商業(yè)建筑負荷削峰調(diào)節(jié)策略及潛力評估方法研究

摘 要： 商業(yè)建筑負荷是一類重要的需求側(cè)靈活性資源，調(diào)動商業(yè)建筑負荷資源參與電網(wǎng)調(diào)峰可有效緩解電力供需矛盾。針對當前缺乏系統(tǒng)性可實操的調(diào)控策略、可調(diào)節(jié)潛力難以精準評估的問題，開展商業(yè)建筑負荷削峰調(diào)節(jié)策略及潛力評估方法研究。首先對商業(yè)建筑負荷分類及典型用能特征進行分析，其次對商業(yè)建筑中典型可調(diào)負荷的削峰調(diào)節(jié)策略開展研究，然后對當前商業(yè)建筑負荷的調(diào)節(jié)潛力評估方法進行對比分析，最后結(jié)合實際應(yīng)用情況，提出商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)潛力在線實測評估指標體系。對于虛擬電廠運營商開展可調(diào)資源潛力評估具有指導(dǎo)意義，以滿足虛擬電廠精準響應(yīng)的發(fā)展要求。

關(guān)鍵詞： 商業(yè)建筑; 需求響應(yīng); 削峰調(diào)節(jié); 潛力評估; 虛擬電廠

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）05-0007-08

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.05.002

0 引 言

在“雙碳”目標指導(dǎo)下，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源裝機量、發(fā)電量逐年攀升，推動傳統(tǒng)能源清潔綠色轉(zhuǎn)型。但隨著高比例新能源接入以及尖峰時段電力需求增長，中國電力供需平衡壓力日益加大，僅憑源側(cè)調(diào)節(jié)能力難以保證電力經(jīng)濟穩(wěn)定運行，大幅增加了電力系統(tǒng)的規(guī)劃運行成本，須科學(xué)評估精準調(diào)控需求側(cè)資源，深入挖掘需求側(cè)資源調(diào)節(jié)潛力，使其發(fā)揮與電源側(cè)資源相同的作用，實現(xiàn)能源高效利用，有力支撐電力保供和可再生能源消納^［1］。

商業(yè)建筑樓宇是能源消費大戶，其用電在社會總用電負荷中占比較大，是一類重要的需求響應(yīng)資源。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國建筑體總量和能耗強度在持續(xù)增長。在京津冀、長三角等地區(qū)，公共樓宇能耗量占社會生產(chǎn)生活總能耗的30%～40%，夏季與冬季峰值負荷占比甚至超過50%，其中商業(yè)樓宇單位能耗是其他建筑的兩倍多^［2］。現(xiàn)有研究表明，大型商業(yè)綜合體、酒店、商公樓的可調(diào)潛力可達到30%～35%，樓宇中空調(diào)、照明、電熱水器等設(shè)備均具有可調(diào)節(jié)潛力。深化應(yīng)用這些可調(diào)節(jié)負荷，可以幫助用戶用能優(yōu)化，并通過需求響應(yīng)參與電網(wǎng)削峰填谷、促進新能源消納等場景^［3-4］。美國LEED綠色樓宇評價標準已經(jīng)明確將建筑物需求響應(yīng)能力及可調(diào)節(jié)電力負荷容量規(guī)模作為兩項評價指標^［5］，以此推動建筑物可調(diào)節(jié)負荷能力建設(shè)，澳大利亞已實施樓宇可調(diào)節(jié)負荷設(shè)備接口強制性標準^［6］。由此可見，調(diào)動需求側(cè)建筑樓宇負荷資源主動參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻將有效緩解電力供需矛盾并促進節(jié)能降耗，對推動全社會范圍節(jié)能與助力“雙碳”目標達成具有重要意義。^［7-8］

