中央空調(diào)集群需求響應(yīng)雙層優(yōu)化控制方法研究

摘? 要：中央空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷較大，需要及時(shí)滿足其需求響應(yīng)，為此提出中央空調(diào)集群需求響應(yīng)雙層優(yōu)化控制方法。建立目標(biāo)函數(shù)，求解中央空調(diào)集群在最大負(fù)荷運(yùn)行條件下的約束條件，根據(jù)約束條件調(diào)度中央空調(diào)的響應(yīng)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)雙層優(yōu)化控制模型，采用該模型得出各個(gè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，并將運(yùn)行狀態(tài)信息與需求信息同時(shí)傳輸至模型中的信息處理單元，從而針對空調(diào)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有針對性的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠及時(shí)對需求響應(yīng)作出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對中央空調(diào)集群的高精度控制。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)集群;需求響應(yīng);約束條件;雙層優(yōu)化控制

0? ? 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，無論是家庭用電量還是企業(yè)用電量均呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，雖然相關(guān)控制措施可在一定程度上緩解用電問題，但部分地區(qū)仍然存在電力供應(yīng)緊張的問題。空調(diào)作為一種已經(jīng)普及的電器，其用電負(fù)荷容量較大，尤其是夏季，此時(shí)是空調(diào)負(fù)荷高峰期，如果不對空調(diào)負(fù)荷尤其是中央空調(diào)集群負(fù)荷進(jìn)行有效控制，極易出現(xiàn)負(fù)荷尖峰現(xiàn)象。除此之外，通過合理的需求管理方式，使中央空調(diào)集群快速響應(yīng)調(diào)度需求，實(shí)現(xiàn)對需求響應(yīng)的有效控制，有助于緩解電力供應(yīng)緊張的局面，進(jìn)一步保障電網(wǎng)的運(yùn)行安全[1]。

目前常用的控制方法主要有基于彈性溫度可調(diào)裕度的控制方法、基于用戶需求的控制方法以及基于狀態(tài)預(yù)測的控制方法，上述方法雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)對需求響應(yīng)的控制，但存在控制精度不高和響應(yīng)不及時(shí)的問題[2]，因此，設(shè)計(jì)了一種基于雙層優(yōu)化控制模型的中央空調(diào)集群需求響應(yīng)控制方法。

1? ? 中央空調(diào)集群需求響應(yīng)雙層優(yōu)化控制方法

功率波動是中央空調(diào)集群的重要輸出向量，在需求響應(yīng)控制中，如果僅從數(shù)值角度出發(fā)，那么功率波動可以作為中央空調(diào)集群的輸出功率，但在實(shí)際需求中，功率波動受多方面因素影響，因此，在定量分析需求響應(yīng)中室內(nèi)溫度設(shè)定區(qū)間、需求響應(yīng)時(shí)長、需求提前通知時(shí)間等條件的前提下[3]，構(gòu)建一個(gè)目標(biāo)函數(shù)：

K=T（Pmax+Pmin）? ? ? ?（1）

式中：Pmax表示波動曲率最大值，即中央空調(diào)集群運(yùn)行功率的最大值;Pmin表示波動曲率最小值，即中央空調(diào)集群運(yùn)行功率的最小值;T表示運(yùn)行時(shí)長，具體可分為tstart和tend，tstart表示需求響應(yīng)的起始時(shí)刻，tend表示需求響應(yīng)的結(jié)束時(shí)刻。

由能量守恒定理可知，某個(gè)時(shí)間段內(nèi)中央空調(diào)輸送的熱量減去該區(qū)域內(nèi)原有的熱量，應(yīng)該等于該區(qū)域的實(shí)際熱量值[4]，基于該原理結(jié)合公式（1）構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，得到中央空調(diào)集群在最大負(fù)荷運(yùn)行條件下需求響應(yīng)的約束條件：

式中：Pbeat（tstart）表示需求響應(yīng)起始時(shí)刻中央空調(diào)集群運(yùn)行功率最佳值;Pbeat（tend）表示需求響應(yīng)結(jié)束時(shí)刻中央空調(diào)集群運(yùn)行功率最佳值;n表示空調(diào)數(shù)量;i表示集群中的第i個(gè)空調(diào);pi表示空調(diào)i運(yùn)行的最大負(fù)荷;Sti表示運(yùn)行時(shí)段內(nèi)需求響應(yīng)事件持續(xù)時(shí)間;qj表示空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)。

