主動需要系數法在建筑負荷控制中的應用

韓占強

(中國中建設計集團有限公司，北京 100037)

0 引言

作為電氣設備和線路選擇的依據，需要系數法是電氣負荷計算的常用方法之一。該方法以熱效應條件(即計算負荷產生的熱效應與實際變動負荷產生的熱效應等效)為基礎，需用系數和用電設備使用工況有關，用電設備越多、需要系數越高。需要系數法的計算準確度和設備臺數有關，設備臺數多時，該計算較為準確。由于設備組中每臺設備的使用工況不確定，需要系數反映的就是設備組整體在沒有外部干預情況下的自然運行狀態，本文中稱為自然需要系數，用Kx0表示。

自然需要系數是隨著時間變化的，通常取其在一個工作周期內的最大值作為負荷計算和設備選擇的依據。一些設計手冊中給出了常用用電設備組的需要系數，以表1中住宅建筑為例，通過實際工程調研得出用電負荷的需要系數，為負荷計算提供了參考依據。

住宅建筑用電負荷需要系數 表1

表1中的需要系數雖然用于計算最大需求功率，但負荷在實際使用中一直處于動態變化(見圖1)，負荷在某個工作周期內(例如24h內)是不均衡的。由于每個用電設備的使用狀態都是由即時需求決定，帶有一定的自然隨機性，當某一時刻需求集中時，就會達到用電高峰，出現設備負載率高、電能質量下降、供電可靠性降低等問題；當用電需求變小時，則會出現用電低谷，變壓器負載率較低，系統資源得不到充分的利用，甚至導致供電電壓偏高等。

針對以上問題，主動需要系數的概念被提出，通過對用電負荷特性、運行需求進行分析，采用一定的控制策略對負荷進行合理有效的控制，達到削峰填谷的目的。

圖1 分時負荷曲線

1 負荷特性研究和分類

通過對民用建筑用電負荷特性的分析，用電設備可以分為三類。

第一類為即時類用電設備，設備的運行狀態僅和實時需求有關，設備本身或其服務對象不含慣性環節或儲能環節。典型設備如照明、辦公計算機用電等。以照明為例，人們在視覺作業時需要光，室內需要開啟照明燈具，燈具發出的光和其開關狀態是瞬時對應的，不存在超前或滯后效應。因此此類用電設備的計算功率是由其使用工況決定的，也就是說此類設備的需要系數完全對應于實時需求。

第二類為慣性類用電設備，設備本身或其服務對象包含慣性能量環節，例如熱量等。此類設備如房間空調系統、帶蓄熱水箱的電熱水器、電冰箱等。

由于具有能量慣性，設備的運行狀態(包括運行功率和時間)在一定條件下可以彈性調整，具有可控制性。以空調系統為例，其所服務區域的房間熱量為慣性環節，短時間服務中斷時，在一定條件下能使房間溫度仍保持在一定的溫度范圍內，因此可以實現負荷波動控制，判斷設備是否為慣性用電設備的關鍵是判斷其本身或服務對象是否包含能量慣性環節。以電熱水器為例，帶蓄熱水箱的電熱水器為慣性用電設備，不帶蓄熱水箱的即熱式電熱水器不屬于慣性類用電設備。一般帶水箱的家用電熱水器(50L)功率為2kW，即熱式熱水器(不帶水箱)的功率為8kW，可以看出，自帶蓄熱水箱的電熱水器由于具有慣性能量環節，可以大大降低設備安裝功率。

第三類為儲能類用電設備。設備本身或其服務對象包含儲能環節，例如蓄電池或其他儲能介質。根據能否向建筑物饋送能量，該類設備又可以分為兩類：(1)僅作為用電設備儲能，不向建筑物饋送能量，如電動汽車充電樁系統，由于所存儲電能系用于汽車行駛用電，對于建筑物來說僅是用電設備。(2)既能作為用電設備儲能，又能向建筑物饋送能量，如UPS系統、空調冰蓄冷系統、電網儲能系統等。當設備向建筑物饋送能量時，可認為設備的需要系數Kx=-1。其中，在空調冰蓄冷系統中，當低谷電價時，制冷機組運行蓄冷，把電能轉化為冷量貯存；用電高峰時，釋放儲存的冷量，以減少冷機功率和運行時間，達到減少運行費用和優化資源配置、實現整體節能的效果。

在滿足使用要求的情況下，儲能類用電設備和慣性類用電設備可以采用智能控制策略對設備運行功率和運行時間進行調整，也稱為柔性用電設備。隨著物聯網、通信技術和智能控制技術的發展，此類設備將會越來越智能，更易于實現整體協同控制。