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)建筑樓宇基本完成樓宇智能控制系統(tǒng)建設(shè)，但目前樓宇負荷與電網(wǎng)互動時的精細化調(diào)控潛力未能得到充分挖掘^［9-10］。現(xiàn)有大部分研究集中在電網(wǎng)層面分析可調(diào)負荷集群調(diào)控策略，但從用戶和虛擬電廠運營商角度層面分析商業(yè)建筑負荷參與響應(yīng)的具體調(diào)控策略及潛力評估方法的研究還不足。目前，虛擬電廠運營商組織商業(yè)建筑用戶參與虛擬電廠精準響應(yīng)調(diào)控所面臨的技術(shù)問題在于：① 缺乏系統(tǒng)性可實操的樓宇可調(diào)節(jié)負荷調(diào)控策略，現(xiàn)在調(diào)節(jié)策略研究僅停留在理論和仿真層面;② 商業(yè)建筑負荷可調(diào)節(jié)潛力評估缺少準確便捷的手段，可調(diào)節(jié)潛力評估機制不夠健全。基于上述問題，本文以商業(yè)建筑負荷削峰場景為切入點，針對性地開展商業(yè)建筑負荷削峰調(diào)節(jié)策略及潛力評估方法研究。首先對商業(yè)建筑負荷分類及典型用能特征進行分析，其次對商業(yè)建筑中典型可調(diào)負荷的削峰調(diào)節(jié)策略開展研究，然后對當前商業(yè)建筑負荷的可調(diào)潛力量化評估方法進行對比分析，最后結(jié)合實際應(yīng)用情況，提出商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)潛力在線實測評估指標體系，幫助虛擬電廠運營商掌握現(xiàn)有用戶資源的實際可調(diào)潛力，為虛擬電廠運營商參與電力需求響應(yīng)項目申報、響應(yīng)量價提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 商業(yè)建筑負荷分類及負荷用能特征

1.1 商業(yè)建筑負荷分類

商業(yè)建筑樓宇內(nèi)部供電系統(tǒng)復(fù)雜、用能設(shè)備多樣，用戶用電行為具有多樣性、不確定性等特點，負荷數(shù)量規(guī)模受商業(yè)建筑規(guī)模影響，負荷用電狀態(tài)受商業(yè)用戶日常經(jīng)營管理影響，負荷靈活可調(diào)范圍受商業(yè)用戶舒適度要求影響，對商業(yè)建筑負荷分類及用能特征分析是制定調(diào)節(jié)策略的前提，應(yīng)將可控容量較大、對用戶的工作和生活影響較小的用電設(shè)備作為參與調(diào)控對象^［11］。按照實際用電情況，商業(yè)建筑負荷一般分為照明與插座用電、空調(diào)用電、動力用電與特殊用電^［12］，以下根據(jù)對用戶的影響程度將商業(yè)建筑內(nèi)照明用電、空調(diào)用電、動力用電進行細分。商業(yè)建筑內(nèi)負荷分類如表1所示。

1.2 商業(yè)建筑負荷用能特征分析

典型的商業(yè)建筑如酒店、商場、商業(yè)辦公樓，不同類型的商業(yè)建筑可調(diào)負荷結(jié)構(gòu)差異不大，均以空調(diào)負荷與樓宇照明負荷為主。根據(jù)上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員發(fā)布的《2022年上海市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測及分析報告》顯示，照明與插座用電、空調(diào)用電占比較高。兩項之和超過75%，其中照明與插座用電占比最高，約45%，空調(diào)分項約占33%。2022年上海市聯(lián)網(wǎng)建筑分項用電占比如圖1所示，2022年上海市聯(lián)網(wǎng)建筑分項用電逐月占比如圖2所示。其中，空調(diào)分項用電占比隨季節(jié)變化波動較為明顯，其在7月、8月達到全年最大占比，接近45%，超過了照明與插座分項占比，在4月、5月達到全年最低占比約20%。此外隨著新能源汽車數(shù)量的增加，近年來商業(yè)建筑樓宇公共區(qū)域陸續(xù)配備了充電樁或充電站，其負荷容量在商業(yè)建筑樓宇的負荷占比也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計，2022年，上海市新能源汽車保有量約94.5萬輛，滲透率為19.8%，年用電電量達到18億kWh。預(yù)計到2025年底，上海市新能源汽車保有量將突破200萬輛，滲透率高達到41.2%，用戶側(cè)的充電需求理論上可能會突破1 400萬kW，相當于2022年夏季最高負荷的36.8%。以下對商業(yè)建筑樓宇的中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電動汽車充換電系統(tǒng)這3類典型負荷進行用能特征分析。

（1） 中央空調(diào)系統(tǒng)的用能特征。

空調(diào)負荷占比隨季節(jié)變化波動較為明顯，是引起夏季和冬季電網(wǎng)瞬時負荷尖峰的主要原因。由于建筑樓宇具有一定的儲熱能力且溫控負荷具有熱慣性，短時間內(nèi)降低空調(diào)負荷出力對人體舒適度和公共樓宇正常使用影響較小。商業(yè)建筑樓宇空調(diào)負荷的用能行為主要受到空調(diào)類型、干球溫度、相對濕度、人員行為、實時電價、用能場景以及建筑面積等因素影響。現(xiàn)有研究表明，空調(diào)負荷用能行為雖然受到多種因素交互影響，但其負荷水平與溫度呈強相關(guān)性^［13］。

