虛擬電廠背景下的空調(diào)負(fù)荷調(diào)控策略

劉永春，朱程燕

國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000

0 引言

近年來，我國夏季電網(wǎng)負(fù)荷水平不斷提高，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大影響。智能電網(wǎng)作為一種新型的智能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其通信能力顯著提高，已成為21世紀(jì)電力系統(tǒng)變革的趨勢。在這種背景下，虛擬電廠集成了多種分布式能源，具有豐富的控制手段，可提高可再生能源發(fā)電效率，將成為未來電力系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)。在虛擬電廠的運行過程中，集群可控負(fù)荷控制策略是一個重要的研究方向。用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)行為更加收斂，調(diào)節(jié)控制易于集中[1]。因此，基于虛擬電廠技術(shù)，將能源管理裝置用于空調(diào)管理，可以實現(xiàn)有效的負(fù)荷調(diào)節(jié)，減少日用電量的峰谷差，提高供電的穩(wěn)定水平。

在負(fù)荷控制業(yè)務(wù)方面，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，人民生活水平的提高，電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差異較大，夏季季節(jié)性短期高峰負(fù)荷矛盾突出，電網(wǎng)負(fù)荷運行壓力大。為了平衡短期高峰負(fù)荷，需要支持大量的調(diào)節(jié)資源，導(dǎo)致電網(wǎng)投資和運行效率的利用和發(fā)揮不足，電網(wǎng)高峰負(fù)荷投資的經(jīng)濟效益較低。因此，單純依靠傳統(tǒng)調(diào)節(jié)資源對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)越來越困難，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的調(diào)度空間也越來越小。目前，政府深化需求響應(yīng)政策，迫切要求負(fù)荷方參與調(diào)解，從帶負(fù)荷的源端移動到源網(wǎng)，負(fù)荷互動有助于促進(jìn)能源網(wǎng)的協(xié)調(diào)，優(yōu)化發(fā)電和電網(wǎng)投資，提供清潔能源，實現(xiàn)政府、用戶和社會的雙贏[2]。

虛擬電廠是分布式電源、負(fù)載和儲能設(shè)備的集合，可以作為一個特殊的電廠運行，是解決分布式電網(wǎng)接入問題的一種新技術(shù)，其可以與傳統(tǒng)電廠一樣進(jìn)行控制和管理，向電網(wǎng)提交發(fā)電計劃，參與電力市場、調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)。虛擬電廠不改變分布式發(fā)電的并網(wǎng)方式，而是通過先進(jìn)的控制、通信和測量技術(shù)，在更高層次的軟件架構(gòu)上實現(xiàn)多臺分布式發(fā)電的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行。虛擬電廠展示了整個功能和效果，能夠在不改變電網(wǎng)的情況下穩(wěn)定地傳輸電力，并提供快速響應(yīng)的輔助服務(wù)，是一種安全有效的分布式電源接入電網(wǎng)的方法[3]。

1 負(fù)荷側(cè)虛擬電廠業(yè)務(wù)架構(gòu)

負(fù)荷側(cè)虛擬電廠業(yè)務(wù)運行機制如圖1所示。

圖1 負(fù)荷側(cè)虛擬電廠業(yè)務(wù)運行機制

（1）注冊管理：虛擬電廠通過聚合中小用戶可調(diào)資源，可以參與輔助服務(wù)市場交易，虛擬電廠向營銷需求側(cè)響應(yīng)平臺和交易平臺進(jìn)行注冊。

（2）用戶管理：虛擬電廠與中小用戶簽訂代理合同，負(fù)責(zé)中小用戶及其所屬可調(diào)資源的管理。

（3）交易管理：虛擬電廠經(jīng)營銷需求側(cè)響應(yīng)平臺向交易中心進(jìn)行交易申報，接收交易中心發(fā)布的交易出清結(jié)果，并完成交易合同的簽訂。

（4）調(diào)控執(zhí)行管理：虛擬電廠通過構(gòu)建虛擬發(fā)電機組，實現(xiàn)虛擬發(fā)電控制，完成負(fù)荷調(diào)控目標(biāo)。

（5）結(jié)算管理：根據(jù)交易合同及負(fù)荷調(diào)控認(rèn)定結(jié)果，虛擬電廠進(jìn)行市場結(jié)算以及內(nèi)部結(jié)算分配。

2 供需互動戰(zhàn)略

用戶參與需求側(cè)響應(yīng)的過程可分為早期預(yù)算決策、合同簽訂。其中，用戶參與需求側(cè)響應(yīng)項目的具體決策過程如圖2所示。

圖2 負(fù)荷側(cè)虛擬電廠系統(tǒng)功能架構(gòu)

具體互動戰(zhàn)略步驟如下：測量和計算由能源管理設(shè)備控制的所有空調(diào)的可調(diào)容量；用戶批準(zhǔn)能源管理設(shè)備向電網(wǎng)控制中心報告其可調(diào)容量；控制中心綜合分析與用戶相同的能源管理設(shè)備的所有設(shè)施；根據(jù)報告的容量劃分合同用戶，并匹配切割負(fù)荷；每個能量管理裝置根據(jù)分配給它的減負(fù)荷指令制定內(nèi)部規(guī)定，并控制對所有空調(diào)的指令。

