樓宇中央空調參與電網調度與控制應用研究

2021-05-19 10:21:14游大寧劉航航程定一

山東電力技術 2021年4期

劉萌，游大寧，劉航航，高嵩，程定一

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南 250003；2.國網山東省電力公司，山東濟南 250001）

0 引言

近年來，隨著外電入魯規模持續擴大、山東省內新能源裝機迅猛增長、直調公用機組供熱面積不斷擴大、核電機組從無到有，山東省電源結構正在經歷著一個由量變積累到質變的關鍵時期，多重因素疊加造成常規火電機組調峰資源幾近枯竭，一度被迫采取安排大容量火電機組頻繁日內啟停、時段性棄風棄光等措施緩解電網調峰壓力［1-4］。亟須挖掘負荷側的調節潛能，促進風電、光伏等間歇式新能源發電的消納利用。與此同時，隨著特高壓直流的快速發展，直流閉鎖故障等引發的大功率缺失使電網安全穩定面臨挑戰，精準柔性負荷控制是保障大電網安全穩定運行的重要手段。

空調負荷是熱慣性較大的負荷，其運行狀態可以根據電網需求進行適當調整，不會對用戶熱舒適度造成明顯的負面作用。空調負荷在負荷中占到很大比例，某些發達的城市中在夏季峰荷時段能達到總負荷的30%～40%，并且占比逐年提高［5-9］。因此，研究在大功率缺失情況下對空調參與電網的應急響應以及正常情況下參與電網調峰，對于電網的安全、穩定運行意義重大［10-22］。空調包括中央空調和分散式兩種類型。樓宇中央空調一般針對為商業、政府或者企業樓宇進行集中供冷（熱），相當于多臺分散式空調的聚合，具有單個中央空調負荷功率大、可調控性能好等優點，在并且全部空調負荷中占有很大比例，因此主要針對中央空調負荷進行研究。

介紹中央空調工作的基本原理和空調室內溫度的控制特性，分析了電網調峰、應急響應和用戶對負荷控制的基本要求，在此基礎上，以某樓宇中央空調為實際案例進行分析，討論中央空調負荷參與電網調度與控制的可行性。

1 中央空調基本工作原理

1.1 基本工作原理

中央空調系統主要包括三個組成部分：主機、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統，如圖1 所示［8-9］。圖中，T為經過冷卻塔的冷卻水溫度。以制冷運行狀態的中央空調為例進行分析：主機通過制冷壓縮機把冷媒（制冷劑）壓縮成液態后，將其送至蒸發器與冷凍水進行熱量交換，降低冷凍水溫度；冷凍水循環系統中的冷凍泵將冷凍水送至各房間風機風口的冷卻盤管，風機吹動盤管實現房間與冷凍水之間的熱量交換，達到降溫室內溫度的目的；經過蒸發器后的冷媒在冷凝器中與冷卻水進行進一步熱量交換，釋放熱量，變為氣態。冷卻水循環系統中的冷卻泵將冷卻水送至冷卻塔，由冷卻塔風機對其進行噴淋，實現與大氣之間的熱量交換，把冷卻水中的熱量散發到大氣。上述各部分過程往復循環。

圖1 中央空調系統基本原理

1）制冷主機。制冷主機通過壓縮機對冷凍水進行制冷，冷凍水一般制冷到7 ℃左右，是中央空調系統的冷源，冷凍水由冷凍水泵送入空調房間。水冷式機組一般包括螺桿機組、離心機組等主機類型。

2）冷凍水泵。冷凍水循環系統的泵為冷凍水泵，將冷凍水循環到空調系統各個末端與各個房間內空氣進行熱交換，冷凍水的溫度升高后再循環回到冷水主機的蒸發器內，放出熱量（吸收冷量），再返回空調系統末端循環，不斷的循環構成冷凍水循環系統。

3）冷卻水泵。冷卻水循環系統的泵為冷卻水泵，制冷劑在主機中循環，在冷凝器里放出熱量，變成氣體，需要通過冷卻水來完成散熱，使其再凝結為液態制冷劑。主機所產生的熱量由冷卻水循環系統帶走，循環到冷卻塔把熱量釋放到大空中，再回到冷水機組，不斷地循環構成冷卻水循環系統。

4）冷卻塔。冷卻水泵把吸收了主機熱量的水送到冷卻塔，冷卻塔中有布水管噴頭，其中的水自上而下流動，主要通過自然空氣以及軸流風機帶動空氣加速運動帶走水中的熱量。經冷卻塔降溫之后的冷卻水再次循環回到制冷主機，帶走制冷主機產生的熱量。

