基于网格搜索的建筑集群电力调峰调度策略研究.pdf

书书书研究与探讨徐得天（），男，硕士，研究方向为虚拟电厂和需求响应技术。基金项目：上海市中央引导地方科技发展资金项目（）基于网格搜索的建筑集群电力调峰调度策略研究徐 得 天，上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 ；上海市智能电网需求响应重点实验室，上海 ；国家能源智能电网用户端电气设备研发（实验）中心，上海 摘要：针对需求响应技术中存在的不确定性，尤其建筑集群用户的负荷调节潜力及各用户用电如何分摊，匹配电网调峰需求缺少量化进行研究。基于 栋建筑集群的实际用能数据，分析不同年份空调、照明用电情况，得出建筑集群全年用电特性曲线。按照响应电网侧 的峰值负荷为调控目标，建立距离模型计算照明、空调的调节参数，利用网格搜索寻优计算耦合调节系数。结果表明，建筑集群各用户为实现全年 调峰指标，照明与空调用电应耦合调节，各建筑全年照明负荷应调节为各家峰值负荷的 ，在冬季空调用电几乎不用调节，夏季空调应调节为各家峰值负荷的 ，仅通过调高设定温度难以实现调峰，需采用其他节能手段或用可再生能源调峰。最后量化需求响应时间内各家在不同时刻应减少的负荷指标，指导建筑集群各用户进行负荷管理，响应需求侧调峰信号。关键词：需求响应；电网调峰；建筑能耗；负荷管理；建筑集群中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言在持续高温或极端高温天气时，空调制冷负荷会迅猛增长，电网用电负荷大幅攀升。空调负荷的不断增加与所占比重的不断提高已成为电网的主要特征之一 。年夏季上海出现较长时间的极端高温天气，电网负荷急剧增加，调峰任务艰巨。需求响应（）是通过价格或激励机制调整用户的用电行为，进而适应电力供需平衡的一种方式 。由于在其中没有碳排放，同时可以激励用户使用可再生能源及储能、等灵活资源，因此 是减少碳排放、调节电网高峰负荷、升级新型电力系统，实现“双碳”目标的重要方法 。上海市政府发布碳达峰实施目标，到 年需求侧尖峰负荷响应能力不低于 。的调峰任务已成为碳中和目标的重点攻克对象。技术目前存在较多的不确定性，主要是技术能力的不确定性：不确定用户是否具备必要的技术设备和智能电网系统，也不确定用户有多少负荷可调控，以实现实时监测和响应电力需求的能力，因此也就无法预测用户参与 的收益研究与探讨是多少，大大影响了参与意愿；用户参与度的不确定性：不确定用户是否愿意积极参与 ，以及对其行为的调整程度和持续性；预测精度的不确定性：准确的需求预测对于实施有效的 至关重要。此外，随着新型电力系统纳入高比例的可再生能源，可再生能源波动性对 的可靠性及稳定性也带来不利影响 ；整合分散的能源资源和技术设备需要高度的技术集成和互操作性，不同技术之间的兼容性和协调性也存在一定的不确定性。以上问题制约了 技术的深入发展以及大规模应用。本文以区域资源集成商视角，整合区域内建筑集群的有效资源，针对技术能力的不确定性展开研究，力求实现 的供需匹配，研究各用户响应电网侧的调峰目标的调节方法，并且针对各家用户制定负荷管理和调度策略，平衡电力供需，并减少系统的负荷峰值，从而降低能源成本和二氧化碳排放。模型搭建 需求侧待响应模型建筑用能结构复杂，用能设备众多，主要的用能分项包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。由于建筑中空调、照明负荷占比最高，且具备较高的可调节潜力，以空调为代表的柔性负荷资源已成为智能电网框架下的重要互动资源 。本文针对建筑的照明、空调负荷作为研究对象，建筑集群的某时刻总负荷如下：（）式中：某时刻的总用电功率；单个建筑某时刻空调负荷；某时刻照明负荷；动力用电、特殊用电等其他负荷，在本文中假定为常数，不参与 的调峰事件；聚合的建筑群数。据文献 可知，南方五省（区）尖峰负荷即最大负荷 以上负荷的持续时间一般不超过 ，尖峰负荷持续时间一般不超过 。