2 針對不同負荷的控制策略研究和案例分析

針對不同的負荷特性，在滿足使用需求的前提下，將無序的、不受控的用電負荷調整為受控的、可動態變化的負荷。對于用電設備組來說，通過主動負荷控制和人工干預，使實際使用功率可以按照事先設定的范圍進行動態調整，即可通過主動改變其需要系數實現用電負荷柔性控制的方法，在本文中稱之為“主動需要系數法”。

2.1 第一類即時類用電設備的控制策略

即時用電設備的運行狀態僅和實時需求有關，從削峰填谷角度來看，此種負荷可控性較差。需要注意的是，此類設備的使用工況是否真正對應于其實際需求。

例如在室內具有天然采光的場所，白天并不需要全部開啟照明燈具，但目前很多建筑物內并沒有做到這一點，造成能源浪費。如果采用智能照明控制系統，利用亮度傳感器來實現照明的照度感應控制，也可以視為采取一種主動控制方法以降低照明設備的同時使用系數。

2.2 第二類慣性類用電設備的控制策略

由于慣性類用電設備本身或其服務對象包含慣性能量環節，在設備停止運行后，仍能使其輸出參數在一定時間內保持在需求范圍內，因此可以利用該特性在用電高峰期進行調節。這個延遲時間越長，對負荷控制就越有利，越利于削峰填谷。

2.2.1 慣性能量環節時間長度

該時間長度由慣性類用電設備的時間常數、系統輸出參數的設定限值2個因素確定。其中，時間常數T是表示過渡反應時間過程的常數，對于按指數規律衰變的量，指該物理量上升到至最大值的變化量的0.632倍(1-1/e)，或從最大值衰減到最大值的0.368倍(1/e)所需要的時間，一般認為在4T后過渡過程達到穩定值。時間常數越大，用電設備的慣性越大。時間常數示意圖如圖2所示。

以房間空調系統為例，其時間常數的物理意義是：在恒定空調輸入的情況下，房間的溫升達到穩定溫升變化值的0.632倍(1-1/e)所需要的時間，也是在斷開空調后，溫升下降到初始值的0.368倍(1/e)所需的時間。

時間常數和房間圍護結構、房間內熱負荷大小有關。房間圍護結構隔熱性能越好，時間常數越大。房間溫度的變化可以用式(1)表示：

θ=θ0+(θW-θ0)(1-e-t/Τ)

(1)

式中，θ0為房間初始溫度，℃；θW為房間溫度穩定后的溫度值，℃；θ為t時刻房間溫度，℃；T為房間熱時間常數。

房間空調系統的慣性時間常數通常是固定的，因此可以通過改變其溫度設定值來調節負荷運行狀態。假定室內空調溫度在夏天為26℃～28℃，若采用定頻空調機組，機組在室溫高于28℃時投入運行，室溫逐漸降低，在到達26℃停止運行(間歇時間長度為Δt1)，室溫升高至28℃時機組再度開啟，溫度動態變化曲線可用圖3表示。

如果改變溫度的下限值至24℃，則系統儲存的冷量增加，機組的運行間歇時間變長為Δt2(Δt2>Δt1)。掌握了以上負荷特性，就可以通過主動負荷控制，在一定時間周期內為電網調峰。對于一個建筑物內的多臺機組，可以視為一個用電設備組，通過改變各個機組的運行間歇時間的長短，控制不同機組之間的間歇時間協調錯峰，可使整組設備的同時運行功率降低。

其他慣性類負荷也可采用此種方式，如熱泵供暖，若允許室溫波動±2℃，則電動熱泵可同時為電網調峰；電冰箱如允許溫度±1℃范圍內波動，可根據電力負荷波動運行。

2.2.2 車庫送排風機控制實例分析

下面以建筑內常見的車庫送排風機為例，說明慣性類負荷的控制方法及對系統設計影響。某地下車庫，建筑面積2.2萬m2，分為6個防火分區，每個分區內分別配置送排風機。各防火分區風機配置參見表2。

某車庫各防火分區的風機配置 表2

地下車庫送排風機通常采用時間控制，也可受一氧化碳濃度影響，濃度達到上限值時風機啟動，降低到下限值時風機停止運行。這兩種方式都可能會同時開啟或停止所有風機。參考設計手冊，通風機類負荷的需要系數Kx一般可取0.8，用于計算風機在自然工作狀態下出現的最大工作負荷。

通過改變運行策略，在CO濃度不超過高限值的情況下，可以利用其濃度參數的慣性間歇時間，使6個防火分區的送排風機錯峰交替運行。通過模擬計算，在最不利情況下需2個分區風機同時運行，此時主動需要系數為0.33。

