基于交易控制的空調系統電力需求響應策略進展及建議

熊成燕，孟慶龍，奚 源

（1.長安大學 建筑工程學院，西安 710061；2.昆明理工大學 建筑工程學院，昆明 650500）

0 引言

不斷增長的空調用電需求以及夏季高溫天氣出現的空調用電高峰已成為導致電力負荷側峰谷差值變化和峰值需求的主要原因，也是影響電網穩定運行、威脅電網安全性的重要因素。如一貫依靠增加裝機容量來滿足短暫的空調尖峰用電，不僅需要付出巨額的投資，還會浪費社會資源。合理調控空調負荷，可以在盡量不影響用戶舒適度的前提下降低峰值負荷、緩解電力供需矛盾。

電力需求響應（demand response,DR）能有效解決電網供需不平衡問題。我國在20世紀90年代就引入了DR的概念，但直到近幾年我國電力供應不平衡問題越來越嚴峻，DR才開始得到極大重視［1］。總體來看，我國在需求側響應方面處于初步發展階段，市場化程度低，用戶參與度不高，多趨向于行政手段。而交易控制（transactive control,TC）作為一種新的空調DR方法，能有效解決傳統DR方法無法規避的一些問題，例如保護終端用戶隱私、尊重用戶偏好和在實施DR的同時保證用戶舒適度。國外學者已對TC策略展開諸多研究，并已將此策略應用至示范項目中。盡管國外DR發展現狀與我國目前實際情況存在較大差異，但將TC策略應用到空調負荷控制中，基于市場交易機制、利用價格手段將底端的柔性負荷末端需求與頂端電網電價聯系起來的運作經驗值得我國借鑒。

本文首先介紹了TC原理、結構以及優勢；其次介紹了TC過程；最后在此基礎上，結合中國DR的發展現狀，對TC策略在我國空調DR中的應用進行初步探討并給出若干建議。

1 交易控制策略

1.1 交易控制研究現狀

DR被定義為當電力批發市場價格升高或者系統可靠性受到威脅時，電力用戶根據價格信號或激勵措施響應電網，暫時改變其固有的習慣用電模式，從而減少或推遲某時段的用電負荷而保障電網系統的可靠性和穩定性，并抑制電價上升的短期行為。傳統的DR策略被分為兩大類：電價型和激勵型，而國外學者提出了一種基于TC的DR策略。TC是一種基于市場交易的分布式控制方法，因此有時也稱基于市場的控制（market-based control,MBC）策略。

國外學者已開展了諸多有關TC應用到空調DR中的研究。文獻［2］詳細闡述了一種關于供熱通風與空氣調節（heating,ventilation and air conditioning,HVAC）系統DR的TC策略，設計了交易市場模型（交易市場結構、投標和清算策略）和HVAC組件模型，最后通過仿真和物理實驗證實了TC在商用建筑HVAC系統中的應用效果和前景。文獻［3］設計了商業建筑HVAC系統的TC模型，模擬結果顯示采用TC策略每年可節省約3 952 kWh電量，此外還觀察到若平均冷負荷降低，則建筑物的總能耗也顯著降低。

最著名的試點項目是2006—2007年美國西北太平洋國家實驗室（Pacific northwest national lab,PNNL）設計的Olympic Peninsula GridWise試點示范項目［4］，該項目的TC對象包括家用溫控器、家用熱水器、家用干衣機、商用HVAC系統等；PNNL又在2011—2013年主導完成了AEP Ohio gridSMART示范項目，HVAC系統由智能軟件管理并參與到以5 min為價格波動周期的實時電力市場中，以此來調整居民家庭用電［5］。另外，由美國能源部2009—2015年聯合資助的Pacific Northwest Smart Grid項目［6］也是世界上最早實施TC的試點項目之一。在歐洲，Powermatching City項目［7］先后于2009年和2011年開啟第1階段和第2階段試點項目。與國外相比，我國對基于市場交易機制的DR鮮有研究，文獻［8］將TC策略用于控制微電網的分布式能源，文獻［9］—文獻［10］提出基于市場機制的DR是我國發掘需求側資源的未來發展方向。

目前對TC的研究方法主要以仿真模擬為主，有少部分的物理實驗研究，主要集中在TC方案的結構設計和分析。TC方案中終端用戶的詳細控制方法需進一步研究，尤其需要重點研究交易市場結構、投標和清算策略。在未來的研究中，利用TC將所有能源網絡整合在一起構建能源互聯網，以應對可再生能源日益普及所帶來的間歇性問題。

1.2 交易控制原理

TC借鑒了微觀經濟學的原理，利用市場交易機制，以經濟激勵信號作為通信基礎實施DR，實現整個電力系統供需動態平衡，同時降低建筑物的用電量和用電高峰。TC方法不是直接的命令控制，而是基于價值進行決策，這種決策類似于經濟交易。TC的核心思想是結合市場和控制兩種機制，將區域內較高級別的動態市場交易和較低級別的控制結合起來［11］。此種策略通過電網和終端用戶雙向通信交換電價和用電量，所以需要健全的通信設施來傳遞信息。