5）風機盤管。風機盤管安裝在每個房間內，冷凍水經過風機盤管與室內進行熱量交換，熱量交換后的水再循環回主機進行制冷（或制熱），不斷循環以達到調節室內溫度的目的。

1.2 房間內溫度的控制

圖2 單個空調室內的溫度周期變化特性

各房間的設定溫度Tset由室內人員通過溫度控制器設定，室內溫度周期變化，如圖2 所示。當風機盤管打開時時，室內溫度下降，當達到溫度關閉邊界溫度值Tlow時，空調控制器關閉室內風機和盤管閥門；當風機盤管閥門關閉時，室內溫度上升，當達到溫度開啟邊界溫度值Thigh時，空調控制器開啟室內風機和盤管閥門。

單個房間內溫度變化具有周期特性，中央空調的功率由負荷多樣性決定，負荷控制可能會單個房間運行狀態的趨同，引發中央空調功率振蕩和功率的“二次沖擊”［10］。

2 對負荷控制的基本要求

2.1 電網對負荷控制的要求

2.1.1 穩控切負荷對負荷控制的要求

為保證大功率缺失（如直流閉鎖故障）時電網的安全穩定運行，安穩系統需要快速、可靠地切除相應負荷。以山東電網穩控切負荷系統為例，其安穩系統從判斷直流系統雙極閉鎖至變電站負荷開關出口跳開，整個過程的動作時間約100 ms。因此，切除負荷快速性和可靠性是負荷控制用于保證電網安全穩定運行的基本要求。

中央空調參與穩控切負荷控制只能采用直接斷電切除的控制方式。

2.1.2 調峰對負荷控制的要求

調峰在調度過程中保證電力系統功率平衡基礎上，保證調度過程中發電成本以及中央空調的舒適度影響最小。需要建立含中央空調負荷的源-荷協同優化調度模型，實現所有參與電網調峰中央空調負荷與機組的優化組合。模型中需要計及中央空調的功率調整的上下限值、功率調整速率、中央空調恢復時間以及中央空調舒適度等要素。

中央空調參與調峰的控制方式可以采用柔性調節空調運行參數的方式實現。

2.2 空調用戶對負荷控制的要求

隨著社會的發展，電力用戶對用電質量提出更高要求，不考慮用戶終端用電特性的負荷控制可能對用戶用電舒適度造成明顯的負面影響。其中負荷舒適度是指用戶對供電服務質量的滿意程度，對空調負荷來講，指對室內熱環境的滿意程度。因此，空調用戶對負荷控制的要求是：負荷控制的過程中不對用戶的熱舒適度造成明顯的負面作用。空調室內的熱慣性時間常數較大，短時間的切斷或者改變控制參數，并不會明顯影響室內的溫度，因此以空調負荷為控制對象具有明顯的優勢，但需要建立用戶的終端特性的精確用電模型，對負荷控制過程中對室內溫度的變化進行精確考量。

3 中央空調參與電網調度與控制的可行性分析

3.1 中央空調系統各設備的功率情況

約克、特靈和開利是當前國內使用比較廣泛的中央空調，其單臺主機、冷凍泵、冷卻泵以及各風機的額定功率如表1 所示。中央空調系統功率消耗較大的設備均在中央空調機房內，主機功率約占空調系統總功率消耗的60%～70%，冷凍水泵和冷卻水泵功率總計約占空調總功率的15%，因此主要分析主機、冷凍水泵和冷卻水泵的可控性。

表1 中央空調設備功率單位：kW

3.2 中央空調的可控性

3.2.1 斷電直切控制策略

中央空調正常關機時，主機逐漸地卸載冷負荷，此過程需要耗費約1～2 min。如果直接斷電切除空調，冷凍泵和冷卻泵停止工作，冷凍水和冷卻水不再循環。此時，主機蒸發器中的液態冷媒繼續蒸發吸熱，可能使蒸發器中的冷凍水迅速降溫至很低溫度甚至結冰，對主機產生不良影響。同時，冷凝器中的冷卻水會升溫，可能會超出主機上限報警溫度。因此，對中央空調的緊急控制應該遵循幾條原則：

1）中央空調的斷電直切控制最好是只切主機，雖然主機未經過關機程序，會對設備有一定的損害，但在不頻繁啟停機的情況下，基本能夠忽略斷電對主機的損害。同時，主機功率消耗大，可切除的功率量較大，一般為幾百千瓦。

