楼宇中央空调参与电网调度与控制应用研究

2021-05-19游大宁刘航航程定一

山东电力技术 2021年4期

刘萌，游大宁，刘航航，高嵩，程定一

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东济南 250001）

0 引言

近年来，随着外电入鲁规模持续扩大、山东省内新能源装机迅猛增长、直调公用机组供热面积不断扩大、核电机组从无到有，山东省电源结构正在经历着一个由量变积累到质变的关键时期，多重因素叠加造成常规火电机组调峰资源几近枯竭，一度被迫采取安排大容量火电机组频繁日内启停、时段性弃风弃光等措施缓解电网调峰压力［1-4］。亟须挖掘负荷侧的调节潜能，促进风电、光伏等间歇式新能源发电的消纳利用。与此同时，随着特高压直流的快速发展，直流闭锁故障等引发的大功率缺失使电网安全稳定面临挑战，精准柔性负荷控制是保障大电网安全稳定运行的重要手段。

空调负荷是热惯性较大的负荷，其运行状态可以根据电网需求进行适当调整，不会对用户热舒适度造成明显的负面作用。空调负荷在负荷中占到很大比例，某些发达的城市中在夏季峰荷时段能达到总负荷的30%～40%，并且占比逐年提高［5-9］。因此，研究在大功率缺失情况下对空调参与电网的应急响应以及正常情况下参与电网调峰，对于电网的安全、稳定运行意义重大［10-22］。空调包括中央空调和分散式两种类型。楼宇中央空调一般针对为商业、政府或者企业楼宇进行集中供冷（热），相当于多台分散式空调的聚合，具有单个中央空调负荷功率大、可调控性能好等优点，在并且全部空调负荷中占有很大比例，因此主要针对中央空调负荷进行研究。

介绍中央空调工作的基本原理和空调室内温度的控制特性，分析了电网调峰、应急响应和用户对负荷控制的基本要求，在此基础上，以某楼宇中央空调为实际案例进行分析，讨论中央空调负荷参与电网调度与控制的可行性。

1 中央空调基本工作原理

1.1 基本工作原理

中央空调系统主要包括三个组成部分：主机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统，如图1 所示［8-9］。图中，T为经过冷却塔的冷却水温度。以制冷运行状态的中央空调为例进行分析：主机通过制冷压缩机把冷媒（制冷剂）压缩成液态后，将其送至蒸发器与冷冻水进行热量交换，降低冷冻水温度；冷冻水循环系统中的冷冻泵将冷冻水送至各房间风机风口的冷却盘管，风机吹动盘管实现房间与冷冻水之间的热量交换，达到降温室内温度的目的；经过蒸发器后的冷媒在冷凝器中与冷却水进行进一步热量交换，释放热量，变为气态。冷却水循环系统中的冷却泵将冷却水送至冷却塔，由冷却塔风机对其进行喷淋，实现与大气之间的热量交换，把冷却水中的热量散发到大气。上述各部分过程往复循环。

图1 中央空调系统基本原理

1）制冷主机。制冷主机通过压缩机对冷冻水进行制冷，冷冻水一般制冷到7 ℃左右，是中央空调系统的冷源，冷冻水由冷冻水泵送入空调房间。水冷式机组一般包括螺杆机组、离心机组等主机类型。

2）冷冻水泵。冷冻水循环系统的泵为冷冻水泵，将冷冻水循环到空调系统各个末端与各个房间内空气进行热交换，冷冻水的温度升高后再循环回到冷水主机的蒸发器内，放出热量（吸收冷量），再返回空调系统末端循环，不断的循环构成冷冻水循环系统。

3）冷却水泵。冷却水循环系统的泵为冷却水泵，制冷剂在主机中循环，在冷凝器里放出热量，变成气体，需要通过冷却水来完成散热，使其再凝结为液态制冷剂。主机所产生的热量由冷却水循环系统带走，循环到冷却塔把热量释放到大空中，再回到冷水机组，不断地循环构成冷却水循环系统。

4）冷却塔。冷却水泵把吸收了主机热量的水送到冷却塔，冷却塔中有布水管喷头，其中的水自上而下流动，主要通过自然空气以及轴流风机带动空气加速运动带走水中的热量。经冷却塔降温之后的冷却水再次循环回到制冷主机，带走制冷主机产生的热量。