（2） 照明系統(tǒng)的用能特征。

照明負荷受使用場景、使用時段、用戶需求以及天氣情況等多種因素影響，用能行為特征具有一定隨機性和靈活性。在商場以及自然采光差的商業(yè)辦公樓均是工作時段全人工照明，樓宇公共區(qū)域存在過度照明的問題，具有一定的調(diào)節(jié)空間。從照明技術(shù)發(fā)展層面看，低能耗的LED新型照明技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)建筑樓宇中。與傳統(tǒng)的熒光燈相比，LED可通過PWM技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)范圍內(nèi)的光照度調(diào)節(jié)，具備柔性參與負荷調(diào)控的技術(shù)基礎(chǔ)，隨著智能照明技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)大型商場大多建有智能照明系統(tǒng)，可根據(jù)用戶需求進行分場景、分區(qū)域、分時段的控制^［14-15］。

（3） 電動汽車充換電系統(tǒng)的用能特征。

現(xiàn)有商業(yè)建筑中比較常見的充電樁型為直流樁與交流樁，少部分示范場站配有支持雙向交互的充電樁，此外部分商場會配有換電站。商業(yè)建筑中充換電系統(tǒng)的用能情況主要取決于電動汽車用戶的充電需求，電動汽車用能特征跟用車需求、汽車類型、電池特性、充電模式以及充電電價等因素均密切相關(guān)，其用能時段具有可平移性。電動汽車電量實時變化以及出行計劃的隨機性是引起負荷無序變化的主要因素^［16-19］。

2 商業(yè)建筑負荷的削峰調(diào)節(jié)策略分析

以下針對上海地區(qū)商業(yè)建筑樓宇的中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電動汽車充換電系統(tǒng)這3類典型負荷進行削峰調(diào)節(jié)策略分析。

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略分析

中央空調(diào)作為一種溫控負荷具有良好的柔性調(diào)節(jié)及響應(yīng)能力，是電網(wǎng)錯避峰的有效調(diào)控手段之一。中央空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部電力設(shè)備眾多，可以通過多種調(diào)控方式實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，可調(diào)潛力可達20%以上。在舒適度影響最小的目標下，宜采用調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、送風(fēng)溫度、出水溫度、負荷高峰期前預(yù)制冷等方式;在調(diào)節(jié)速度最快的目標下，宜采用減少主機運行數(shù)量、關(guān)閉部分末端設(shè)備、調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率、流量、壓縮機容量級數(shù)等方式。中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略如表2所示。

2.2 照明系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略分析

商業(yè)建筑中的照明負荷一般劃分為室內(nèi)照明、應(yīng)急照明、公共區(qū)域照明與室外景觀照明四類。除應(yīng)急照明外，室內(nèi)照明、公共區(qū)域照明與室外景觀照明都具有調(diào)節(jié)空間，市面上現(xiàn)有的商場智能照明控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同時段和需求，可對商場的照明設(shè)備進行分區(qū)、分時、多模式的控制。照明系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略如表3所示。

2.3 電動汽車充換電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略分析

商業(yè)建筑停車庫一般會配有交流充電樁與直流充電樁，直流充電樁額定功率主要有30 kW、60 kW、120 kW等，交流充電樁的額定功率一般為7 kW。目前出于對用戶不同充電需求的考慮，市場上出現(xiàn)了具有多種充電模式的充電樁，不僅支持充電功率調(diào)節(jié)，還允許用戶根據(jù)自身需要選擇具體的充電模式，如自動充滿模式、按時間充電模式、按金額充電模式和按電量充電模式等，少部分充電場站還建有V2G充電樁，可支持電動汽車反向充電功能。另外，部分大型商場還配有換電站，對于換電站一方面可通過電池充電時間的優(yōu)化來改善充電負荷的時序特性，響應(yīng)電網(wǎng)削峰需求;另一方面，換電站根據(jù)用戶的換電池需求量合理調(diào)整換電池服務(wù)能力裕度，以在保障用戶換電池需求的前提下充分挖掘其削峰潛力^［20］。充電樁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略如表4所示。

