黃猛，趙柏?fù)P，李勇，趙志剛，劉霞，王如竹*

（1-珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070；2-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

太陽能光伏在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，主要包括光伏驅(qū)動(dòng)冰箱[1-2]和光伏驅(qū)動(dòng)空調(diào)[3-5]。而光伏空調(diào)是綠色建筑的重要組成成分。隨著光伏組件效率的提高和價(jià)格的降低，分布式光伏發(fā)電作為一種清潔發(fā)電形式，成為可再生建筑的主要能量來源；而在一般的建筑（非工業(yè)）能源系統(tǒng)中，暖通空調(diào)是主要的能耗來源。光伏空調(diào)將光伏發(fā)電用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行[6]，大大降低了建筑系統(tǒng)對(duì)于外部能源（如電網(wǎng)）的需求[7]，實(shí)現(xiàn)了建筑的高效能源自給。另外，光伏空調(diào)系統(tǒng)的光伏發(fā)電還可用于其余用電設(shè)備，甚至可以與蓄電池儲(chǔ)能結(jié)合，提高可再生能源的利用率。因此，可將光伏空調(diào)作為建筑能源系統(tǒng)的中心，對(duì)整個(gè)家居/樓宇的能源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，實(shí)現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)的高效運(yùn)行和節(jié)能優(yōu)化。

近年來，以光伏空調(diào)為中心的建筑能源系統(tǒng)研究受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。2017年，格力電器推出了G-IEMS局域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[8]，以光伏空調(diào)為能源中樞將清潔能源便利惠及到家庭用電的每一個(gè)方面，大大推動(dòng)了能源互聯(lián)和智能控制的發(fā)展，為相關(guān)研究的推廣應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。理論研究方面，VRETTOS等[9]研究了包含光伏空調(diào)、熱水器負(fù)荷、蓄電池的建筑能源系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，對(duì)空調(diào)和熱水器的運(yùn)行功率進(jìn)行優(yōu)化控制。張彥等[10]對(duì)類似的建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化控制進(jìn)行了研究，還考慮了開關(guān)電器、可控發(fā)電裝置和電動(dòng)車的情況。SALSBURY等[11]同時(shí)考慮了建筑能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性指標(biāo)。OLDEWURTEL等[12]使用預(yù)測(cè)控制對(duì)建筑能源系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)、百葉窗、燈光進(jìn)行了控制。DONG等[13]通過建立精確的非線性空調(diào)系統(tǒng)模型，并基于天氣和人員行為預(yù)測(cè)，使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法對(duì)非線性問題進(jìn)行求解。

本文將對(duì)以光伏空調(diào)為中心的建筑能源管理策略與控制算法進(jìn)行研究，基于預(yù)測(cè)控制的思想[14]，對(duì)一個(gè)包含光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷（暖通空調(diào)）、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷（開關(guān)電器）和固定負(fù)荷的家庭能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行控制；以MATLAB平臺(tái)建立家庭能源系統(tǒng)模型，其中空調(diào)模型通過基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識(shí)方法得出。最后對(duì)控制優(yōu)化前后的建筑能源系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 模型構(gòu)建

下圖為本文研究的建筑能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該能源系統(tǒng)用于一座居住建筑，建筑的用電負(fù)荷包括可調(diào)節(jié)負(fù)荷（暖通空調(diào)）、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷（洗衣機(jī)、熱泵熱水器）和固定負(fù)荷（電燈、電磁爐、電冰箱、電視、電腦）；系統(tǒng)的電能供應(yīng)可由新能源發(fā)電（光伏系統(tǒng)）、電網(wǎng)和儲(chǔ)能蓄電池（鉛炭電池）聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，其中光伏系統(tǒng)可為建筑用電設(shè)備提供電能，當(dāng)光伏電能盈余時(shí)，多余的電能被存儲(chǔ)于蓄電池或反饋電網(wǎng)，光伏電能不足時(shí)，不足的電能可由電網(wǎng)和蓄電池聯(lián)合提供。本節(jié)將對(duì)建筑能源系統(tǒng)的各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹。

1.1 固定負(fù)荷

如室內(nèi)照明、冰箱等，這部分負(fù)荷不參與能源系統(tǒng)的集中控制，在負(fù)荷分析時(shí)，一般以固定功率曲線給出。此類設(shè)備產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)建筑室內(nèi)的熱負(fù)荷產(chǎn)生影響，從而增加空調(diào)制冷能耗。本文研究對(duì)象的固定負(fù)荷包括照明、冰箱、電視、電腦、電磁爐，以Pfix(k)表示第k時(shí)刻的固定負(fù)荷功率，其數(shù)值和產(chǎn)熱負(fù)荷（包括人體散熱）如圖2所示。