如圖1所示，基于TC的空調DR利用市場機制、價格手段，將底端的空調末端需求與頂端電網電價聯系起來；利用需求投標和市場清算，實現供需動態平衡。在傳統的空調系統控制中，室內溫度和室內溫度設定值是控制房間制熱和制冷所需的唯一信息。在TC系統中，溫控器使用市場信息（包括投標和清算價格）［12］做出控制決策，因此空調負荷將隨著電價的變化而變化。在TC環境下，空調用戶作為電力消費者將參與到電力市場競價中，根據用戶行為偏好進行投標，依據實時電價的波動趨勢決定空調用電量，讓空調用電量符合市場規律。

TC根據社會福利（social welfare,SW）最大化的原則對空調系統進行控制。總用電收益與總用電成本之差構成SW。SW最大化問題可轉化為各用電用戶追求自身利益最大，同時各發電商發電成本最小的問題。利用市場機制對空調系統DR進行協調控制的實質是在供需平衡的前提下實現能源資源的最優配置和SW的最大化。

1.3 交易市場結構

空調系統TC市場基于微觀經濟學理論，通過適當的市場規則構建。這個市場既可以是真實存在的，也可以是虛擬設計的。若是真實存在的市場則清算價格即為能源成交價格；相反，虛擬設計的市場不代表真正的金融交易能源市場，此時清算價格僅作為一種控制信號，并不具有實際貨幣意義。不同的空調系統項目根據其特性設計的市場結構應有所差異，靈活的TC市場既是TC策略的優勢，又是TC策略的重點和難點。

TC策略控制空調負荷，既允許以負荷集成商的形式，又允許以單一主體的形式直接參與電力市場交易。單戶居民的空調負荷和耗電量均較小，空調負荷集成商（代理商）應用TC策略集成分散而數目龐大的居民空調負荷參與電力市場交易。相反，中央空調系統一般應用在建筑體量龐大、空調負荷較大的商業建筑或辦公建筑。因此商業建筑或辦公建筑的中央空調系統作為單一主體通過在TC控制器中編程TC策略算法參與市場競價。文獻［13］設計了空調負荷代理商參與TC的市場結構，文獻［14］提出了HVAC系統參與TC的市場結構。

1.4 交易控制優勢

TC應用到空調DR中有以下優勢：基于TC的DR可預測性和可靠性很強；TC的信息交換十分簡單，僅需在電力負荷和用電用戶之間交換電價和所需耗電量，因此可以保護用戶的隱私、尊重個人偏好［15］；在DR時段，TC策略能有效調控空調系統的負荷，同時對建筑物的舒適性影響很小［16］；TC采用的市場概念（例如，商品和價格）是大多數人熟悉的，因此容易被用戶和運營商所接受；基于市場的控制是分布式和可擴展的，適合于大規模應用；TC可以在現有的建筑自動化系統或智能電能表和能源管理控制系統（energy management control system,EMCS）中實施，因此僅需較少的額外費用支出就可實現TC策略；TC可以減少空調系統的用電量；另外TC通過與電力市場直接交易使用戶獲得低廉的電能，最終降低用戶的空調運行成本。綜上所述，基于TC的DR具有其獨特的優勢。

2 交易控制過程

基于TC的空調DR策略的實施過程是在每個市場清算周期內進行如圖2所示的投標、清算、調整過程（以夏季制冷為例）。①投標：空調的溫控器獲取當前空調用戶的信息（Tcur、Tdes），然后將其轉化為投標電價Pbid或需求曲線（如圖2(a)）。②清算：TC控制器或代理商匯總所有用戶的Pbid或匯總所有需求曲線構建總需求曲線（如圖2(b)）并提交給電力市場，同時電網提交供給曲線給電力市場（如圖2(c)）。然后，電力市場依據SW最大化的原則進行市場清算并得到Pclear和清算電量qclear（如圖2(d)）。③調整室內溫度設定點：TC控制器由Pclear計算得Tset（如圖2(e)），隨之通過溫控器調整Tset。每個市場清算周期內重復一次以上的3個步驟，直至空調運行結束。市場清算周期可為5 min或15 min。

2.1 投標策略

空調用戶依據式（2）計算Pbid后，TC控制器匯總所有用戶的Pbid構建總需求曲線。除了計算投標價格Pbid，TC策略也允許空調用戶自己制定如圖2(e)所示的投標曲線來確定Pbid，該曲線從功能上將空調運行成本與舒適度聯系起來。文獻［4］中Pbid是根據投標曲線斜率以及Tcur與Tset之差確定的。

