樓宇空調(diào)需求響應(yīng)實(shí)時(shí)控制仿真與實(shí)踐研究

丁勝，徐承美，饒堯，劉淇，楊王旺

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 武漢能效測(cè)評(píng)有限公司，武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)于生活、工作環(huán)境的舒適度要求越來越高，空調(diào)負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的比重逐年提高［1］。受環(huán)境溫度影響，分布在同一地區(qū)的空調(diào)工作時(shí)間具有一定的重合度，因此空調(diào)負(fù)荷的不斷增加已經(jīng)成為了夏季電網(wǎng)負(fù)荷特性惡化和電力供需不平衡的重要原因［2］。2018年至2020年，湖北省夏季降溫負(fù)荷已連續(xù)3年超過1 520萬kW，占全省用電負(fù)荷的38%以上。此外，基于湖北省2021年7月（夏季）日最高負(fù)荷與日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)分析得知，在夏季氣溫30℃以上時(shí)，溫度每升高1℃，全省負(fù)荷將會(huì)上升134.59萬kW，空調(diào)負(fù)荷已經(jīng)成為導(dǎo)致負(fù)荷尖峰不斷增長(zhǎng)的主要因素。

在新型電力系統(tǒng)的新能源大力發(fā)展，調(diào)峰火電機(jī)組成本愈發(fā)高昂的背景下，傳統(tǒng)“源隨荷動(dòng)”的電力調(diào)節(jié)模式在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上已難以單獨(dú)支撐起保證電網(wǎng)供需平衡、維持電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重任，引入需求側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)“源荷互動(dòng)”已成為時(shí)代發(fā)展的必要［3］。作為“源荷互動(dòng)”技術(shù)關(guān)鍵的一環(huán)，需求響應(yīng)（demand response，DR）通過給電力用戶發(fā)出電價(jià)或激勵(lì)補(bǔ)貼信號(hào)，引導(dǎo)其調(diào)節(jié)自身固有用電行為習(xí)慣，達(dá)到減少或者推移某時(shí)段的用電負(fù)荷從而響應(yīng)電力供應(yīng)的目的［4］。在眾多需求側(cè)負(fù)荷之中，以空調(diào)為代表的溫控性負(fù)荷是參與需求響應(yīng)最為重要的資源之一［5］。一方面，空調(diào)負(fù)荷資源規(guī)模龐大，容量充足，能充分滿足負(fù)荷削減要求［6］；另一方面，短時(shí)間改變空調(diào)狀態(tài)能快速降低負(fù)荷，但房間溫度變化卻相對(duì)緩慢，即空調(diào)負(fù)荷響應(yīng)迅速但對(duì)用戶影響較小，滿足需求響應(yīng)要求［7］。因此，空調(diào)負(fù)荷具有巨大的需求響應(yīng)潛力，是重要的需求響應(yīng)資源。

我國(guó)的需求響應(yīng)研究起步較晚但發(fā)展相對(duì)迅速，在空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的可行性、潛力與控制等方面，目前已有不少文獻(xiàn)開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［8］闡述了公共樓宇空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)虛擬調(diào)峰的總體思路，從實(shí)現(xiàn)手段和運(yùn)行方式兩個(gè)角度論證了樓宇空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性；文獻(xiàn)［9］通過聚合分散的空調(diào)負(fù)荷資源，推動(dòng)了空調(diào)負(fù)荷在DR的規(guī)?；瘧?yīng)用；文獻(xiàn)［10］提出了空調(diào)負(fù)荷的潛力評(píng)估框架，包括負(fù)荷解構(gòu)、等效熱參數(shù)（equivalent thermal parameters，ETP）參數(shù)辨識(shí)和DR潛力計(jì)算，分析了潛力在DR期間的時(shí)變性和在不同用戶的差異性。文獻(xiàn)［11］利用消費(fèi)者心理學(xué)理論建立了電價(jià)與空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)整值之間的關(guān)系，還考慮了尖峰電價(jià)結(jié)束后的負(fù)荷反彈現(xiàn)象；文獻(xiàn)［12］最早從控制角度考慮了空調(diào)負(fù)荷參與DR的策略，研究了全天調(diào)高設(shè)定溫度等最基本控制策略對(duì)于功率變化的影響。文獻(xiàn)［13］提出了基于蒙特卡洛方法建立大規(guī)?？照{(diào)負(fù)荷聚合模型，并研究了實(shí)施直接負(fù)荷控制的空調(diào)負(fù)荷跟蹤控制方案，討論了空調(diào)負(fù)荷參與DR的負(fù)荷削減潛力。