1.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

如洗衣機(jī)、熱泵熱水器等，其工作過程中功率曲線固定，但工作時(shí)段可調(diào)節(jié)，存在一定的時(shí)間范圍，且工作過程中不可停止。本文研究對(duì)象的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷為以下兩項(xiàng)：1）洗衣機(jī)，功率250 W，時(shí)間21：00～24：00或0：00～8：00，工作40 min；2）熱泵熱水器，功率1,500 W，時(shí)間8：00～20：00，工作90 min。以Pshift(k)表示第k時(shí)刻的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷功率。

1.3 可調(diào)節(jié)負(fù)荷

如空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備等，這些設(shè)備的運(yùn)行功率存在一定彈性范圍，可通過調(diào)節(jié)設(shè)定溫度或轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行控制。本文研究對(duì)象的可調(diào)節(jié)負(fù)荷為空調(diào)負(fù)荷，對(duì)于空調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)量取為室內(nèi)溫度，輸入量為空調(diào)運(yùn)行電功率，擾動(dòng)量為太陽輻照與環(huán)境溫度。最終控制系統(tǒng)可表達(dá)成以下式子：

式中：

Tin(k)——第k時(shí)刻的室溫，℃；

PAC(k)——第k時(shí)刻的空調(diào)電功率，W；

V(k)——第k時(shí)刻的擾動(dòng)向量，包含太陽輻照和氣溫,W/m2和℃。

空調(diào)負(fù)荷模型根據(jù)事前調(diào)研，得到建筑尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)COP曲線等參數(shù)，并使用建筑負(fù)荷計(jì)算軟件如BIM[15]或eQUEST[16]進(jìn)行構(gòu)建，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且與實(shí)際情況不一定符合。事實(shí)上，在建筑運(yùn)行數(shù)據(jù)足夠的情況下，可通過系統(tǒng)辨識(shí)[17]的方法對(duì)上式中的A、B、E的數(shù)值進(jìn)行識(shí)別，從而得到空調(diào)負(fù)荷的黑箱模型，模型往往能得到較好的擬合結(jié)果。本文采用一座上海交通大學(xué)閔行校區(qū)公寓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用作系統(tǒng)辨識(shí)，將辨識(shí)后的系統(tǒng)模型作為本文的空調(diào)模型，該公寓占地約60 m2，室內(nèi)采用5匹的冷暖中央變頻空調(diào)。

另外，有關(guān)研究顯示[18]，對(duì)于夏季空調(diào)，以25 ℃為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)設(shè)定溫度每提高1 ℃，空調(diào)能耗將減少6%。而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)顯示[19]，夏季室內(nèi)舒適溫度區(qū)間為24 ℃～28 ℃。因此，當(dāng)光伏發(fā)電不足時(shí)，可在人體舒適性的范圍內(nèi)，適量升高室內(nèi)的溫度來減少空調(diào)能耗，從而減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

1.4 光伏系統(tǒng)

建筑能源系統(tǒng)的光伏發(fā)電組件采用傳統(tǒng)的晶硅組件，第k時(shí)刻光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率PPV(k)和背板溫度TPV(k)的表達(dá)式及相關(guān)參數(shù)如下式與下表所示：

表1 光伏系統(tǒng)參數(shù)

1.5 蓄電池

蓄電池系統(tǒng)采用鉛炭電池，是一種在高倍率部分荷電狀態(tài)下具有長壽命性能的新型鉛酸蓄電池[20]，第k時(shí)刻的電池電量Ebat(k)與電池充放電功率Pbat(k)的關(guān)系式、約束和相關(guān)參數(shù)如下：

表2 蓄電池系統(tǒng)參數(shù)

2 控制算法

光伏空調(diào)作為建筑能源系統(tǒng)的中心，其運(yùn)行特性受氣候條件與天氣狀況影響明顯。隨著外界氣象參數(shù)的改變，光伏空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)電與用電情況將出現(xiàn)明顯的變化與波動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)的控制優(yōu)化，有必要根據(jù)光伏空調(diào)的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)，基于某種控制目標(biāo)，對(duì)能源系統(tǒng)中的其余可控設(shè)備的運(yùn)行模式進(jìn)行提前規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制，為實(shí)現(xiàn)這種控制，可采用預(yù)測(cè)控制技術(shù)。

