虛擬電廠背景下的空調負荷調控策略

劉永春，朱程燕

國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000

0 引言

近年來，我國夏季電網負荷水平不斷提高，給電網的安全穩定運行帶來了巨大影響。智能電網作為一種新型的智能服務網絡，其通信能力顯著提高，已成為21世紀電力系統變革的趨勢。在這種背景下，虛擬電廠集成了多種分布式能源，具有豐富的控制手段，可提高可再生能源發電效率，將成為未來電力系統的重要結構。在虛擬電廠的運行過程中，集群可控負荷控制策略是一個重要的研究方向。用戶負荷調節行為更加收斂，調節控制易于集中[1]。因此，基于虛擬電廠技術，將能源管理裝置用于空調管理，可以實現有效的負荷調節，減少日用電量的峰谷差，提高供電的穩定水平。

在負荷控制業務方面，隨著產業結構的調整，人民生活水平的提高，電網峰谷負荷差異較大，夏季季節性短期高峰負荷矛盾突出，電網負荷運行壓力大。為了平衡短期高峰負荷，需要支持大量的調節資源，導致電網投資和運行效率的利用和發揮不足，電網高峰負荷投資的經濟效益較低。因此，單純依靠傳統調節資源對電網進行調節越來越困難，傳統調節資源的調度空間也越來越小。目前，政府深化需求響應政策，迫切要求負荷方參與調解，從帶負荷的源端移動到源網，負荷互動有助于促進能源網的協調，優化發電和電網投資，提供清潔能源，實現政府、用戶和社會的雙贏[2]。

虛擬電廠是分布式電源、負載和儲能設備的集合，可以作為一個特殊的電廠運行，是解決分布式電網接入問題的一種新技術，其可以與傳統電廠一樣進行控制和管理，向電網提交發電計劃，參與電力市場、調峰、調頻等輔助服務。虛擬電廠不改變分布式發電的并網方式，而是通過先進的控制、通信和測量技術，在更高層次的軟件架構上實現多臺分布式發電的協調優化運行。虛擬電廠展示了整個功能和效果，能夠在不改變電網的情況下穩定地傳輸電力，并提供快速響應的輔助服務，是一種安全有效的分布式電源接入電網的方法[3]。

1 負荷側虛擬電廠業務架構

負荷側虛擬電廠業務運行機制如圖1所示。

圖1 負荷側虛擬電廠業務運行機制

（1）注冊管理：虛擬電廠通過聚合中小用戶可調資源，可以參與輔助服務市場交易，虛擬電廠向營銷需求側響應平臺和交易平臺進行注冊。

（2）用戶管理：虛擬電廠與中小用戶簽訂代理合同，負責中小用戶及其所屬可調資源的管理。

（3）交易管理：虛擬電廠經營銷需求側響應平臺向交易中心進行交易申報，接收交易中心發布的交易出清結果，并完成交易合同的簽訂。

（4）調控執行管理：虛擬電廠通過構建虛擬發電機組，實現虛擬發電控制，完成負荷調控目標。

（5）結算管理：根據交易合同及負荷調控認定結果，虛擬電廠進行市場結算以及內部結算分配。

2 供需互動戰略

用戶參與需求側響應的過程可分為早期預算決策、合同簽訂。其中，用戶參與需求側響應項目的具體決策過程如圖2所示。

圖2 負荷側虛擬電廠系統功能架構

具體互動戰略步驟如下：測量和計算由能源管理設備控制的所有空調的可調容量；用戶批準能源管理設備向電網控制中心報告其可調容量；控制中心綜合分析與用戶相同的能源管理設備的所有設施；根據報告的容量劃分合同用戶，并匹配切割負荷；每個能量管理裝置根據分配給它的減負荷指令制定內部規定，并控制對所有空調的指令。

（1）能源管理設備持續監測空調系統運行狀態及負荷數據，實時測算負荷可調能力并上報遠程平臺。

（2）在電網啟動調控命令時，平臺根據上報的負荷可調能力，智能分配負荷調控指標，通過能源管理設備下發調控指令，同時短信通知電力用戶。

（3）能源管理設備依據空調系統運行狀態以及負荷數據，根據智能算法對空調機組的若干運行參數進行調節，并依據監測數據修正調節參數，使空調系統部分關閉或進入一個穩定的較低能耗運行狀態，滿足電網調控要求的同時保持一定的制冷效果。

氣溫的變化主要影響人體的舒適性，溫度預測模型主要是對房間溫度的預測，確保房間在最大可調容量下的基本舒適度和溫度條件。文章基于收集的歷史溫度數據，根據極限學習機對家庭能源管理設備進行溫度預測。這種學習機是一種基于FNN的機器學習系統，被廣泛應用于環問題和數據預測。溫度預測的主要步驟如下：首先，將一天分為5個時段，即0：00～6：00、6：00～1：00、11：00～14：00、14：00～18：30、18：30和24：00；其次，能源管理設備的歷史溫度數據每隔一個數據點從歷史數據庫中收集一次；最后，從每個周期中獲取溫升過程中的溫度變化數據。溫升循環中的指示此時間段內的溫度處于停機或備用模式，如果某一時刻的溫度數發生變化，其溫度數據會在5 min后發生相應變化，即數據范圍內的第m個溫度數據與m+60的溫度數據形成一個數據對。