通過TC策略，空調用戶可以依據自己的偏好進行舒適性設置，包括設置Tdes、可接受的室內溫度范圍［Tmin,Tmax］和κ，而這些設置最終都反映在市場投標價格Pbid的計算中。文獻［20］通過設計空調系統智能溫控器接口來實現舒適性設置。另外，Tmin和Tmax可避免室內溫度偏離舒適范圍，最大限度地減少對舒適性的影響。κ作為用戶指定的權衡參數，可平衡能源效率和舒適度［21］。

2.2 市場清算

在交易系統中，市場清算以買賣雙方的投標報價為基礎，是一個典型的雙邊投標市場。當需求量等于供給量時的電價被稱為市場清算價格Pclear［16］。市場在需求曲線與供應曲線的交點處清算，交點決定了電力市場的Pclear和qclear，交點處供需處于平衡狀態，同時SW最大化。市場清算一般由獨立系統操作員或其他獨立的模塊來完成，例如電力交易管理中心和調度系統。

2.3 計算室內溫度設定點

市場清算結束后，空調系統將依據Pclear計算室內溫度設定點Tset，且將當前溫度設定值重置為調整后的設定值。實際上，TC中房間溫度設定點的概念與傳統控制有所區別，因為在TC中溫控器的制熱或制冷設定點會受到市場價格信號以及用戶設定的舒適度影響，所以該設定點不是一個定值，而是在［Tmin,Tmax］范圍內不斷變化。在制冷模式下，控制器將隨著市場價格的上漲選擇較高的制冷溫度設定點。

制冷工況下，文獻［4］、文獻［17］和文獻［18］中Tset表達式如式（3）所示

傳統的空調系統使用Tcur和Tdes來控制房間制熱和制冷，Tset表達式驗證了在TC中溫控器使用市場信息來做出控制決策。其中，Tset可以高于或低于Tdes，這取決于Pbid和Pclear的大小。在制冷模式下，將Tset降低到Tdes以下相當于進行預冷。

綜上，空調系統TC過程是TC控制器和空調系統基于Tcur將用戶的制熱或制冷需求Tdes和對舒適或節約運行成本的偏好設置轉換成為愿意出價購買下一個電力市場時間周期內的電價Pbid，一旦電力市場清算，清算的價格信號Pclear將轉換為Tset的變化。

3 我國實施交易控制策略的建議

（1）TC符合DR的發展趨勢，且應用潛力較大。隨著“互聯網+”智慧能源戰略實施、電力體制改革以及智慧城市建設工作的不斷推進，我國的DR呈現參與主體多元化、運行機制市場化、系統決策智能化和執行方式自動化趨勢，基于TC的DR策略符合這些新的發展趨勢。另外，TC技術不局限于空調系統，也可將其應用到其他家用電器，如熱水器、洗衣機和電動汽車等。

（2）研究TC技術要抓住側重點，同時加強標準化體系建設。在TC技術中，投標和清算策略以及設計一個保證效率、透明度和競爭力的交易市場至關重要，是TC技術的研究重點。基于TC的DR需要標準化TC控制器接口和通信協議，標準體系將有助于加速推廣TC技術。

（3）TC的應用需要解決一些技術上的難題和研究上的不足。TC技術要求實時通信，但就目前通信和控制方面的技術水平而言，實現實時通信仍存在挑戰。國外已開發了實時定價程序供以價格為控制信號的基于TC的DR使用，而我國缺少這方面的研究。另外，市場價格低時導致需求反彈等一些研究上的不足亟待解決。

（4）推廣TC技術需要多方共同努力，可先開展試點項目。實現TC在我國DR中的推廣應用，不僅需要科研人員對TC策略進一步深入研究，更需要政府提供支持、同時還需要技術供應商、監管機構和企業之間加強合作，大力宣傳DR，強化企業和用戶的節能意識以及用戶側資源的理念，引導用戶積極主動地參與DR。可以考慮選擇某些典型的商業建筑和居民小區開展TC試點項目。

（5）在我國應用TC技術需要因地制宜。雖然國外學者已經為我國探索TC策略提供了可參考的理論知識和實驗研究，但是我國空調DR發展現狀與國外存在差別，因此需要結合我國實際的國情對TC技術進行創新性的研究和推廣。

4 結束語

TC策略借鑒微觀經濟學思想，融合了經濟效益和設備控制，以價格為協調手段，利用自下而上的用戶投標報價和自上而下的市場清算機制，實現保證舒適度前提下的基于TC的空調DR。

本文系統性地介紹了TC在國外空調系統DR中的應用，重點闡述了TC的原理、結構和優勢以及包括投標、清算和調整3個步驟的TC過程。對比我國開展空調系統DR的現狀，參照國外基于TC的空調DR的成功實施經驗總結了5條相關建議，可為我國開展空調系統DR提供新的思路和理論研究基礎。D