以上文獻(xiàn)雖然論證了空調(diào)參與DR的可行性，提出了聚合控制方式，但是基于尖峰電價(jià)的控制方式不能滿足短期快速的DR需求，基于跟蹤負(fù)荷的直接控制方式把重點(diǎn)放在了供給側(cè)，可能會(huì)影響用戶的參與意愿，且無法緩解DR恢復(fù)期間的負(fù)荷反彈現(xiàn)象。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)空調(diào)參與DR的諸多研究，對(duì)空調(diào)控制效果的有效性及可行性還沒有進(jìn)行過實(shí)踐驗(yàn)證。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有空調(diào)需求響應(yīng)實(shí)時(shí)控制方法的不足，本文在空調(diào)房間等效熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過分析室內(nèi)外溫度與空調(diào)功率之間的聯(lián)系，明確了空調(diào)調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了空調(diào)的削負(fù)荷能力，提出了考慮溫度信息及DR削荷要求的空調(diào)溫度實(shí)時(shí)梯度控制方法，通過開展相關(guān)控制仿真，以及對(duì)武漢市某辦公樓實(shí)踐開展需求響應(yīng)空調(diào)直接控制，驗(yàn)證了空調(diào)參與需求響應(yīng)控制的可行性與有效性。

1 樓宇空調(diào)的物理建模及動(dòng)態(tài)過程分析

空調(diào)系統(tǒng)建模是空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的基礎(chǔ)，其包含兩方面的內(nèi)容：空調(diào)所屬建筑物的熱力學(xué)建模和空調(diào)機(jī)組的電熱轉(zhuǎn)化。前者重點(diǎn)描述建筑物室內(nèi)外溫度與制冷（熱）量的時(shí)變關(guān)系；后者構(gòu)建了空調(diào)制冷（熱）量與功率之間的定量關(guān)系（即能效比）。兩者共同建立了室內(nèi)外溫度與功率的內(nèi)在聯(lián)系，為制定空調(diào)負(fù)荷的需求響應(yīng)策略提供了依據(jù)。

1.1 空調(diào)房間等效熱力學(xué)模型

采用基于電路模擬的ETP建模方法構(gòu)筑空調(diào)房間的熱力學(xué)模型，將房間環(huán)境、外界環(huán)境以及空調(diào)制冷（熱）量等參數(shù)等效成電路的電阻、電容及電源等相關(guān)電路參數(shù)，用以模擬熱量在房間內(nèi)的傳遞過程，其一階ETP模型如圖1所示。

圖1 空調(diào)房間一階ETP模型Fig.1 First-order ETP model of air conditioning room

由圖1可以得到空調(diào)房間的等效熱力學(xué)模型的微分方程為

式中：Ti(t)為t時(shí)刻室內(nèi)的溫度，℃；Ra為室內(nèi)等效熱阻，即空氣熱損失系數(shù)的倒數(shù)，℃/W；Ca為室內(nèi)等效熱容，J/℃；To(t)為t時(shí)刻外界溫度，℃；η為空調(diào)的能源效率系數(shù)；QAC(t)為t時(shí)刻空調(diào)的制冷/熱量，W；Qother(t)為t時(shí)刻室內(nèi)熱源功率，W。

對(duì)空調(diào)房間的ETP模型進(jìn)行離散化處理，并以Ti(tk)為初值求解離散化微分方程，即可得到tk+1時(shí)刻的室內(nèi)溫度

式中：Ti(tk+1)為tk+1時(shí)刻室內(nèi)氣體的溫度，℃；Δt為時(shí)間間隔，s；coe為比例因子；RaCa為時(shí)間常數(shù)。