在滿足上述約束條件的基礎(chǔ)上，假設(shè)中央空調(diào)集群在接收需求響應(yīng)之前，就已經(jīng)進(jìn)入到預(yù)制冷工作模式，此時(shí)構(gòu)建雙層優(yōu)化控制模型，對需求響應(yīng)進(jìn)行層次化控制：

式中：pn表示中央空調(diào)集群總體需求響應(yīng)系數(shù);pn′表示中央空調(diào)集群在提前通知條件下的需求響應(yīng)系數(shù);un表示需求響應(yīng)過程中中央空調(diào)集群的運(yùn)行狀態(tài);un′表示運(yùn)行偏差。

通過求解雙層優(yōu)化控制模型，得出各空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，將運(yùn)行狀態(tài)信息與需求信息同時(shí)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果給出響應(yīng)指令，并判斷是否對中央空調(diào)集群進(jìn)行人為控制，從而實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)集群需求響應(yīng)的層次性和全面性控制。

2? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于雙層優(yōu)化控制模型的中央空調(diào)集群需求響應(yīng)控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果，在Windows 10操作系統(tǒng)、內(nèi)存容量為16G、硬盤容量為512GB SSD+2TB HDD的硬件環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用MATLAB軟件進(jìn)行處理。

需求響應(yīng)時(shí)間反映控制方法的響應(yīng)效率，影響控制效果，以此為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，將基于彈性溫度可調(diào)裕度的控制方法（方法1）、基于用戶需求的控制方法（方法2）以及基于狀態(tài)預(yù)測的控制方法（方法3）作為對比方法與本文方法進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

分析表1數(shù)據(jù)可知，本文方法的需求響應(yīng)用時(shí)明顯低于現(xiàn)有方法，其最高用時(shí)僅為2.80 s，最低僅用時(shí)0.98 s，說明該方法的響應(yīng)效率更高，能夠?qū)χ醒肟照{(diào)集群需求及時(shí)做出反映與調(diào)整，有利于降低出現(xiàn)負(fù)荷尖峰現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)。這是由于該方法構(gòu)建了雙層優(yōu)化控制模型，通過該模型獲得中央空調(diào)集群中各個(gè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行有針對性的處理，從而縮短了響應(yīng)時(shí)間。

以控制精度為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對比不同方法的需求響應(yīng)控制效果，結(jié)果如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)可知，與現(xiàn)有方法相比，運(yùn)用本文方法對中央空調(diào)集群需求響應(yīng)進(jìn)行控制時(shí)，控制精度明顯更高，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為210次時(shí)，其控制精度最大值達(dá)到了89.0%，說明該方法的控制效果較為可靠，可為中央空調(diào)集群的安全運(yùn)行提供保障。因?yàn)樵摲椒ㄍㄟ^目標(biāo)函數(shù)求解中央空調(diào)集群需求響應(yīng)的約束條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化控制，有利于提高控制精度。

3? ? 結(jié)語

針對現(xiàn)有方法存在的需求響應(yīng)時(shí)間較長和控制精度不高的問題，提出了基于雙層優(yōu)化控制模型的中央空調(diào)集群需求響應(yīng)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文方法控制精度較高，且響應(yīng)時(shí)間較短，能夠適用于中央空調(diào)集群需求響應(yīng)的相關(guān)控制操作，有助于緩解用電緊張的問題。雖然本文方法取得了一定的成效，但是由于沒有考慮到空調(diào)的熱慣性等因素，集群中的個(gè)別空調(diào)存在無法接收響應(yīng)需求信息的問題，因此還需進(jìn)一步優(yōu)化。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 華亮亮，黃偉，葛良軍，等.計(jì)及需求響應(yīng)的主動配電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型[J].電力建設(shè)，2018，39（9）：112-119.

[2] 王均，黃琦.基于優(yōu)惠券激勵(lì)的需求響應(yīng)雙層優(yōu)化機(jī)制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（1）：108-114.

[3] 朱宇超，王建學(xué)，曹曉宇.中央空調(diào)負(fù)荷直接控制策略及其可調(diào)度潛力評估[J].電力自動化設(shè)備，2018，38（5）：227-234.

[4] 董曉晶，劉洪，宮建鋒，等.考慮多類型綜合需求響應(yīng)的電熱耦合能源系統(tǒng)可靠性評估[J].電力建設(shè)，2018，39（11）：10-19.

收稿日期：2020-06-16

作者簡介：滕兆勝（1969—），男，山東日照人，碩士，工程師，研究方向：電氣工程與自動化。