3 調控執行

中央空調虛擬機組組網架構如圖3所示。

圖3 中央空調虛擬機組組網架構圖

根據市場交易要求，虛擬電廠需要構建虛擬發電機組，通過調控中小用戶可調資源實現虛擬發電控制，從而能以虛擬電廠身份參與輔助服務市場交易。調控執行管理主要包括數據管理、綜合監視、虛擬發電控制、調控效果評估等功能。

（1）數據管理。數據管理主要包括數據建模、采集服務等子功能。數據建模指對終端設備—虛擬機組—虛擬電廠進行分層典型建模，有助于實現虛擬電廠整體運行特性及終端設備單體運行狀態的監測管理。采集服務主要指對終端設備的海量實時和非實時數據進行采集、轉換、監視、采樣、清洗、分析等工作。

（2）綜合監視。綜合監視主要包括運行監視、電網直控負荷監視、異常告警等子功能。運行監視可以實現從虛擬電廠整體及各區域數據到虛擬機組，再到終端設備的層次化運行狀態在線監視。可通過地理圖、電氣主接線圖、專用圖元、曲線圖、棒圖、餅圖、列表等多種方式展現，提供一體化的圖形操作，各種信息參數的查看和管理。電網直控負荷監視主要針對處于電網直接控制的終端，單獨進行運行狀態在線監視，提供直控次數、直控電量等相關數據的統計和查詢，在虛擬發電控制中剔除相關電網直控負荷，不再進行虛擬電廠調控。異常告警主要指監視虛擬電廠內部終端設備運行情況，基于設備運行參數及實時數據，對設備運行異常狀態進行實時告警；同時對虛擬電廠管轄范圍內的虛擬機組運行狀況進行實時監視，對機組整體運行異常狀況進行告警，如控制器通信狀態等。

（3）虛擬發電控制。虛擬發電控制主要包括負荷預測、控制預案管理、發電執行分解等子功能。負荷預測指結合歷史數據、氣象數據（天氣、氣溫等）、用戶用電計劃等因素，預測可調資源運行狀態和用電負荷；基于可調資源運行狀態、負荷調控方法及用戶舒適度需求，分析可調資源可調潛力。基于終端設備—虛擬機組—虛擬電廠分層聚合模型，進行虛擬機組和虛擬電廠發電潛力預測?？刂祁A案管理指在進行實際負荷調控前，基于交易出清結果，根據實際調控目標，基于調控策略進行事前模擬控制，生成控制預案。發電執行分解指在進行實際負荷調控時，虛擬電廠基于控制預案，將調控目標逐層分解至各虛擬機組、各終端設備，并下達發電控制指令，根據偏差情況對控制預案進行滾動優化。

（4）調控效果評估?；诮K端計量數據，對虛擬電廠自身調控效果從調節速率、調節精度等多個指標進行評估，評估結果可用于指導虛擬電廠下次負荷調控策略選擇。將負荷曲線、參與調控用戶等調控結果數據上報營銷側需求響應平臺，并將自身調控評估結果與營銷側需求響應平臺所認定的調控評估結果做對比確認，如無誤則確認同意，否則發起爭議，營銷側需求響應平臺需重新進行調控結果認定。

4 空調負荷調控策略及調控效果

4.1 中央空調控制策略

中央空調機組工作原理圖如圖4所示。

圖4 中央空調機組工作原理圖

中央空調機組主要由制冷劑循環系統、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統和冷卻塔組成?？照{柔性控制的調節方式即通過改變空調設備運行參數、運行模式等調整負荷出力，達到部分削減負荷的目的。方式一：通過改變空調系統運行參數，如調節冷凍水溫度、閥門開度限制等。方式二：改變空調系統運行模式，如進行全局溫度控制、冰蓄冷等。

4.2 VRV/VRF空調系統

多聯機又被稱為變冷媒流量多聯式空調系統，由一臺室外機連接數臺不同或相同型式、容量的直接蒸發式室內機，構成一套單一制冷/熱循環空調系統，簡稱為VRV或VRF。方式一：通過改變空調內機運行參數，如調節空調內機設定溫度、出風速度、運行模式等，保證空調機組不停機情況下降低空調機組的運行負荷。方式二：改變空調內機運行狀態，如啟停操作，使室內機分組輪控。

4.3 調控效果

虛擬電廠平臺響應需求響應命令中央空調虛擬電廠機組的實時調控負荷曲線如圖5所示。虛擬電廠平臺接收需求響應平臺調控指令，指令分解后下發到虛擬電廠控制器，虛擬電廠控制器依據本地調控策略對中央空調進行調控。調控指令下發前空調實時負荷約為100 kW，可調容量約為40 kW；指令下發后，實時負荷由100 kW調控至45 kW左右，持續時間達30 min，滿足大電網削峰需求。

圖5 中央空調虛擬機組調控實時負荷曲線

5 結束語

文章主要闡述了虛擬電廠的背景和關鍵技術，并利用虛擬電廠技術和能源管理裝置對空調負荷進行了測量，可以最大限度地確保用戶的舒適性，并為電網提供了大量可調容量。另外，通過對各用戶的比例分配，實現了供需側的能源協調。