本文将建筑集群的全年总负荷排序，将全年负荷的前 的用电时间、用电量模拟全年 尖峰负荷的时间和待响应电量。用户侧接收信号响应模型用户侧接收 调峰信号后，需结合现有用电情况，评估自身可调节潜力，响应 指令。对于照明用电而言，假设用户可合理利用自然光或采用自动控制以及主动控制灯光避免不必要的能源浪费，以全年工作日照明功率峰值的百分比作为基准值，超过部分用来响应需求侧调峰信号，即需调峰时间内，单个建筑的可调节照明负荷为，（）式中：，时刻照明用电功率；，工作日照明的最大用电功率；照明功率可调节系数，取 。对于空调用电而言，由于不同建筑暖通空调系统差别较大，难以量化具体的节能水平，通常建筑的水泵设计、送风设计等都考虑各种各样的安全系数，从而使单位空调面积的制冷机装机容量相比空调设计手册中的单位空调面积冷负荷概算结果偏大，远大于实际运行中单位空调面积峰值冷量。一般认为，在人体舒适度范围内将室内空调温度设定调整，空调系统能耗将减少 。由于冬夏季供能逻辑往往有所不同，本文认定空调在 月 日到 月 日期间发生的用电为夏季制冷工况，空调在 月 日到 月 日期间发生的用电为冬季制热工况。单个建筑空调可调负荷为，（）式中：，某时刻空调用电功率；，冬季或夏季最大空调用电功率；，夏季可调负荷系数；，冬季可调负荷系数；可调负荷系数，冬季为 ，夏季为研究与探讨 ，空调调节系数范围取 。供需匹配模型以欧氏距离作为需求侧曲线和响应曲线的接近程度。通过调整空调负荷系数与照明负荷系数，利用网格搜索寻优算法计算 两条曲线总体最接近的调节参数，即求欧氏距离最小值。（，），（）槡（）式中：需求侧待调峰负荷；响应侧可响应负荷；响应时间，本文取 。优化目标为需求曲线与响应曲线的欧氏距离最短，即两条曲线最接近，认为需求侧与响应侧匹配良好。算例分析 电网需求侧调峰需求分析本文对上海 幢建筑某年实际空调及照明用电进行研究，模拟 行为，进行需求量、需求时间匹配分析。幢建筑的基本信息如表 所示。对 幢建筑分项用电数据进行预处理，将通过完整度检验的数据集进行去重操作，用合理数据替换异常数据操作，插值法补充短期缺失数据后，最后进行汇总分析，得到 幢建筑的全年空调、照明的总用电情况。幢建筑全年空调照明及总用电功率如图 所示。由图 可知，照明全年用电呈现规律变化，工作日和休息日用电差别明显，工作日照明用电整体波动较小，高峰时间一般出现在上午 点。空调负荷用电呈现明显的季节特征，全年用电峰值出现在夏季。总功率的曲线特征和空调负荷曲线特征相似。对总用电功率数据进行筛选，选出功率最大的前 用电量作为需求侧待调节功率。需求侧待调节功率如图 所示。用户侧响应电网调峰需求分析基于上述需求侧指令情况，用户侧需在规定时间内进行响应。将照明负荷调节系数和冬季、夏季空调负荷调节系数以 调整，从 开始表 幢建筑的基本信息建筑编号地上层数地下层数建筑面积 暖通空调形式 全空气系统 全空气系统 风机盘管 新风 风机盘管 新风 其他 全空气系统 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 分体式空调和 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 风机盘管 新风 全空气系统图 幢建筑全年空调照明及总用电功率进行网格搜索寻优，计算需求曲线与响应曲线的欧式距离。需求侧曲线与响应电量曲线距离分布变化如图 所示。距离最小值所对应的照明负荷系数、空调负研究与探讨图 需求侧待调节功率图 需求侧曲线与响应电量曲线距离分布变化荷系数为理论最佳值。计算结果表明，照明负荷调节系数为 ，夏季空调负荷调节系数为 ，冬季空调调节系数为 。以此系数计算各家负荷调节基准线，将基准线以上的负荷视为可调节负荷。需求侧调峰目标与用户侧可响应功率对比如图 所示。图 需求侧调峰目标与用户侧可响应功率对比可见，调峰目标与可响应功率基本匹配，但夏季用电尖峰时，无法满足需求侧目标，说明建筑集群总空调能耗必须降至超过峰值负荷 以下，或降低照明负荷。