楼宇空调符合响应策略评估

论文总字数：23143字

目 录

1绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2空调负荷需求响应研究 1

1.2.1需求响应综述 1

1.2.2空调的负荷响应实现方法 2

1.2.3国内外研究现状 2

1.3课题研究内容 3

2空调负荷模型 3

2.1空调负荷的热力学模型 3

2.2空调机组的状态队列模型 6

2.3约束条件 8

3空调机组的温度调节方法 8

3.1基线负荷的运算 8

3.2常规的温度调节方法 9

3.3改良后的温度调节方法 11

4仿真结果及其分析 14

4.1单台空调的仿真分析 14

4.2空调机组的仿真分析 18

4.3对上述分析结果的优化 21

5总结与展望 22

参考文献 23

致谢 25

附录A 26

附录B 27

楼宇空调负荷响应策略评估

徐韬

，China

Abstract: The frequency air-conditioning as the research object, to establish thermodynamic parameter thermal model to simulate the variation of the room temperature, then established the thermodynamic simulation model of air conditioning system, baseline load operation as a basis for, reference to the human comfort requirements, the air-conditioning temperature setting value and air conditioning unit status queue arrangement, so as to reach the goal of building air conditioning load cutting. In the case of the limitation of the thermodynamic model for the calculation of the load of the air conditioning unit, the start and stop process of the unit is simulated using the state queue model. Under the premise of modeling and simulation, by according to the demand of comfort and change the set temperature value, the advantages and disadvantages of different temperature control strategy, using Matlab tool to carry on system simulation, thus obtains the adjustment method to reduce the peak load in the role.

Key words: demand response; state-queueing model; air-conditioning load dispatch; equivalent thermal parameters model; comfort level

1绪论

1.1 课题研究的背景及意义

随着时代的发展带来的经济的增长和城镇化进程的推进，极端气候出现愈发频繁，商业用电负荷也因此迅速增长，占电力系统负荷的比例也越来越高，楼宇空调作为商业用电负荷的重要组成部分，使用率也大幅度地增长。每当特别炎热或特别寒冷的夏冬两季^[1]，全年利用率不高的空调系统便开始集中启动，不仅加剧了电能的消耗，还增大了电网负荷的峰谷差，为电力系统安全稳定的运行和电力设施的建设带来很大的困扰。

由于空调负荷具有时段性和集中性的这两个特性^[2]，在七八月份用电高峰时期，空调集中运行，而在春秋时节则开机很少，尖峰负荷时间比较短暂。最简单的一种可以达到尖峰用电需求的方法就是从电网侧增加系统的装机容量，但是正因为尖峰负荷的持续时间只有短暂的夏季，为此去付出巨额的资金来满足很低的设备年度利用的需求，将会发生极大的浪费社会资源的现象。此时就需要需求响应技术来解决这一问题。需求响应是从用户侧解决问题的一种体现，与传统方式相比较，成本相对低廉，反应相对迅速，环境友好度也相对较高。

空调负荷是一种可以储存热能的负荷，凭借这一点优势，在电网希望其在高峰时段降低负荷时，它可以以很快的速度满足电网需求，缓解需求侧和供电侧的矛盾。正如上面所说，与发电机装机容量所需的投入相比，它成本低廉，控制合理的情况下对用户舒适度的影响也不大。作为一种温控负荷，储能方便的特性使它的需求响应潜力变得十分巨大。通过对空调的合理控制，便可以达到在满足对用户舒适度影响较小的前提下，用与从电网侧增加装机容量相比而言很小的成本达到削减峰值负荷的目的。

空调系统常用的需求响应方法有启停控制和温度设定值调整两种方式，在本次毕业设计中，将会针对商务楼宇的空调负荷，制定其需求响应策略，并对比分析各种策略的需求响应性能指标。对各种不同响应策略的评估，可以找出一种更加合适的方法进行实践，宏观上来说，对于有效削减电力尖峰负荷，缓解电网侧建设调峰电厂的成本压力，通过减少发电量去降低温室气体排放达到保护环境的目的，具有深远的影响。