1.2 空調(diào)控制系統(tǒng)及電氣模型

空調(diào)通過控制壓縮機(jī)的啟停狀態(tài)來保障室內(nèi)溫度始終處于設(shè)定值周邊范圍內(nèi)，其控制系統(tǒng)模型可以等效為壓縮機(jī)的啟停狀態(tài)與設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度的關(guān)系模型。以空調(diào)制冷為例，當(dāng)壓縮機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，空調(diào)不斷向室內(nèi)供冷，且大于房間內(nèi)部產(chǎn)熱和與外界的熱交接，室內(nèi)溫度Ti()t將不斷下降，直到低于最低溫度Tmin，壓縮機(jī)才停止運(yùn)行；當(dāng)壓縮機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，由于熱量產(chǎn)生和外部入侵，室內(nèi)溫度Ti(t)將不斷上升，直到高于最高溫度Tmax，壓縮機(jī)又重新啟動(dòng)，循環(huán)過程如圖2所示。

圖2空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與室內(nèi)溫度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between air conditioning compressor running state and indoor temperature

圖2中，溫度上下限Tmax、Tmin與空調(diào)的設(shè)定溫度Tset和空調(diào)的溫度控制精度有關(guān)，假設(shè)空調(diào)的溫 度控制偏差為δ=1℃，則Tmax、Tmin分別為Tset±0.5℃。因此，可確定壓縮機(jī)啟停狀態(tài)S與室溫之間的關(guān)系為

式中：溫度高于上限溫度時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)S=1，反之溫度低于下限溫度時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)S=0；而當(dāng)溫度介于上限溫度與下限溫度之間，即處于死區(qū)溫度時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的狀態(tài)不發(fā)生跳變，即維持與上一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)S=S()

tk-1。忽略空調(diào)的待機(jī)功率，可認(rèn)為空調(diào)的功率僅由壓縮機(jī)的功率構(gòu)成，因此可以描述空調(diào)的制冷（熱）量及電功率與壓縮機(jī)狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。仍以空調(diào)制冷為例，由于定頻空調(diào)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是固定的，其制冷量QAC僅與空調(diào)壓縮機(jī)開關(guān)狀態(tài)S有關(guān)，同理，空調(diào)的用電功率PAC也僅與S有關(guān)，兩者可分別表示為

式中：Q0為空調(diào)的額定制冷量；P0為空調(diào)的額定制冷功率。此外，空調(diào)的能效比η通常為定值，其用于衡量空調(diào)的電熱轉(zhuǎn)化關(guān)系

因此，結(jié)合上述空調(diào)房間ETP模型，空調(diào)的控制系統(tǒng)模型及電熱模型，可以獲得空調(diào)負(fù)荷的基本模型，并且可基于建筑參數(shù)、空調(diào)參數(shù)及溫度參數(shù)，來求解任意時(shí)刻的房間溫度變化及空調(diào)功率變化。

1.3 空調(diào)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程

由于空調(diào)的設(shè)定溫度由用戶指定，在通常情況下，除空調(diào)的最初開始階段之外，空調(diào)的壓縮機(jī)通常在恒溫控制器的調(diào)控下進(jìn)行周期性工作，從而維持室內(nèi)溫度在設(shè)定值周邊變化，這個(gè)階段稱之為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程。而在某個(gè)時(shí)刻，假設(shè)空調(diào)的設(shè)定溫度改變，其在接下來一段時(shí)間內(nèi)的功率曲線將發(fā)生變化，變化過程與調(diào)控方式有關(guān)，這個(gè)階段稱之為動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。

仍以制冷模式為例，假設(shè)空調(diào)設(shè)備在t時(shí)刻參與DR提高設(shè)定溫度，此時(shí)壓縮機(jī)停止工作，空調(diào)運(yùn)行功率降低，期間室內(nèi)溫度逐漸提高，而當(dāng)內(nèi)溫度超出新的溫度設(shè)定區(qū)間，壓縮機(jī)重新周期性運(yùn)行，維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，并且由于調(diào)控溫度設(shè)定值后，室內(nèi)外溫差降低，新穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中空調(diào)壓縮機(jī)的工作時(shí)間占比縮短，因此在動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)階段均呈現(xiàn)減負(fù)荷作用，具體如圖3所示。

圖3 空調(diào)參與DR穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程Fig.3 Operating process of air conditioning participatingin DR steady-state and dynamic