在使用自然需用系數法時，車庫送排風機的計算功率為88.8kW，采用主動需要系數后計算為33.3kW，計算容量大幅減小，顯著優化了配電系統的資源配置。

2.3 第三類儲能類用電設備的控制策略

儲能類設備所儲存能量和功率、時間的關系可以用式(2)表示：

(2)

可以看出，對應于一定的儲能量，可以彈性調整其運行功率、工作時間，對應多種工作曲線，因此具有良好的控制特性；儲能充放電功率越大，時間越長，其所存儲的能量越大。儲能類用電設備可以利用其儲能環節在用電低谷期進行儲能，在用電高峰時釋放所儲存的能量，起到削峰填谷的作用(參見圖4)。

圖4 儲能類設備削峰填谷示意圖

2.3.1 電動汽車充電樁控制分析

下面以電動汽車充電樁系統為例，重點說明儲能類用電設備的控制策略。

電動汽車充電樁的使用需求是在一定時間內使電池充滿，由于總充電量是充電功率和時間的積分，充電功率和充電時間可以是變化的，對應不同的功率-時間曲線。圖5采用時間間歇控制，圖6采用變功率控制。

多臺充電樁充電時，在某個時段會出現充電高峰。以住宅小區為例，其使用工況是白天大部分電動汽車外出，晚上回家進行充電。因此充電高峰主要集中在晚上，經過模擬，充電高峰出現在19:00～23:00左右，需要系數較高；23:00以后，充電樁使用率大大降低，需要系數降低。在自然使用工況下出現的充電功率峰值對電網和變壓器容量需求都較大。

圖5 間歇控制曲線圖

圖6 變功率控制曲線圖

對于單輛電動汽車，在每天都進行充電的情況下，其充電量不是電池的總容量，而是和其當天行駛里程相關。對于多輛電動汽車，每天的平均充電量對應于每天的平均行駛里程。目前主流電動汽車的續航里程都在250km以上，使用交流充電樁充電時間為6～8h。參考圖集18D705-2第65頁中數據，目前代表型號的電動汽車，100km耗電量為12～16kWh，對應此電量所需的充電時間為1.88～2.5h，可取2.5h。假定小區內所有電動汽車的日平均行駛里程為60km，則平均充電時為2.5h×60/100=1.5h。

若該小區電動汽車日均在車庫停留時間為10h，可以通過充電負荷控制，調節各充電樁的工作狀態，將所有汽車的總充電量均勻分布在10h完成，此種情況對電網的供電容量需求最小，充電樁的需要系數值為Kx=1.5/10=0.15。此系數即為采用主動負荷控制策略下的主動需要系數的最低值。

目前電動汽車智能充電監控系統已經可以實現此功能，在滿足總充電需求的情況下，通過對充電樁進行啟停控制和充電電流控制，調節改變充電樁總負荷的大小。充電樁工作狀態不再是自然隨機的，而是一種主動受控的狀態，主動需要系數可以根據配電系統的利用率狀態進行動態調整，最大限度利用系統資源，降低系統配置容量。

充電樁主動負荷控制流程圖見圖7。

圖7 充電樁主動負荷控制流程圖

需要說明的是，對一個給定的主動需要系數值，為了避免在臨界點附近出現設備頻繁啟停的振蕩狀態，需要為給定值設定一個上下限值(如不大于給定值的±3%)，建議上下限值之間的實際功率波動幅度大于1個充電樁的功率并小于2個充電樁的功率。

2.3.2 實際工程舉例

某住宅小區，總建筑面積7.46萬m2(其中地下2.3萬m2，地上5.16 萬m2)，包括3棟高層住宅、地下車庫和配套用房。如不考慮充電樁，經計算需設置4臺630kVA變壓器,其中住宅用電變電室(局管)和高壓自管變電室各設置2臺。

根據國家相關政策和標準，新建住宅配建設停車位應100%預留充電設施建設安裝條件。本小區配套機動車停車位432個，全部按照7kW交流充電樁考慮，如按照自然需要系數法，最大值Kx0取0.6。則小區車庫充電樁總安裝容量為PeΣ=432×7kW=3 024kW，總計算容量為Pj0=Kx0×PeΣ=0.6×3 024=1 814kW。如設置充電樁專用變壓器，則需要預留變壓器容量為S=Pj/β/cosφ=1 814/0.7/0.95=2 727kVA。

從以上計算可以看出，住宅小區充電樁容量如果簡單地用自然需要系數法計算，充電樁需要配置的變壓器容量較大，甚至會超過充電樁之外所有負荷所需配置變壓器容量的和。如果采用主動系數法，假定日均行駛里程60km，在車庫日均停留時間為10h。充電樁最小需要系數可以取Kx1=0.15。計算結果對比列表參見表3。