3 商業(yè)建筑負荷的可調(diào)潛力評估方法

商業(yè)建筑可調(diào)資源潛力評估是實現(xiàn)資源最優(yōu)配置的前提。精準評估資源潛力，一方面可讓虛擬電廠運營商優(yōu)化市場投標策略與資源調(diào)控策略，另一方面可為電網(wǎng)制定科學(xué)合理的調(diào)度計劃提供數(shù)據(jù)支撐。海量需求側(cè)資源的響應(yīng)速度、響應(yīng)容量各異，不同資源的響應(yīng)特性互相耦合，精準的潛力評估面臨很多挑戰(zhàn)。國內(nèi)外對商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)功率估算分析方法各有不同，但總體框架存在一些共性，現(xiàn)有估算方法可分為機理模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)模型驅(qū)動方法兩類，其優(yōu)缺點如表5所示^［21］。可調(diào)潛力量化評估方法對比如表5所示。

3.1 基于機理模型驅(qū)動的需求響應(yīng)潛力評估方法

機理模型驅(qū)動方法根據(jù)評估對象的物理特性，并結(jié)合外界環(huán)境、用戶的舒適度要求等因素建立潛力評估模型。文獻［22］基于馬爾可夫模型和美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會標準^［23］，提出了用戶舒適度約束的負荷調(diào)控潛力評估方法。文獻［24］設(shè)計了一種基于建筑熱質(zhì)量和制冷設(shè)備模型優(yōu)化的需求響應(yīng)潛力預(yù)測方法。文獻［25］對樓宇空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水泵系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)、冷凝器系統(tǒng)及風(fēng)機盤管系統(tǒng)分別進行物理建模，并建立優(yōu)化模型對中國上海某商業(yè)樓宇的空調(diào)可調(diào)潛力進行了評估。文獻［26］采用綜合能量管理系統(tǒng)對中國蘭州一棟商業(yè)樓宇中的供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)以及電池等負荷進行建模，建立了基于決策樹模型的商業(yè)樓宇需求響應(yīng)潛力預(yù)測模型。

3.2 基于數(shù)據(jù)模型驅(qū)動的潛力評估方法

數(shù)據(jù)模型驅(qū)動方法不關(guān)注被評估對象的內(nèi)在響應(yīng)機理，而是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等機器學(xué)習(xí)算法，建立影響因素和需求響應(yīng)潛力之間的映射模型來進行潛力評估。這些模型多屬于黑箱式模型，難以直觀地解釋內(nèi)部機制，且對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求較高。文獻［27］針對負荷聚合商缺少用戶歷史用電數(shù)據(jù)情況提出了基于深度子領(lǐng)域自適應(yīng)的用戶DR潛力評估方法。文獻［28］提出一種由智能電表驅(qū)動的實時需求響應(yīng)潛力評估方法，利用高斯混合模型從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)電力用戶概率行為。文獻［29］基于智能儀表和溫度數(shù)據(jù)提出一種新型潛力評估方法，應(yīng)用于空調(diào)負荷的消費行為學(xué)習(xí)、客戶定位和運營優(yōu)化。文獻［30］基于Ecogird 2.0項目實驗數(shù)據(jù)，建立了可調(diào)節(jié)潛力與時間、環(huán)境溫度之間的映射函數(shù)，并依據(jù)實時收集的數(shù)據(jù)對模型進行實時更新。

4 商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)潛力在線實測評估指標體系

由于實際工程應(yīng)用現(xiàn)場情況比較復(fù)雜、設(shè)備類型各異、干擾因素較多，基于上述兩類方法進行理論的可調(diào)潛力評估后，還需進行可調(diào)潛力的在線實測，以精準評估聚合資源潛力，輔助虛擬電廠運營商動態(tài)優(yōu)化市場投標策略^［31］。目前有少許研究人員研究建立評估指標體系，結(jié)合綜合評價方法評估用戶可調(diào)負荷的調(diào)節(jié)潛力。如文獻［32］建立響應(yīng)能力評價模型，提出包括響應(yīng)時間、持續(xù)時間等在內(nèi)的評價指標。文獻［33］從用戶負荷、用戶參與意愿度、智能化水平和經(jīng)濟性四個維度構(gòu)建了潛力評估指標體系。

本文結(jié)合當前虛擬電廠運營商參與虛擬電廠精準響應(yīng)項目的實施要求，提出商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)潛力實測評估指標，主要包括：