2 信息物理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制策略模型

2.1 基于溫度信息的降負(fù)荷程度分析

為保證空調(diào)設(shè)備參與需求響應(yīng)時(shí)可以獲得預(yù)期的降負(fù)荷效果，需要基于空調(diào)設(shè)備在DR前的溫度設(shè)定信息，開展不同溫度情形下的降負(fù)荷程度分析。假設(shè)空調(diào)正常運(yùn)行狀態(tài)為9:00開啟，22:00關(guān)閉。定義空調(diào)參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)間為11:00—13:00，期間使空調(diào)設(shè)定溫度由原始運(yùn)行溫度Tset提升至需求響應(yīng)溫度Tdr，最高提升至27℃。例如，在Tset=25℃，Tdr=27℃時(shí)，室內(nèi)外溫度曲線如圖4所示。

圖4 室內(nèi)外溫度曲線Fig.4 Indoor and outdoor temperature curves

從單日總用電量角度出發(fā)，定義空調(diào)降負(fù)荷程度為

式中：P(Tset)為空調(diào)在設(shè)定溫度為Tset情況下不參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的空調(diào)單日總用電量；P(Tset,Tdr)為空調(diào)在初始設(shè)定溫度為Tset參與需求響應(yīng)項(xiàng)目，并使空調(diào)設(shè)定溫度提升至Tdr后的空調(diào)單日總用電量。分別計(jì)算不同溫度設(shè)定值時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)與參與需求響應(yīng)項(xiàng)目下，空調(diào)的單日用電量情況，得到單機(jī)空調(diào)降負(fù)荷程度圖如圖5所示。

圖5 不同溫度設(shè)定值下單機(jī)空調(diào)降負(fù)荷程度Fig.5 Load reduction degree of single air-conditioning at different temperature setting values

2.2 考慮削荷需求的空調(diào)實(shí)時(shí)控制策略

基于圖2中的溫度變化曲線和空調(diào)的工作狀態(tài)曲線，如果在DR開啟時(shí)一次性調(diào)高空調(diào)的設(shè)定溫度，空調(diào)的負(fù)荷將會(huì)在溫度提高后大幅度下降，持續(xù)一段不長(zhǎng)的時(shí)間后恢復(fù)到略低于原先負(fù)荷水平的情況。同理，在恢復(fù)溫度階段如果一次性回調(diào)降低設(shè)置溫度，空調(diào)負(fù)荷將反彈出現(xiàn)一個(gè)高于原先負(fù)荷的尖峰。為了獲得更平穩(wěn)的降負(fù)荷能力，可以采用逐步提高設(shè)置溫度的梯度控制方式，其在降負(fù)荷階段的目的是實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)且持續(xù)的降負(fù)荷控制，恢復(fù)溫度階段的目的是在抑制負(fù)荷回彈和振蕩的同時(shí)恢復(fù)至初始室溫。

以單臺(tái)空調(diào)的溫度梯度控制為例，在降負(fù)荷階段，根據(jù)DR削減負(fù)荷的需求PDR和DR開啟前的基線功率Pbase，首先計(jì)算降低所需負(fù)荷結(jié)束后的室內(nèi)平均溫度變化ΔTDR，然后計(jì)算出平均溫度的上升速率。據(jù)此，可以采取合適的控制間隔時(shí)間(Δt)，在每個(gè)Δt時(shí)間內(nèi)調(diào)高設(shè)置溫度(ΔT)。相關(guān)公式如下

資源是圖書館提供信息服務(wù)的基石。在新媒體環(huán)境下，為了高質(zhì)量地開展信息服務(wù)，滿足讀者多元化的信息需求，高校圖書館應(yīng)在進(jìn)行讀者調(diào)研的基礎(chǔ)上制定內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)合理、載體形式多樣的館藏資源建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)館藏結(jié)構(gòu)、不同載體文獻(xiàn)的和諧統(tǒng)一。而民族高校圖書館也擔(dān)負(fù)著文化傳承的使命，因此在資源建設(shè)方面除了常規(guī)資源建設(shè)意外，還應(yīng)根據(jù)學(xué)校學(xué)科建設(shè)需求和民族特色文化，重點(diǎn)加強(qiáng)一批具有民族性、地域性的綜合性特色數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，以便更好地服務(wù)于民族高校師生讀者的科研需求。并在資源構(gòu)建的基礎(chǔ)上重點(diǎn)打造知識(shí)服務(wù)產(chǎn)品，基于資源進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容的整合和有效的關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)多層次、多方位、多形式的資源傳播和信息服務(wù)。