该目标要求较高，必要时可根据实际情况采用蓄能或可再生能源发电等方式实现电网调峰。为验证该调节方法的适用性，取次年用电数据重新计算。次年需求侧目标与可响应功率对比如图 所示。图 次年需求侧目标与可响应功率对比计算结果表明，使欧氏距离最小的次年的照明负荷调节系数为 ，夏季空调负荷调节系数为 ，冬季空调调节系数为 。需求侧目标与可响应功率基本匹配，但用电峰值时可响应功率也出现不足。两年数据可知，在冬季发生 调峰事件时，几乎不用调节空调，仅调节照明就可以满足调峰要求。因此，假定冬季空调调节参数为常数，仅考虑夏季空调调节系数、照明调节系数与欧氏距离。夏季空调、照明调节系数与距离对应关系如图 所示。图 夏季空调、照明调节系数与距离对应关系由图 可知，为使欧式距离保持低值，空调、照研究与探讨明系数应在“低洼区”内耦合调节，可实现良好的供需匹配，即供需匹配存在多个照明、空调参数耦合值。低洼区内照明调节系数为 ，空调调节系数为 。两个系数需满足耦合对应关系。用户可根据资源聚合商提供的理论调节系数组合，灵活调配自身资源。此外，如果要求需求侧的待调节最大值和响应侧可响应值匹配，应在空调、照明调节系数对应关系中寻找使二者之差为最小值的系数。经计算，当冬季空调系数为 ，夏季空调系数为 ，照明系数为 时，响应侧可满足需求侧的调峰要求。调节参数后需求侧目标与可响应功率匹配情况如图 所示。图 调节参数后需求侧目标与可响应功率匹配情况由图 可知，为达到需求侧调峰值的目标，选取的调节参数会导致用户侧在非极端高温天气时，响应功率大大超过需求侧待调节峰值。根据上述峰值匹配的参数，以峰值时刻（月 日 ）为例，全年用电峰值时刻各用户空调、照明目标调峰功率如表 所示。可见，各家用户可根据调节参数表，选取适宜的照明空调耦合参数进行调整，在每次 事件发生前做好调度计划，实现建筑集群的系统性峰值转移。结语本文利用多家用户全年实际发生的用电负荷代表建筑集群的整体用电情况，对峰值负荷进行分析。取全年最高用电量的前 代表需求侧电力峰值发生时间，匹配用户的响应情况，得表 全年用电峰值时刻各用户空调、照明目标调峰功率 建筑编号空调实时功率空调应调峰功率照明实时功率照明应调峰功率 无须调整 无须调整 无须调整 无须调整 无须调整 无须调整 出以下结论：建筑集群各用户为实现全年 调峰指标，利用网格搜索寻优算法计算出空调、照明耦合调节系数。各建筑应耦合调节照明与空调用电参数。各建筑全年照明负荷应调节为各家照明峰值负荷的 ，同时冬季空调用电几乎不用调节，夏季空调应调节为各家空调峰值负荷的 。在用电尖峰期单靠调节夏季照明、空调耦合参数可能会出现用户侧可调资源不足情况，需纳入可再生能源、储能等灵活性资源。该算法可为各家用户全年每次调峰事件的每小时用能及调节目标做出指导，为后续建筑集群纳入可再生能源、储能等灵活性资源后的灵活性智能调峰提供框架。研究与探讨 上海市经济信息化委员会 上海市迎峰度夏有序用电方案 考虑储能和需求响应的高比例可再生能源综合能源系统建模 广州：华南理工大学，张伊宁 考虑需求响应的能源互联网优化运行研究 杭州：浙江大学，韩肖清，李廷钧，张东霞，等 双碳目标下的新型电力系统规划新问题及关键技术 高电压技术，（）：赵曰浩，李知艺，鞠平，等 低碳化转型下综合能源电力系统弹性：综述与展望 电力自动化设备，（）：赵昱宣 计及多重不确定性和多元协调运行的光热电站调度策略研究 杭州：浙江大学，胡晓青 空调负荷参与电力系统需求响应的建模及控制策略研究 南京：东南大学，康靖，李雨桐，郝斌，等 多联机空调柔性负荷参与电力系统需求响应的实证研究 供用电，（）：叶泽 电力电量平衡的经济学分析 中国电力企业管理，（）：张新，岳园园，曾好，等 面向电网规划的重点需求侧资源响应潜力评估方法 电力系统自动化，：杨华，张慧午，曹磊 寒冷地区某低能耗建筑空调运行节能潜力分析 建筑节能，（）：罗智星，王逸群，路逸晴，等 基于室内设计温度更新的建筑空调能耗快速预测方法研究 建筑节能（中英文），（）：收稿日期：，（，；，；（），）：，：；