2）冷卻水泵可同時被斷電切除。主機已經停止工作的情況下，主機中不會再產生需要冷卻水循環帶走的熱量，冷卻水的水溫會升高，但不會損害設備。

綜上所述，主機可以直接切除，冷卻泵可以選擇性切除，冷凍泵最好不要切除。為了滿足快速性要求并防止直接斷電造成的主機卡澀，需要對主機的油泵電機電源進行不間斷電源改造（只需接入另外的不間斷380V 電源），保證主機斷電后油路系統正常工作，油泵不斷電基本可以忽略直接斷電對主機所造成的損壞。

3.2.2 調整主機運行參數控制策略

可采用調節主機出水溫度的控制方式調節主機的功率。以制冷運行狀態的空調為例，當下調出水溫度后，主機會增加出力，快速制冷循環水。反之，當上調出水溫度后，主機會減少出力。

3.3 負荷控制對房間內熱舒適度的影響及負荷功率高峰的抑制

3.3.1 對房間內熱舒適度影響的考量

負荷控制調整的是中央空調的有功功率，空調短時間切斷不會對用戶舒適度造成明顯的負面影響，但實現空調“不中斷”控制，需要建立空調室內溫度變化與中央空調功率變化之間的函數關系，即建立精確的中央空調用電模型。在此基礎上，才能準確定量負荷控制對房間內舒適度的影響。

3.3.2 負荷功率高峰的抑制

當前負荷控制策略大多會破壞負荷群多樣性，出現負荷運行狀態的空缺、轉移甚至消失，從而導致控制后的空調負荷群聚合功率出現振蕩現象和負荷恢復過程中的功率恢復高峰，對系統運行帶來不利影響，須設計合理的負荷控制策略予以避免。

中央空調可以通過統一控制主機來消除多樣性破壞所造成的功率振蕩，例如可以通過采用限制主機電流百分比的方式限制主機功率，不會造成功率沖擊［7］。

4 樓宇中央空調的控制實例分析

4.1 樓宇中央空調可控性分析

4.1.1 基本情況概述

某樓宇中央空調機房內大功率消耗設備主要有4 臺主機、5 臺冷凍泵和5 臺冷卻泵，如圖3 所示。各設備單臺機的功率如表2 所示。夏天用電高峰時，開啟2 臺主機、3 臺冷凍泵和3 臺冷卻泵。每臺主機的工作功率約230 kW。

4.1.2 中央空調的控制

樓宇中央空調的主機系統如圖4 所示，可以通過直接在主機配電箱內增加斷路器，同時鋪設光纖傳輸控制信號以控制斷路器的通斷，實現中央空調主機的切除。另外，可以通過調節主機的出水溫度的方式實現主機功率的控制。

表2 中央空調系統各設備單臺機功率單位：kW

圖3 樓宇中央空調系統機房

圖4 樓宇中央空調主機系統

4.1.3 中央空調改造后的整體構架

針對該樓宇中央空調負荷，搭建了試驗平臺，增加了帶遠方跳閘功能的智能負荷控制終端，如圖5所示。負荷智能終端與中央空調控制器之間采用Modbus 協議進行通信，中央空調開放了通信端口，可實現所有調整參數上傳到負荷控制終端。負荷智能控制終端與遠方控制中心之間通過IEC104 規約進行通信，控制中心可以通過負荷智能控制終端收集所有空調運行數據，并可以下達控制命令。另外，在末端房間內增加了溫度測點，可以串口通信的方式遠程傳輸到控制中心。負荷智能終端帶遠方跳閘功能，可接受控制中心的命令，直接切除中央空調主機斷路器。

圖5 中央空調調度與控制試驗平臺

4.2 中央空調控制效果分析

4.2.1 參與電網的應急響應效果分析

試驗過程中，控制中心下發遙控、遙調等控制指令至負荷智能控制終端，實現對中央空調主機斷路器的分合控制，并進一步下達至中央空調控制面板，實現冷凍水設定溫度以及主機電流百分比限定值的調整。通過調整限制主機電流百分比可限制主機功率，避免對電網造成功率沖擊。試驗過程中，限制主機電流百分比從初始45%開始每5 min 上調5%，直至95%。中央空調控制過程中，電流百分比限值、主機功率變化、室內溫度變化、冷凍水溫度變化分別如圖6—圖9所示。