式中：η′為空調(diào)在初始設(shè)定溫度為Tset的情況下，設(shè)定溫度每提升1℃，空調(diào)的降負(fù)荷程度，需基于ETP模型計(jì)算。Δt可基于DR的持續(xù)時(shí)間，選取1/10或1/20 DR持續(xù)時(shí)間作為控制間隔時(shí)間。

同理，溫度恢復(fù)階段，可以計(jì)算將所有空調(diào)系統(tǒng)恢復(fù)到其原始室溫所需的總負(fù)荷。然后，根據(jù)功率曲線反彈過程運(yùn)行的最大值Pmax和DR開啟前的基線功率Pbase，計(jì)算負(fù)荷反彈限值Plim=Pmax-Pbase，從而獲得退出DR所需的最小時(shí)間，并基于此計(jì)算設(shè)定溫度（ΔT′）［14］。

單臺(tái)空調(diào)的溫度梯度控制過程如圖6所示。空調(diào)待機(jī)時(shí)，設(shè)定溫度升高，室內(nèi)外溫差縮小，溫度上升的速率下降；空調(diào)運(yùn)行時(shí)，制冷功率不變，溫度下降斜率不變。降負(fù)荷階段，溫度上升量增多，下降量減少，待機(jī)時(shí)間增長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間縮短，溫度上升速率的下降進(jìn)一步促進(jìn)了待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，空調(diào)各制冷周期內(nèi)，空調(diào)額定運(yùn)行的時(shí)間減小，使得空調(diào)功率明顯下降。

圖6 單臺(tái)空調(diào)溫度梯度控制過程Fig.6 Temperature gradient control process of a single air conditioning

考慮到樓宇空調(diào)除進(jìn)行單機(jī)控制外，也可通過中央控制器廣播控制指令進(jìn)行統(tǒng)一控制，在這種情況下可將樓宇空調(diào)作為一個(gè)聚合體考慮進(jìn)行溫度的梯度控制。此外，由于市面上的空調(diào)設(shè)定溫度通常只能精確到整數(shù)位，當(dāng)計(jì)算出的溫度調(diào)整值(ΔT)為小數(shù)時(shí)，中央控制器也可以通過部分廣播的方式確保聚合體整體的溫度調(diào)整準(zhǔn)確。其控制框圖如圖7所示。

圖7 聚合空調(diào)溫度梯度控制流程Fig.7 Flow of temperature gradient control of polymerization air conditioning

3 實(shí)踐與仿真

3.1 空調(diào)建模仿真結(jié)果

首先對(duì)樓宇內(nèi)的單臺(tái)空調(diào)的負(fù)荷進(jìn)行建模仿真，選取空調(diào)本體的能效比COP為3.39，空調(diào)壓縮機(jī)的制冷電功率為2.155 kW，待機(jī)功率12 W可忽略不計(jì)，空調(diào)的溫度控制偏差δ為1℃；選取建筑等效熱阻R1為5.65℃/kW，建筑等效熱容Ca為700 kJ/℃，設(shè)置空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為9:00—22:00，室外溫度為武漢市夏季某日氣溫，得到室內(nèi)外溫度曲線和空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 室內(nèi)外溫度曲線Fig.8 Indoor and outdoor temperature curves

圖9 室內(nèi)溫度與空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)曲線Fig.9 Indoor temperature and air conditioning operating state curves

由仿真得，空調(diào)運(yùn)行時(shí)，在待機(jī)狀態(tài)與制冷狀態(tài)之間交替運(yùn)行，室溫在設(shè)定溫度范圍±0.5℃內(nèi)波動(dòng)，此參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置狀態(tài)下，單日空調(diào)總用電量為6.93 kWh。另外，分別于22℃～27℃區(qū)間調(diào)整設(shè)定溫度，以及降低2℃至升高3℃區(qū)間內(nèi)調(diào)整室外溫度，得到單機(jī)空調(diào)日用電量如表1所示。設(shè)定溫度每降低1℃，或者室外溫度每升高1℃，單機(jī)空調(diào)單日用電量約增加0.68 kWh。