（1）能源管理設(shè)備持續(xù)監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)及負(fù)荷數(shù)據(jù)，實時測算負(fù)荷可調(diào)能力并上報遠(yuǎn)程平臺。

（2）在電網(wǎng)啟動調(diào)控命令時，平臺根據(jù)上報的負(fù)荷可調(diào)能力，智能分配負(fù)荷調(diào)控指標(biāo)，通過能源管理設(shè)備下發(fā)調(diào)控指令，同時短信通知電力用戶。

（3）能源管理設(shè)備依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)以及負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)智能算法對空調(diào)機組的若干運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)修正調(diào)節(jié)參數(shù)，使空調(diào)系統(tǒng)部分關(guān)閉或進(jìn)入一個穩(wěn)定的較低能耗運行狀態(tài)，滿足電網(wǎng)調(diào)控要求的同時保持一定的制冷效果。

氣溫的變化主要影響人體的舒適性，溫度預(yù)測模型主要是對房間溫度的預(yù)測，確保房間在最大可調(diào)容量下的基本舒適度和溫度條件。文章基于收集的歷史溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)極限學(xué)習(xí)機對家庭能源管理設(shè)備進(jìn)行溫度預(yù)測。這種學(xué)習(xí)機是一種基于FNN的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)問題和數(shù)據(jù)預(yù)測。溫度預(yù)測的主要步驟如下：首先，將一天分為5個時段，即0：00～6：00、6：00～1：00、11：00～14：00、14：00～18：30、18：30和24：00；其次，能源管理設(shè)備的歷史溫度數(shù)據(jù)每隔一個數(shù)據(jù)點從歷史數(shù)據(jù)庫中收集一次；最后，從每個周期中獲取溫升過程中的溫度變化數(shù)據(jù)。溫升循環(huán)中的指示此時間段內(nèi)的溫度處于停機或備用模式，如果某一時刻的溫度數(shù)發(fā)生變化，其溫度數(shù)據(jù)會在5 min后發(fā)生相應(yīng)變化，即數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的第m個溫度數(shù)據(jù)與m+60的溫度數(shù)據(jù)形成一個數(shù)據(jù)對。

3 調(diào)控執(zhí)行

中央空調(diào)虛擬機組組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 中央空調(diào)虛擬機組組網(wǎng)架構(gòu)圖

根據(jù)市場交易要求，虛擬電廠需要構(gòu)建虛擬發(fā)電機組，通過調(diào)控中小用戶可調(diào)資源實現(xiàn)虛擬發(fā)電控制，從而能以虛擬電廠身份參與輔助服務(wù)市場交易。調(diào)控執(zhí)行管理主要包括數(shù)據(jù)管理、綜合監(jiān)視、虛擬發(fā)電控制、調(diào)控效果評估等功能。

（1）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)建模、采集服務(wù)等子功能。數(shù)據(jù)建模指對終端設(shè)備—虛擬機組—虛擬電廠進(jìn)行分層典型建模，有助于實現(xiàn)虛擬電廠整體運行特性及終端設(shè)備單體運行狀態(tài)的監(jiān)測管理。采集服務(wù)主要指對終端設(shè)備的海量實時和非實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、監(jiān)視、采樣、清洗、分析等工作。

（2）綜合監(jiān)視。綜合監(jiān)視主要包括運行監(jiān)視、電網(wǎng)直控負(fù)荷監(jiān)視、異常告警等子功能。運行監(jiān)視可以實現(xiàn)從虛擬電廠整體及各區(qū)域數(shù)據(jù)到虛擬機組，再到終端設(shè)備的層次化運行狀態(tài)在線監(jiān)視?？赏ㄟ^地理圖、電氣主接線圖、專用圖元、曲線圖、棒圖、餅圖、列表等多種方式展現(xiàn)，提供一體化的圖形操作，各種信息參數(shù)的查看和管理。電網(wǎng)直控負(fù)荷監(jiān)視主要針對處于電網(wǎng)直接控制的終端，單獨進(jìn)行運行狀態(tài)在線監(jiān)視，提供直控次數(shù)、直控電量等相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和查詢，在虛擬發(fā)電控制中剔除相關(guān)電網(wǎng)直控負(fù)荷，不再進(jìn)行虛擬電廠調(diào)控。異常告警主要指監(jiān)視虛擬電廠內(nèi)部終端設(shè)備運行情況，基于設(shè)備運行參數(shù)及實時數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行異常狀態(tài)進(jìn)行實時告警；同時對虛擬電廠管轄范圍內(nèi)的虛擬機組運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)視，對機組整體運行異常狀況進(jìn)行告警，如控制器通信狀態(tài)等。