通過以上分析，采用主動需要系數法可以最大限度利用配電系統供電能力，降低變壓器安裝容量，優化系統資源。

在既有變壓器上增加充電樁，可以通過分析實測變壓器日負荷曲線(見圖8)，計算出最大可用容量，再通過主動負荷控制，可以反推計算得出電動汽車充電樁的最大可安裝數量。具體控制策略可根據通過實測計算變壓器的負載率，控制充電樁啟停的數量，并形成閉環控制。計算方法如式(3)～(6)所示。

自然需要系數法和主動需要系數法負荷計算對比 表3

(3)

W2=S×βmax×0.95(t2-t1)

(4)

Wav=Pc1×Tav

(5)

(6)

式中，W1為在某個時間段變壓器現狀負荷的消耗電能，kWh，為有功負荷和時間的積分；W2為在某個時間段變電器在最大設定負載率運行時的供電電能，kWh；Wav為單個充電樁每天平均充電量，kWh；Pc1為單個充電樁充電功率，kW，交流充電樁為7kW；Tav為單個充電樁對應某里程的每天平均充電時間，h；N為最大可服務的充電樁數量；βmax為變壓器設定最大負載率；t1、t2為某個時間段的起始時間，h。

圖8 變壓器供電容量分析示意圖

如圖8所示，為變壓器供電容量分析示意圖。其中，底部陰影面區域表示現狀負荷用電量，上部中間陰影面區域表示變壓器在設定最大負載率下的用電量，上部兩側陰影面部分表示從晚上19:00至早上7:00充電樁最大可用電量。

以上分析案例中采用的是交流充電樁，由于電動汽車平均充電電量只和小區內電動汽車平均行駛里程有關，因此，采用功率更大的直流快速充電樁，可以得到同樣的分析結果，不同的是對直流充電樁來說，其主動需要系數更低。

既能作為用電設備儲能，又能向建筑物釋放能量的儲能類用電設備是最理想的負荷。例如電網儲能系統，采用蓄電池儲能，用電低谷時充電，用電高峰時蓄電池放電，向電網饋送電能。筆者相信，隨著智能微電網的發展，此類設備將會得到越來越多的應用。

2.4 多種負荷組合的綜合控制策略

建筑中的用電負荷是以上3種負荷類型的組合。

即時類用電設備的運行狀態完全由實時需求決定，不存在延時或滯后環節，其運行需要系數對應于自然需要系數。

慣性類用電設備可以根據允許的運行間歇時間的長短，通過改變輸出對象參數的變化區間來控制設備的運行方式和時間，利用負荷慣性實現交替錯峰運行，通過主動控制達到降低需要系數的目的。

儲能類設備是比較理想的柔性設備，可以在用電低谷時投入運行儲能，用電高峰時釋放能量。其儲能量越大，對系統削峰填谷越有利。

(1)負荷控制的總體原則

削峰填谷和經濟性最佳原則：對于按峰谷電價計費的場所，在高峰電價期間應盡量減少設備的運行，儲能類設備釋放能量，慣性類設備主動控制其需要系數至最低值。在低谷電價期間，儲能設備投入運行，慣性類用電設備可以利用其負荷慣性，改變其輸出參數，進行適度蓄能。對于使用新能源的場所，可以根據新能源的發電量進行主動負荷調節。

安全可靠性原則：在用電高峰期或特殊保電時期，采用主動需要系數法進行負荷控制，改變用電設備自然隨機的使用狀態，減少設備的實際使用功率，保證重要負荷供電的可靠性。

(2)確定控制邊界條件

采用主動需要系數法需要確定兩個邊界值，最小值由滿足設備使用需求的功率最低值確定，最大值由配電系統可提供的最大容量確定或節能控制策略即時設定值確定。在確定設備組內各設備的運行狀態時，可以采用優先級控制、排隊控制、輪換控制等方式。

對于某個變壓器供電的負荷，可以設定變壓器的最高負載率或配電干線的最大負荷容量，進行閉環控制。

在設計階段，可以根據主動需要系數法的需要系數最低值作為最小邊界值計算變壓器的容量，例如前述充電樁專用變壓器計算舉例就可以很好地說明了這種方法，其他負荷可以參考此種方法，分析運行工況后確定合適的控制策略和計算取值，達到優化配置的目的。

3 結束語

根據用電負荷的不同運行特性，采用主動控制策略，在滿足使用要求的前提下，改變建筑物中用電負荷自然、無序、隨機的使用狀態，可以減少設備安裝容量，降低運行成本，提高系統的運行可靠性。

采用主動需要法計算得到的最大負荷要小于采用自然需要系數法求得的最大負荷，反之會影響供配電系統的設計。從削峰填谷效應來看，儲能類設備的控制性能最好，慣性類設備次之，即時類設備貢獻最小。