5）风机盘管。风机盘管安装在每个房间内，冷冻水经过风机盘管与室内进行热量交换，热量交换后的水再循环回主机进行制冷（或制热），不断循环以达到调节室内温度的目的。

1.2 房间内温度的控制

图2 单个空调室内的温度周期变化特性

各房间的设定温度Tset由室内人员通过温度控制器设定，室内温度周期变化，如图2 所示。当风机盘管打开时时，室内温度下降，当达到温度关闭边界温度值Tlow时，空调控制器关闭室内风机和盘管阀门；当风机盘管阀门关闭时，室内温度上升，当达到温度开启边界温度值Thigh时，空调控制器开启室内风机和盘管阀门。

单个房间内温度变化具有周期特性，中央空调的功率由负荷多样性决定，负荷控制可能会单个房间运行状态的趋同，引发中央空调功率振荡和功率的“二次冲击”［10］。

2 对负荷控制的基本要求

2.1 电网对负荷控制的要求

2.1.1 稳控切负荷对负荷控制的要求

为保证大功率缺失（如直流闭锁故障）时电网的安全稳定运行，安稳系统需要快速、可靠地切除相应负荷。以山东电网稳控切负荷系统为例，其安稳系统从判断直流系统双极闭锁至变电站负荷开关出口跳开，整个过程的动作时间约100 ms。因此，切除负荷快速性和可靠性是负荷控制用于保证电网安全稳定运行的基本要求。

中央空调参与稳控切负荷控制只能采用直接断电切除的控制方式。

2.1.2 调峰对负荷控制的要求

调峰在调度过程中保证电力系统功率平衡基础上，保证调度过程中发电成本以及中央空调的舒适度影响最小。需要建立含中央空调负荷的源-荷协同优化调度模型，实现所有参与电网调峰中央空调负荷与机组的优化组合。模型中需要计及中央空调的功率调整的上下限值、功率调整速率、中央空调恢复时间以及中央空调舒适度等要素。

中央空调参与调峰的控制方式可以采用柔性调节空调运行参数的方式实现。

2.2 空调用户对负荷控制的要求

随着社会的发展，电力用户对用电质量提出更高要求，不考虑用户终端用电特性的负荷控制可能对用户用电舒适度造成明显的负面影响。其中负荷舒适度是指用户对供电服务质量的满意程度，对空调负荷来讲，指对室内热环境的满意程度。因此，空调用户对负荷控制的要求是：负荷控制的过程中不对用户的热舒适度造成明显的负面作用。空调室内的热惯性时间常数较大，短时间的切断或者改变控制参数，并不会明显影响室内的温度，因此以空调负荷为控制对象具有明显的优势，但需要建立用户的终端特性的精确用电模型，对负荷控制过程中对室内温度的变化进行精确考量。

3 中央空调参与电网调度与控制的可行性分析

3.1 中央空调系统各设备的功率情况

约克、特灵和开利是当前国内使用比较广泛的中央空调，其单台主机、冷冻泵、冷却泵以及各风机的额定功率如表1 所示。中央空调系统功率消耗较大的设备均在中央空调机房内，主机功率约占空调系统总功率消耗的60%～70%，冷冻水泵和冷却水泵功率总计约占空调总功率的15%，因此主要分析主机、冷冻水泵和冷却水泵的可控性。

表1 中央空调设备功率单位：kW

3.2 中央空调的可控性

3.2.1 断电直切控制策略

中央空调正常关机时，主机逐渐地卸载冷负荷，此过程需要耗费约1～2 min。如果直接断电切除空调，冷冻泵和冷却泵停止工作，冷冻水和冷却水不再循环。此时，主机蒸发器中的液态冷媒继续蒸发吸热，可能使蒸发器中的冷冻水迅速降温至很低温度甚至结冰，对主机产生不良影响。同时，冷凝器中的冷却水会升温，可能会超出主机上限报警温度。因此，对中央空调的紧急控制应该遵循几条原则：

1）中央空调的断电直切控制最好是只切主机，虽然主机未经过关机程序，会对设备有一定的损害，但在不频繁启停机的情况下，基本能够忽略断电对主机的损害。同时，主机功率消耗大，可切除的功率量较大，一般为几百千瓦。