（3）虛擬發(fā)電控制。虛擬發(fā)電控制主要包括負(fù)荷預(yù)測、控制預(yù)案管理、發(fā)電執(zhí)行分解等子功能。負(fù)荷預(yù)測指結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)（天氣、氣溫等）、用戶用電計劃等因素，預(yù)測可調(diào)資源運行狀態(tài)和用電負(fù)荷；基于可調(diào)資源運行狀態(tài)、負(fù)荷調(diào)控方法及用戶舒適度需求，分析可調(diào)資源可調(diào)潛力?；诮K端設(shè)備—虛擬機組—虛擬電廠分層聚合模型，進(jìn)行虛擬機組和虛擬電廠發(fā)電潛力預(yù)測?？刂祁A(yù)案管理指在進(jìn)行實際負(fù)荷調(diào)控前，基于交易出清結(jié)果，根據(jù)實際調(diào)控目標(biāo)，基于調(diào)控策略進(jìn)行事前模擬控制，生成控制預(yù)案。發(fā)電執(zhí)行分解指在進(jìn)行實際負(fù)荷調(diào)控時，虛擬電廠基于控制預(yù)案，將調(diào)控目標(biāo)逐層分解至各虛擬機組、各終端設(shè)備，并下達(dá)發(fā)電控制指令，根據(jù)偏差情況對控制預(yù)案進(jìn)行滾動優(yōu)化。

（4）調(diào)控效果評估?；诮K端計量數(shù)據(jù)，對虛擬電廠自身調(diào)控效果從調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度等多個指標(biāo)進(jìn)行評估，評估結(jié)果可用于指導(dǎo)虛擬電廠下次負(fù)荷調(diào)控策略選擇。將負(fù)荷曲線、參與調(diào)控用戶等調(diào)控結(jié)果數(shù)據(jù)上報營銷側(cè)需求響應(yīng)平臺，并將自身調(diào)控評估結(jié)果與營銷側(cè)需求響應(yīng)平臺所認(rèn)定的調(diào)控評估結(jié)果做對比確認(rèn)，如無誤則確認(rèn)同意，否則發(fā)起爭議，營銷側(cè)需求響應(yīng)平臺需重新進(jìn)行調(diào)控結(jié)果認(rèn)定。

4 空調(diào)負(fù)荷調(diào)控策略及調(diào)控效果

4.1 中央空調(diào)控制策略

中央空調(diào)機組工作原理圖如圖4所示。

圖4 中央空調(diào)機組工作原理圖

中央空調(diào)機組主要由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)和冷卻塔組成。空調(diào)柔性控制的調(diào)節(jié)方式即通過改變空調(diào)設(shè)備運行參數(shù)、運行模式等調(diào)整負(fù)荷出力，達(dá)到部分削減負(fù)荷的目的。方式一：通過改變空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)，如調(diào)節(jié)冷凍水溫度、閥門開度限制等。方式二：改變空調(diào)系統(tǒng)運行模式，如進(jìn)行全局溫度控制、冰蓄冷等。

4.2 VRV/VRF空調(diào)系統(tǒng)

多聯(lián)機又被稱為變冷媒流量多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，由一臺室外機連接數(shù)臺不同或相同型式、容量的直接蒸發(fā)式室內(nèi)機，構(gòu)成一套單一制冷/熱循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，簡稱為VRV或VRF。方式一：通過改變空調(diào)內(nèi)機運行參數(shù)，如調(diào)節(jié)空調(diào)內(nèi)機設(shè)定溫度、出風(fēng)速度、運行模式等，保證空調(diào)機組不停機情況下降低空調(diào)機組的運行負(fù)荷。方式二：改變空調(diào)內(nèi)機運行狀態(tài)，如啟停操作，使室內(nèi)機分組輪控。

4.3 調(diào)控效果

虛擬電廠平臺響應(yīng)需求響應(yīng)命令中央空調(diào)虛擬電廠機組的實時調(diào)控負(fù)荷曲線如圖5所示。虛擬電廠平臺接收需求響應(yīng)平臺調(diào)控指令，指令分解后下發(fā)到虛擬電廠控制器，虛擬電廠控制器依據(jù)本地調(diào)控策略對中央空調(diào)進(jìn)行調(diào)控。調(diào)控指令下發(fā)前空調(diào)實時負(fù)荷約為100 kW，可調(diào)容量約為40 kW；指令下發(fā)后，實時負(fù)荷由100 kW調(diào)控至45 kW左右，持續(xù)時間達(dá)30 min，滿足大電網(wǎng)削峰需求。

圖5 中央空調(diào)虛擬機組調(diào)控實時負(fù)荷曲線

5 結(jié)束語

文章主要闡述了虛擬電廠的背景和關(guān)鍵技術(shù)，并利用虛擬電廠技術(shù)和能源管理裝置對空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了測量，可以最大限度地確保用戶的舒適性，并為電網(wǎng)提供了大量可調(diào)容量。另外，通過對各用戶的比例分配，實現(xiàn)了供需側(cè)的能源協(xié)調(diào)。