（1） 反應(yīng)時間Tr，指可調(diào)資源管理者下發(fā)響應(yīng)信號后到開始參與響應(yīng)的時間。

（2） 起始最大調(diào)節(jié)功率Pr，指可調(diào)資源集群接收到響應(yīng)信號后，按照自身用能特點進行降負荷，當其整體出力達到相對穩(wěn)定時的用電總功率與初始用電功率之差。

（3） 持續(xù)時間Td，指完全達到調(diào)節(jié)要求后，能保持該狀態(tài)的最長時間。

（4） 調(diào)節(jié)速率Vr，指響應(yīng)過程中可調(diào)節(jié)負荷的功率變化速率。

（5） 調(diào)節(jié)偏差Q，指設(shè)定時間內(nèi)實際運行平均功率與設(shè)定目標調(diào)節(jié)功率的偏差率。

商業(yè)建筑負荷調(diào)峰潛力在線實測評估指標示意如圖3所示。以某次商業(yè)建筑接受調(diào)控響應(yīng)的過程為例。t1時刻，此時資源出力為p（t1），根據(jù)接收到調(diào)控指令開始下降，在t2時刻達到功率最小值p（t2）。

反應(yīng)時間Tr可表示為

Tr=t2-t1

（1）

式中： t1——下發(fā)調(diào)控指令時間;

t2——響應(yīng)開始時間。

起始最大調(diào)節(jié)功率Pr可表示為

Pr=p（t1）-p（t2）

（2）

式中： p（t1）——t1時刻的功率;

p（t2）——t2時刻的功率。

調(diào)節(jié)速率Vr可表示為

Vr=PrTr

（3）

持續(xù)時間Td可表示為

Td=t3-t2

（4）

式中： t2——響應(yīng)開始時間;

t3——響應(yīng)結(jié)束時間。

調(diào)節(jié)偏差Q可表示為

Q=Paim-PavePaim×100%

（5）

式中： Paim——目標調(diào)節(jié)功率;

Pave——響應(yīng)持續(xù)時間內(nèi)的平均調(diào)節(jié)功率。

根據(jù)實際每個時間間隔（一般為實時功率采集頻率為5 min）采集的功率進行平均求和計算得出。

5 結(jié) 語

商業(yè)建筑負荷是一類重要的需求側(cè)靈活性資源，但目前商業(yè)建筑負荷與電網(wǎng)互動時的精細化調(diào)控潛力未能得到充分挖掘。

針對目前虛擬電廠運營商組織商業(yè)建筑用戶參與虛擬電廠精準響應(yīng)調(diào)控所面臨的技術(shù)問題，本文開展商業(yè)建筑負荷削峰調(diào)節(jié)策略及潛力評估方法研究，對商業(yè)建筑負荷分類及典型用能特征進行分析，對商業(yè)建筑中典型可調(diào)負荷的削峰調(diào)節(jié)策略開展研究，對當前商業(yè)建筑負荷的調(diào)節(jié)潛力評估方法進行對比分析，最后結(jié)合實際應(yīng)用情況，提出商業(yè)建筑負荷調(diào)節(jié)潛力在線實測評估指標體系，對于虛擬電廠運營商開展可調(diào)資源潛力評估具有指導(dǎo)意義。

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收稿日期： 20240325

Research on Load Shaving Regulation Strategies and Potential

Assessment Methods for Commercial Buildings

HU Tongyue^1，2，3

［1.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China;

2.Shanghai Key Laboratory of Smart Grid Demand Response， Shanghai 200063， China;

3.National Energy Smart Grid User-End Electrical Equipment Research and

Development（Experimental） Center， Shanghai 200063， China］

Abstract：

Commercial building loads serve as an important type of demand-side flexibility resource.Mobilizing these resources to participate in grid peak shaving can effectively alleviate the contradiction between power supply and demand.Given the current issues of a lack of systematic and practical regulation strategies，as well as the difficulty in accurately assessing adjustable potential，this paper conducts research on load shaving regulation strategies and potential assessment methods for commercial buildings.Firstly，it analyzes the classification and typical energy consumption characteristics of commercial building loads.Secondly，it explores the load shaving regulation strategies for typical adjustable loads in commercial buildings.Thirdly，it compares and analyzes current methods for assessing the adjustment potential of commercial building loads.Finally，based on practical application scenarios，it proposes an online actual measurement and evaluation index system for the adjustment potential of commercial building loads，which provides guidance for virtual power plant operators in assessing the potential of adjustable resources，thus meeting the development requirements for precise response of virtual power plants.

Key words：

commercial building; demand response; load shaving regulation; potential assessment; virtual power plant