對(duì)于模型預(yù)測(cè)，一般的控制系統(tǒng)可由以下的狀態(tài)空間表達(dá)式（或系統(tǒng)模型）表示：

其中X(k)為第k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量，U(k)為第k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入向量，Y(k)為第k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出向量。由此，可得到Y(jié)(k+1)為：

因此，可根據(jù)初始時(shí)刻系統(tǒng)狀況和后續(xù)的系統(tǒng)輸入遞推得到第k+n時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)和輸出，即通過系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。

在建筑能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)一般為經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，即運(yùn)行費(fèi)用最小，可表達(dá)為：

其中，Pgrid為并網(wǎng)功率（kW），ρbuyl為購電價(jià)格（元/kWh），ρsell為賣電價(jià)格（元/kWh），兩者均為正值。建筑能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要是與電網(wǎng)的電量交易有關(guān)；購電時(shí)，電費(fèi)依據(jù)上海地區(qū)居民分時(shí)電價(jià)，即峰電價(jià)格為0.977元/kWh，時(shí)間為6：00～22：00；其余時(shí)間為谷電，價(jià)格為0.487元/kWh。賣電價(jià)格取上海的脫硫煤電價(jià)0.40元/kWh，光伏發(fā)電補(bǔ)貼由總發(fā)電量決定，與具體的能源控制策略無關(guān)，在此不作考慮。

最后，通過使用MATLAB最優(yōu)化工具箱，在保證滿足系統(tǒng)約束的情況下，調(diào)整系統(tǒng)輸入，使系統(tǒng)在一定時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化指標(biāo)最小化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能最優(yōu)。

3 算例分析

本文選取了上海某天的氣溫與光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)作為已知預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖3）。仿真時(shí)，需對(duì)建筑能源系統(tǒng)的狀態(tài)量設(shè)置初值，本文中，狀態(tài)量室溫的初值為26 ℃，蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）初值為60%。

圖3 光伏功率與環(huán)境溫度

預(yù)測(cè)控制優(yōu)化前，建筑能源系統(tǒng)各部件的功率曲線和室溫、電池SOC變化曲線分別如圖4和圖5所示?？梢?，在控制優(yōu)化前，空調(diào)設(shè)定溫度維持在26 ℃，空調(diào)能耗隨氣溫、太陽輻照的變化而改變。在6點(diǎn)以前，建筑的負(fù)荷由蓄電池供電滿足；之后，由于電池電量達(dá)到最低，建筑負(fù)荷由光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)共同滿足，白天峰電時(shí)段的購電量較多。另外，由于該天光伏發(fā)電功率一直低于建筑負(fù)荷，沒有盈余的光伏電能進(jìn)行蓄電池的充電，電池放電結(jié)束后維持在40%的最低SOC。

預(yù)測(cè)控制優(yōu)化后，建筑能源系統(tǒng)各部件的功率曲線和室溫、電池SOC變化曲線分別如圖6和圖7所示。由于預(yù)測(cè)到該天光伏發(fā)電較低，為了減低空調(diào)能耗，室內(nèi)設(shè)定溫度調(diào)高到了27 ℃。同時(shí)，蓄電池在谷電期間提前充電到90%容量，并在白天峰電期間聯(lián)合光伏系統(tǒng)進(jìn)行能源系統(tǒng)供電，使峰電期間的購電量降低為0。同時(shí)，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)段也進(jìn)行了調(diào)整，平緩了并網(wǎng)功率曲線。

在經(jīng)濟(jì)性方面，優(yōu)化前后能源系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用分別是15.8元和4.7元。經(jīng)預(yù)測(cè)控制，建筑系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用降低了70%。

圖4 優(yōu)化前建筑能源系統(tǒng)各部件功率曲線

圖5 優(yōu)化前室溫與電池SOC變化曲線

圖6 優(yōu)化后建筑能源系統(tǒng)各部件功率曲線

圖7 優(yōu)化后室溫與電池SOC變化曲線

4 結(jié)論

本文建立了以光伏空調(diào)為中心的建筑能源系統(tǒng)模型，并使用預(yù)測(cè)控制方法對(duì)建筑能源系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、蓄電池的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，通過本文提出的控制方法，建筑能源系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電、氣溫、電價(jià)等的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可有效優(yōu)化蓄電池的充放電功率、空調(diào)能耗和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了建筑能源系統(tǒng)各子部件的高效聯(lián)動(dòng)，大大降低了以光伏空調(diào)為中心的建筑能源系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。