表1 不同條件下單機(jī)空調(diào)日用電量Table 1 Daily electricity consumption of single air conditioning under different conditions

同理可對(duì)樓宇內(nèi)全部空調(diào)的負(fù)荷總量進(jìn)行建模仿真，首先設(shè)置樓宇內(nèi)空調(diào)總量為500臺(tái)，其參數(shù)區(qū)間為：能效比COP為3.0～4.0，空調(diào)壓縮機(jī)的制冷電功率為2.0～2.5 kW，待機(jī)功率忽略不計(jì)，空調(diào)的溫度控制偏差δ為0.8～1.2℃，建筑參數(shù)保持不變，空調(diào)開啟時(shí)間為9:00前后20 min內(nèi)隨機(jī)分布，空調(diào)關(guān)閉時(shí)間為22:00前后20 min內(nèi)隨機(jī)分布，得到仿真結(jié)果分別如圖10所示。

圖10 500臺(tái)空調(diào)建模仿真結(jié)果Fig.10 Modeling and simulation results of 500 airconditioning

由仿真得，聚合空調(diào)開始運(yùn)行時(shí)段，會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)荷尖峰，經(jīng)過開始運(yùn)行時(shí)段之后平均溫度達(dá)到設(shè)定值，聚合空調(diào)運(yùn)行總功率與室外溫度呈現(xiàn)正相關(guān)性。該日聚合空調(diào)總用電量為3 647.52 kWh，單機(jī)平均用電量7.29 kWh。此外，通過調(diào)整室外溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行仿真，設(shè)定溫度每減低1℃，或者室外溫度每升高1℃，聚合空調(diào)單日總用電量增加約344.5 kWh，由此可以根據(jù)DR的削負(fù)荷要求調(diào)整空調(diào)溫度。

3.2 空調(diào)控制仿真結(jié)果

圖11 聚合空調(diào)模型參與DR時(shí)室內(nèi)外溫度曲線Fig.11 Indoor and outdoor temperature curves of polymeric air-conditioning model participating in DR

圖12 不同控制策略下聚合空調(diào)得實(shí)時(shí)總功率Fig.12 Real-time total power of polymeric air-conditioning under different control strategies

考慮到空調(diào)負(fù)荷參與DR的實(shí)際削荷需求，為取得更平穩(wěn)的削荷效果與抑制負(fù)荷反彈，對(duì)聚合空調(diào)采用本文所提的空調(diào)溫度梯度控制策略進(jìn)行調(diào)控，考慮到目前市面上空調(diào)的設(shè)定溫度通常為整數(shù)，對(duì)溫度梯度中存在小數(shù)的部分通過平攤的方式分配給各空調(diào)設(shè)備，即空調(diào)設(shè)定溫度上升0.5℃等同于半數(shù)空調(diào)設(shè)定溫度上升1℃，溫度梯度控制模式下聚合空調(diào)實(shí)時(shí)總功率如圖12綠線所示。

溫度直接控制模式下，在DR開始時(shí)刻，所有空調(diào)均直接進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，聚合功率快速下降，但持續(xù)時(shí)間很短便進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，此時(shí)削減負(fù)荷效果大幅度下降；在DR結(jié)束時(shí)刻，所有空調(diào)均恢復(fù)設(shè)定溫度并進(jìn)入制冷階段，形成驗(yàn)證的負(fù)荷反彈現(xiàn)象，對(duì)并網(wǎng)有較大沖擊。溫度梯度控制模式下，在DR開始時(shí)刻，使得聚合功率以預(yù)設(shè)程度緩慢下降；在DR結(jié)束時(shí)刻附近，使得聚合功率相比基線功率略有提升但在運(yùn)行范圍內(nèi)；在DR結(jié)束后一定時(shí)段，聚合功率向基線功率靠攏。

