圖2(a)）。②清算：TC控制器或代理商匯總所有用戶的Pbid或匯總所有需求曲線構(gòu)建總需求曲線（如圖2(b)）并提交給電力市場，同時電網(wǎng)提交供給曲線給電力市場（如圖2(c)）。然后，電力市場依據(jù)SW最大化的原則進行市場清算并得到Pclear和清算電量qclear（如圖2(d)）。③調(diào)整室內(nèi)溫度設(shè)定點：TC控制器由Pclear計算得Tset（如圖2(e)），隨之通過溫控器調(diào)整Tset。每個市場清算周期內(nèi)重復(fù)一次以上的3個步驟，直至空調(diào)運行結(jié)束。市場清算周期可為5 min或15 min。

2.1 投標(biāo)策略

空調(diào)用戶依據(jù)式（2）計算Pbid后，TC控制器匯總所有用戶的Pbid構(gòu)建總需求曲線。除了計算投標(biāo)價格Pbid，TC策略也允許空調(diào)用戶自己制定如圖2(e)所示的投標(biāo)曲線來確定Pbid，該曲線從功能上將空調(diào)運行成本與舒適度聯(lián)系起來。文獻［4］中Pbid是根據(jù)投標(biāo)曲線斜率以及Tcur與Tset之差確定的。

通過TC策略，空調(diào)用戶可以依據(jù)自己的偏好進行舒適性設(shè)置，包括設(shè)置Tdes、可接受的室內(nèi)溫度范圍［Tmin,Tmax］和κ，而這些設(shè)置最終都反映在市場投標(biāo)價格Pbid的計算中。文獻［20］通過設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)智能溫控器接口來實現(xiàn)舒適性設(shè)置。另外，Tmin和Tmax可避免室內(nèi)溫度偏離舒適范圍，最大限度地減少對舒適性的影響。κ作為用戶指定的權(quán)衡參數(shù)，可平衡能源效率和舒適度［21］。

2.2 市場清算

在交易系統(tǒng)中，市場清算以買賣雙方的投標(biāo)報價為基礎(chǔ)，是一個典型的雙邊投標(biāo)市場。當(dāng)需求量等于供給量時的電價被稱為市場清算價格Pclear［16］。市場在需求曲線與供應(yīng)曲線的交點處清算，交點決定了電力市場的Pclear和qclear，交點處供需處于平衡狀態(tài)，同時SW最大化。市場清算一般由獨立系統(tǒng)操作員或其他獨立的模塊來完成，例如電力交易管理中心和調(diào)度系統(tǒng)。

2.3 計算室內(nèi)溫度設(shè)定點

市場清算結(jié)束后，空調(diào)系統(tǒng)將依據(jù)Pclear計算室內(nèi)溫度設(shè)定點Tset，且將當(dāng)前溫度設(shè)定值重置為調(diào)整后的設(shè)定值。實際上，TC中房間溫度設(shè)定點的概念與傳統(tǒng)控制有所區(qū)別，因為在TC中溫控器的制熱或制冷設(shè)定點會受到市場價格信號以及用戶設(shè)定的舒適度影響，所以該設(shè)定點不是一個定值，而是在［Tmin,Tmax］范圍內(nèi)不斷變化。在制冷模式下，控制器將隨著市場價格的上漲選擇較高的制冷溫度設(shè)定點。

制冷工況下，文獻［4］、文獻［17］和文獻［18］中Tset表達式如式（3）所示

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)使用Tcur和Tdes來控制房間制熱和制冷，Tset表達式驗證了在TC中溫控器使用市場信息來做出控制決策。其中，Tset可以高于或低于Tdes，這取決于Pbid和Pclear的大小。在制冷模式下，將Tset降低到Tdes以下相當(dāng)于進行預(yù)冷。

綜上，空調(diào)系統(tǒng)TC過程是TC控制器和空調(diào)系統(tǒng)基于Tcur將用戶的制熱或制冷需求Tdes和對舒適或節(jié)約運行成本的偏好設(shè)置轉(zhuǎn)換成為愿意出價購買下一個電力市場時間周期內(nèi)的電價Pbid，一旦電力市場清算，清算的價格信號Pclear將轉(zhuǎn)換為Tset的變化。

3 我國實施交易控制策略的建議

（1）TC符合DR的發(fā)展趨勢，且應(yīng)用潛力較大。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源戰(zhàn)略實施、電力體制改革以及智慧城市建設(shè)工作的不斷推進，我國的DR呈現(xiàn)參與主體多元化、運行機制市場化、系統(tǒng)決策智能化和執(zhí)行方式自動化趨勢，基于TC的DR策略符合這些新的發(fā)展趨勢。另外，TC技術(shù)不局限于空調(diào)系統(tǒng)，也可將其應(yīng)用到其他家用電器，如熱水器、洗衣機和電動汽車等。

（2）研究TC技術(shù)要抓住側(cè)重點，同時加強標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)。在TC技術(shù)中，投標(biāo)和清算策略以及設(shè)計一個保證效率、透明度和競爭力的交易市場至關(guān)重要，是TC技術(shù)的研究重點?；赥C的DR需要標(biāo)準(zhǔn)化TC控制器接口和通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)體系將有助于加速推廣TC技術(shù)。

（3）TC的應(yīng)用需要解決一些技術(shù)上的難題和研究上的不足。TC技術(shù)要求實時通信，但就目前通信和控制方面的技術(shù)水平而言，實現(xiàn)實時通信仍存在挑戰(zhàn)。國外已開發(fā)了實時定價程序供以價格為控制信號的基于TC的DR使用，而我國缺少這方面的研究。另外，市場價格低時導(dǎo)致需求反彈等一些研究上的不足亟待解決。

（4）推廣TC技術(shù)需要多方共同努力，可先開展試點項目。實現(xiàn)TC在我國DR中的推廣應(yīng)用，不僅需要科研人員對TC策略進一步深入研究，更需要政府提供支持、同時還需要技術(shù)供應(yīng)商、監(jiān)管機構(gòu)和企業(yè)之間加強合作，大力宣傳DR，強化企業(yè)和用戶的節(jié)能意識以及用戶側(cè)資源的理念，引導(dǎo)用戶積極主動地參與DR。可以考慮選擇某些典型的商業(yè)建筑和居民小區(qū)開展TC試點項目。

（5）在我國應(yīng)用TC技術(shù)需要因地制宜。雖然國外學(xué)者已經(jīng)為我國探索TC策略提供了可參考的理論知識和實驗研究，但是我國空調(diào)DR發(fā)展現(xiàn)狀與國外存在差別，因此需要結(jié)合我國實際的國情對TC技術(shù)進行創(chuàng)新性的研究和推廣。

4 結(jié)束語

TC策略借鑒微觀經(jīng)濟學(xué)思想，融合了經(jīng)濟效益和設(shè)備控制，以價格為協(xié)調(diào)手段，利用自下而上的用戶投標(biāo)報價和自上而下的市場清算機制，實現(xiàn)保證舒適度前提下的基于TC的空調(diào)DR。

本文系統(tǒng)性地介紹了TC在國外空調(diào)系統(tǒng)DR中的應(yīng)用，重點闡述了TC的原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢以及包括投標(biāo)、清算和調(diào)整3個步驟的TC過程。對比我國開展空調(diào)系統(tǒng)DR的現(xiàn)狀，參照國外基于TC的空調(diào)DR的成功實施經(jīng)驗總結(jié)了5條相關(guān)建議，可為我國開展空調(diào)系統(tǒng)DR提供新的思路和理論研究基礎(chǔ)。D