2）冷却水泵可同时被断电切除。主机已经停止工作的情况下，主机中不会再产生需要冷却水循环带走的热量，冷却水的水温会升高，但不会损害设备。

综上所述，主机可以直接切除，冷却泵可以选择性切除，冷冻泵最好不要切除。为了满足快速性要求并防止直接断电造成的主机卡涩，需要对主机的油泵电机电源进行不间断电源改造（只需接入另外的不间断380V 电源），保证主机断电后油路系统正常工作，油泵不断电基本可以忽略直接断电对主机所造成的损坏。

3.2.2 调整主机运行参数控制策略

可采用调节主机出水温度的控制方式调节主机的功率。以制冷运行状态的空调为例，当下调出水温度后，主机会增加出力，快速制冷循环水。反之，当上调出水温度后，主机会减少出力。

3.3 负荷控制对房间内热舒适度的影响及负荷功率高峰的抑制

3.3.1 对房间内热舒适度影响的考量

负荷控制调整的是中央空调的有功功率，空调短时间切断不会对用户舒适度造成明显的负面影响，但实现空调“不中断”控制，需要建立空调室内温度变化与中央空调功率变化之间的函数关系，即建立精确的中央空调用电模型。在此基础上，才能准确定量负荷控制对房间内舒适度的影响。

3.3.2 负荷功率高峰的抑制

当前负荷控制策略大多会破坏负荷群多样性，出现负荷运行状态的空缺、转移甚至消失，从而导致控制后的空调负荷群聚合功率出现振荡现象和负荷恢复过程中的功率恢复高峰，对系统运行带来不利影响，须设计合理的负荷控制策略予以避免。

中央空调可以通过统一控制主机来消除多样性破坏所造成的功率振荡，例如可以通过采用限制主机电流百分比的方式限制主机功率，不会造成功率冲击［7］。

4 楼宇中央空调的控制实例分析

4.1 楼宇中央空调可控性分析

4.1.1 基本情况概述

某楼宇中央空调机房内大功率消耗设备主要有4 台主机、5 台冷冻泵和5 台冷却泵，如图3 所示。各设备单台机的功率如表2 所示。夏天用电高峰时，开启2 台主机、3 台冷冻泵和3 台冷却泵。每台主机的工作功率约230 kW。

4.1.2 中央空调的控制

楼宇中央空调的主机系统如图4 所示，可以通过直接在主机配电箱内增加断路器，同时铺设光纤传输控制信号以控制断路器的通断，实现中央空调主机的切除。另外，可以通过调节主机的出水温度的方式实现主机功率的控制。

表2 中央空调系统各设备单台机功率单位：kW

图3 楼宇中央空调系统机房

图4 楼宇中央空调主机系统

4.1.3 中央空调改造后的整体构架

针对该楼宇中央空调负荷，搭建了试验平台，增加了带远方跳闸功能的智能负荷控制终端，如图5所示。负荷智能终端与中央空调控制器之间采用Modbus 协议进行通信，中央空调开放了通信端口，可实现所有调整参数上传到负荷控制终端。负荷智能控制终端与远方控制中心之间通过IEC104 规约进行通信，控制中心可以通过负荷智能控制终端收集所有空调运行数据，并可以下达控制命令。另外，在末端房间内增加了温度测点，可以串口通信的方式远程传输到控制中心。负荷智能终端带远方跳闸功能，可接受控制中心的命令，直接切除中央空调主机断路器。

图5 中央空调调度与控制试验平台

4.2 中央空调控制效果分析

4.2.1 参与电网的应急响应效果分析

试验过程中，控制中心下发遥控、遥调等控制指令至负荷智能控制终端，实现对中央空调主机断路器的分合控制，并进一步下达至中央空调控制面板，实现冷冻水设定温度以及主机电流百分比限定值的调整。通过调整限制主机电流百分比可限制主机功率，避免对电网造成功率冲击。试验过程中，限制主机电流百分比从初始45%开始每5 min 上调5%，直至95%。中央空调控制过程中，电流百分比限值、主机功率变化、室内温度变化、冷冻水温度变化分别如图6—图9所示。