3.3 空調(diào)控制實(shí)踐結(jié)果

由于目前樓宇空調(diào)負(fù)荷參與DR的項(xiàng)目較少，缺乏一定的實(shí)踐數(shù)據(jù)支撐，因此于2021年9月9日，在武漢邁異辦公樓，開展空調(diào)參與DR的控制實(shí)踐?？紤]到對(duì)于定頻空調(diào)，只能通過升高設(shè)定溫度的方式來降低其用電負(fù)荷，而對(duì)于變頻空調(diào)，除調(diào)節(jié)設(shè)定溫度外，調(diào)低冷凍水泵和冷卻水泵的設(shè)定頻率也能夠降低其功率，在實(shí)踐過程中由于空調(diào)機(jī)組是變頻空調(diào)，為了取得更好的DR效果，除溫度升高外也“調(diào)低冷凍水泵和冷卻水泵的設(shè)定頻率”。

DR期間的控制方式如圖13至圖15所示，具體表現(xiàn)為：在12：00一次性調(diào)高空調(diào)主機(jī)的設(shè)定溫度4℃（從20℃提升到24℃），于14：00回調(diào)設(shè)定溫度（從24℃降低到20℃），另外在12：00調(diào)低冷凍水泵和冷卻水泵的設(shè)定頻率由50 Hz降低到38 Hz，于18：00調(diào)回50 Hz。

圖13 直接控制策略下的主機(jī)設(shè)定溫度Fig.13 Setting temperature of main engine under directly control strategy

圖15 直接控制策略下的冷卻泵設(shè)定頻率Fig.15 Setting frequency of cooling pump under directly control strategy

查看開展DR控制后的實(shí)際室內(nèi)溫度變化情況，如圖16所示。圖中，DR執(zhí)行后溫度開始逐漸升高，穩(wěn)定后室內(nèi)溫度有1.2℃左右的上升，對(duì)于用戶的舒適度無明顯影響。

圖16 需求響應(yīng)實(shí)踐下的室內(nèi)溫度變化曲線Fig.16 Indoor temperature curve under demand response practice

查看開展DR控制后的空調(diào)主機(jī)負(fù)荷變化情況，并將其與同樣控制模式下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖17和圖18所示。

從圖17和圖18可以看出實(shí)踐結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)，在8:00左右空調(diào)統(tǒng)一啟動(dòng)時(shí)會(huì)存在一段負(fù)荷尖峰；其次在12：00開啟DR調(diào)高空調(diào)設(shè)定溫度后，空調(diào)負(fù)荷統(tǒng)一退出制冷模式而使得功率幾乎降低為0，并且該0功率只持續(xù)了一段時(shí)間，并非保持到DR項(xiàng)目結(jié)束，在直接控制模式下，DR削荷效果的持續(xù)實(shí)際較短；最后在DR結(jié)束后，回調(diào)空調(diào)的設(shè)定溫度會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷反彈形成一個(gè)小的負(fù)荷尖峰。

圖17 需求響應(yīng)實(shí)踐下的空調(diào)負(fù)荷變化曲線Fig.17 Load curve of air-conditioning under demand response practice

圖18 直接控制仿真下的空調(diào)負(fù)荷變化曲線Fig.18 Load curve of air-conditioning under direct control simulation

4 結(jié)束語

為引導(dǎo)空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)并驗(yàn)證其有效性與可靠性，本文對(duì)樓宇空調(diào)的需求響應(yīng)實(shí)時(shí)控制進(jìn)行了仿真與實(shí)踐研究。首先，在空調(diào)房間等效熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過分析室內(nèi)外溫度與空調(diào)功率之間的聯(lián)系，明確了空調(diào)調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。然后，計(jì)算了空調(diào)的削負(fù)荷能力，提出了一種考慮溫度信息及DR削荷要求的空調(diào)溫度實(shí)時(shí)梯度控制方法并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該方法能解決直接控制方法削荷效果短和負(fù)荷反彈嚴(yán)重等問題。最后，開展了空調(diào)溫度直接控制的需求響應(yīng)實(shí)踐工作，在室內(nèi)溫度僅上升1.2℃的情形下，空調(diào)負(fù)荷在15 min內(nèi)削減近似為0，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，也證明了空調(diào)負(fù)荷對(duì)用戶影響小且削減負(fù)荷效果明顯、反應(yīng)迅速，是需要的需求響應(yīng)資源，具有很高的調(diào)控價(jià)值。D

圖14 直接控制策略下的冷凍泵設(shè)定頻率Fig.14 Setting frequency of refrigerant pump under directly control strategy