1.2空调负荷需求响应研究

1.2.1需求响应综述

需求响应（demand response，DR）^[3]是在现阶段的竞争性电力市场中，出于减少电网侧投资成本的目的而开始对于需求侧管理的一种发展方式。用比较宽泛的定义来说，需求响应可以如下表述：处在电力市场环境下的用户对于市场中的价格信号或激励机制做出响应^[4]，并在响应之后改变平时的消费模式的市场参与行为。按照美国联邦能源监管委员会(Federal Energy Regulatory Commission, FERC)在2008年对需求响应的分类来说，可以分为基于价格的DR和基于激励的DR两种类型。基于价格的需求响应，又可以称作按时计费方法，在用户响应零售电价变化的同时调整用电需求，包括分时电价、实时电价和尖峰电价等等，意在驱动用户自行调整负荷。基于激励

的需求响应是指需求响应实施机构通过制定相应或许变化或许不变的政策，激励用户在系统需要时削减负荷，具体来说，包含有直接负荷控制、可中断负荷、需求侧竞价^[5]、紧急需求响应和容量/辅助服务计划等，这种方式更多地通过直接调控的手段促使用户减少用电负荷。两种方式互相联系互相补充，共同参与电力市场的系统调度管理。

1.2.2空调的负荷响应实现方法

根据空调负荷在不同情况下的控制要求，主要可以分为以下三种方法^[6]进行需求响应实施：中断控制、温度调节和启停控制。

中断控制顾名思义，就是在系统需要达到一定调度目的的时候关闭用户的空调设备。在夏冬季节用电达到高峰时段暂时停止负荷运行，对调峰而言效果显著。但是，中断控制对于用户舒适度带来的影响无疑是巨大的，长时间的空调关断很容易导致室内温度过高，势必会影响用户进行对系统需要时进行响应的积极性，因此在实际生活中应用很少。

温度调节，即通过在远方调节用户处温度控制器的设定值来实现对空调的控制。对于一些参数相同或基本相似的空调机组，可以利用等效热参数模型^[7]（equivalent thermal parameters model，ETP model）来分析传统调温方法造成的负荷波动。在这样的情况下，单台空调的负荷特性曲线具有周期性来回跃变的特点，可以想见的是，这样的情况下系统是不够稳定的，因此，提出了下面的启停控制。

周期性暂停控制又称轮停^[8]，是对空调的制冷机组周期性发出开/关信号的一种控制方式。轮停研究表明，热力传导具有延时性，因此在空调风机持续不断工作的基础下，空调压缩机在一个小时的时间里停机十五分钟，用户是几乎感觉不到温度变化的^[9]。上文也说到，对单台空调来说，温控曲线不够稳定且功率很小，相比较而言，聚合空调数量多，调度灵活且潜力巨大。以上述两点作为根基，对空调进行编组，按组别进行短时轮控，对抑制夏冬季节由空调负荷引起的用电尖峰有着十分良好的作用，这样的调度方式可以通过负荷聚合商^[10]的控制来进行。

1.2.3国内外研究现状

因为聚合空调机组数量众多，调度灵活的特点，电力公司已经将其视为重要的一种需求响应资源，希望将其纳入平时的电力系统运行调度中去^[11]。国内外已经有相当多的有关研究乃至于实际应用，对象包括居民、工商业以及政府等公共事业。

对聚合空调的研究是从回归模型^[12]开始的，这种模型基于历史数据来调整回归参数，对空调族群的研究有十分重要的作用。在时间点相对接近的现在来说，主要将空调归属于温控设备(thermostatically controlled appliances，TCAs)^[13]来佐证其需求响应的必要性。文献[13]研究了空调分层参与调度的优化方案；文献[15]主要详述了状态队列模型在空调运行时的变化情况，同时还将聚合空调负荷在不同补偿策略下的表现做了详细的规整；文献[16]提出了一种空调负荷的物理模型，并简要叙述了其在需求响应方面的潜力和如何参与需求响应的情况；文献[17][18]从直接负荷控制和基于电价的需求响应两个方面来提出空调负荷削减的可能性，然而，其中并无详细的方案。

除了上述文献只研究了空调负荷参与负荷削减的必要性以外，还有一些提出了较为实际的控制方法。例如文献[19]就描摹了一种基于温度的队列调整方案，这种方案通过温度的判断来控制空调负荷通断，除了控制通断以外，文献[20]还草拟了一种温度设定值的调节控制，这种控制虽然效果十分明显，但是对于基本相同的空调族群存在多样性缺失而导致负荷很大幅度波动的问题，虽然这种现象可以通过文献[21]的闭环控制进行调整，但是这种方法对控制侧的要求非常高，往往会极大增加进行空调负荷调度的成本。在此基础上，文献[7]提出了一种新的调温方法，设计决策模型，成效显著。

1.3课题研究内容

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