中央空調集群需求響應雙層優化控制方法研究

摘? 要：中央空調運行負荷較大，需要及時滿足其需求響應，為此提出中央空調集群需求響應雙層優化控制方法。建立目標函數，求解中央空調集群在最大負荷運行條件下的約束條件，根據約束條件調度中央空調的響應目標，在此基礎上，構建一個雙層優化控制模型，采用該模型得出各個空調的運行狀態，并將運行狀態信息與需求信息同時傳輸至模型中的信息處理單元，從而針對空調的狀態實現有針對性的調控。實驗結果表明，該方法能夠及時對需求響應作出調整，實現了對中央空調集群的高精度控制。

關鍵詞：中央空調集群;需求響應;約束條件;雙層優化控制

0? ? 引言

在經濟高速發展的背景下，無論是家庭用電量還是企業用電量均呈現出持續增長的趨勢，雖然相關控制措施可在一定程度上緩解用電問題，但部分地區仍然存在電力供應緊張的問題。空調作為一種已經普及的電器，其用電負荷容量較大，尤其是夏季，此時是空調負荷高峰期，如果不對空調負荷尤其是中央空調集群負荷進行有效控制，極易出現負荷尖峰現象。除此之外，通過合理的需求管理方式，使中央空調集群快速響應調度需求，實現對需求響應的有效控制，有助于緩解電力供應緊張的局面，進一步保障電網的運行安全[1]。

目前常用的控制方法主要有基于彈性溫度可調裕度的控制方法、基于用戶需求的控制方法以及基于狀態預測的控制方法，上述方法雖然都能夠實現對需求響應的控制，但存在控制精度不高和響應不及時的問題[2]，因此，設計了一種基于雙層優化控制模型的中央空調集群需求響應控制方法。

1? ? 中央空調集群需求響應雙層優化控制方法

功率波動是中央空調集群的重要輸出向量，在需求響應控制中，如果僅從數值角度出發，那么功率波動可以作為中央空調集群的輸出功率，但在實際需求中，功率波動受多方面因素影響，因此，在定量分析需求響應中室內溫度設定區間、需求響應時長、需求提前通知時間等條件的前提下[3]，構建一個目標函數：

K=T（Pmax+Pmin）? ? ? ?（1）

式中：Pmax表示波動曲率最大值，即中央空調集群運行功率的最大值;Pmin表示波動曲率最小值，即中央空調集群運行功率的最小值;T表示運行時長，具體可分為tstart和tend，tstart表示需求響應的起始時刻，tend表示需求響應的結束時刻。

由能量守恒定理可知，某個時間段內中央空調輸送的熱量減去該區域內原有的熱量，應該等于該區域的實際熱量值[4]，基于該原理結合公式（1）構建的目標函數，得到中央空調集群在最大負荷運行條件下需求響應的約束條件：

式中：Pbeat（tstart）表示需求響應起始時刻中央空調集群運行功率最佳值;Pbeat（tend）表示需求響應結束時刻中央空調集群運行功率最佳值;n表示空調數量;i表示集群中的第i個空調;pi表示空調i運行的最大負荷;Sti表示運行時段內需求響應事件持續時間;qj表示空調運行負荷系數。

在滿足上述約束條件的基礎上，假設中央空調集群在接收需求響應之前，就已經進入到預制冷工作模式，此時構建雙層優化控制模型，對需求響應進行層次化控制：

式中：pn表示中央空調集群總體需求響應系數;pn′表示中央空調集群在提前通知條件下的需求響應系數;un表示需求響應過程中中央空調集群的運行狀態;un′表示運行偏差。

通過求解雙層優化控制模型，得出各空調的運行狀態，將運行狀態信息與需求信息同時進行處理，根據處理結果給出響應指令，并判斷是否對中央空調集群進行人為控制，從而實現對中央空調集群需求響應的層次性和全面性控制。

2? ? 實驗驗證與結果分析

為驗證基于雙層優化控制模型的中央空調集群需求響應控制方法的實際應用效果，在Windows 10操作系統、內存容量為16G、硬盤容量為512GB SSD+2TB HDD的硬件環境下進行實驗，實驗數據均采用MATLAB軟件進行處理。

需求響應時間反映控制方法的響應效率，影響控制效果，以此為實驗指標，將基于彈性溫度可調裕度的控制方法（方法1）、基于用戶需求的控制方法（方法2）以及基于狀態預測的控制方法（方法3）作為對比方法與本文方法進行對比，結果如表1所示。

分析表1數據可知，本文方法的需求響應用時明顯低于現有方法，其最高用時僅為2.80 s，最低僅用時0.98 s，說明該方法的響應效率更高，能夠對中央空調集群需求及時做出反映與調整，有利于降低出現負荷尖峰現象的風險。這是由于該方法構建了雙層優化控制模型，通過該模型獲得中央空調集群中各個空調的運行狀態，并進行有針對性的處理，從而縮短了響應時間。

以控制精度為實驗指標，對比不同方法的需求響應控制效果，結果如表2所示。

分析表2數據可知，與現有方法相比，運用本文方法對中央空調集群需求響應進行控制時，控制精度明顯更高，在實驗次數為210次時，其控制精度最大值達到了89.0%，說明該方法的控制效果較為可靠，可為中央空調集群的安全運行提供保障。因為該方法通過目標函數求解中央空調集群需求響應的約束條件，在此基礎上進行優化控制，有利于提高控制精度。

3? ? 結語

針對現有方法存在的需求響應時間較長和控制精度不高的問題，提出了基于雙層優化控制模型的中央空調集群需求響應控制方法。實驗結果證明，本文方法控制精度較高，且響應時間較短，能夠適用于中央空調集群需求響應的相關控制操作，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的熱慣性等因素，集群中的個別空調存在無法接收響應需求信息的問題，因此還需進一步優化。

[參考文獻]

[1] 華亮亮，黃偉，葛良軍，等.計及需求響應的主動配電網雙層優化調度模型[J].電力建設，2018，39（9）：112-119.

[2] 王均，黃琦.基于優惠券激勵的需求響應雙層優化機制[J].電力系統保護與控制，2019，47（1）：108-114.

[3] 朱宇超，王建學，曹曉宇.中央空調負荷直接控制策略及其可調度潛力評估[J].電力自動化設備，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的電熱耦合能源系統可靠性評估[J].電力建設，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。