劉 萌，游大寧，劉航航，高 嵩，程定一

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

近年來，隨著外電入魯規(guī)模持續(xù)擴大、山東省內(nèi)新能源裝機迅猛增長、直調(diào)公用機組供熱面積不斷擴大、核電機組從無到有，山東省電源結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷著一個由量變積累到質(zhì)變的關(guān)鍵時期，多重因素疊加造成常規(guī)火電機組調(diào)峰資源幾近枯竭，一度被迫采取安排大容量火電機組頻繁日內(nèi)啟停、時段性棄風棄光等措施緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力［1-4］。亟須挖掘負荷側(cè)的調(diào)節(jié)潛能，促進風電、光伏等間歇式新能源發(fā)電的消納利用。與此同時，隨著特高壓直流的快速發(fā)展，直流閉鎖故障等引發(fā)的大功率缺失使電網(wǎng)安全穩(wěn)定面臨挑戰(zhàn)，精準柔性負荷控制是保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要手段。

空調(diào)負荷是熱慣性較大的負荷，其運行狀態(tài)可以根據(jù)電網(wǎng)需求進行適當調(diào)整，不會對用戶熱舒適度造成明顯的負面作用?？照{(diào)負荷在負荷中占到很大比例，某些發(fā)達的城市中在夏季峰荷時段能達到總負荷的30%～40%，并且占比逐年提高［5-9］。因此，研究在大功率缺失情況下對空調(diào)參與電網(wǎng)的應(yīng)急響應(yīng)以及正常情況下參與電網(wǎng)調(diào)峰，對于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行意義重大［10-22］。空調(diào)包括中央空調(diào)和分散式兩種類型。樓宇中央空調(diào)一般針對為商業(yè)、政府或者企業(yè)樓宇進行集中供冷（熱），相當于多臺分散式空調(diào)的聚合，具有單個中央空調(diào)負荷功率大、可調(diào)控性能好等優(yōu)點，在并且全部空調(diào)負荷中占有很大比例，因此主要針對中央空調(diào)負荷進行研究。

介紹中央空調(diào)工作的基本原理和空調(diào)室內(nèi)溫度的控制特性，分析了電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急響應(yīng)和用戶對負荷控制的基本要求，在此基礎(chǔ)上，以某樓宇中央空調(diào)為實際案例進行分析，討論中央空調(diào)負荷參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性。

1 中央空調(diào)基本工作原理

1.1 基本工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個組成部分：主機、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如圖1 所示［8-9］。圖中，T為經(jīng)過冷卻塔的冷卻水溫度。以制冷運行狀態(tài)的中央空調(diào)為例進行分析：主機通過制冷壓縮機把冷媒（制冷劑）壓縮成液態(tài)后，將其送至蒸發(fā)器與冷凍水進行熱量交換，降低冷凍水溫度；冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中的冷凍泵將冷凍水送至各房間風機風口的冷卻盤管，風機吹動盤管實現(xiàn)房間與冷凍水之間的熱量交換，達到降溫室內(nèi)溫度的目的；經(jīng)過蒸發(fā)器后的冷媒在冷凝器中與冷卻水進行進一步熱量交換，釋放熱量，變?yōu)闅鈶B(tài)。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻泵將冷卻水送至冷卻塔，由冷卻塔風機對其進行噴淋，實現(xiàn)與大氣之間的熱量交換，把冷卻水中的熱量散發(fā)到大氣。上述各部分過程往復循環(huán)。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)基本原理

1）制冷主機。制冷主機通過壓縮機對冷凍水進行制冷，冷凍水一般制冷到7 ℃左右，是中央空調(diào)系統(tǒng)的冷源，冷凍水由冷凍水泵送入空調(diào)房間。水冷式機組一般包括螺桿機組、離心機組等主機類型。

2）冷凍水泵。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的泵為冷凍水泵，將冷凍水循環(huán)到空調(diào)系統(tǒng)各個末端與各個房間內(nèi)空氣進行熱交換，冷凍水的溫度升高后再循環(huán)回到冷水主機的蒸發(fā)器內(nèi)，放出熱量（吸收冷量），再返回空調(diào)系統(tǒng)末端循環(huán)，不斷的循環(huán)構(gòu)成冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。

3）冷卻水泵。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的泵為冷卻水泵，制冷劑在主機中循環(huán)，在冷凝器里放出熱量，變成氣體，需要通過冷卻水來完成散熱，使其再凝結(jié)為液態(tài)制冷劑。主機所產(chǎn)生的熱量由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)帶走，循環(huán)到冷卻塔把熱量釋放到大空中，再回到冷水機組，不斷地循環(huán)構(gòu)成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

4）冷卻塔。冷卻水泵把吸收了主機熱量的水送到冷卻塔，冷卻塔中有布水管噴頭，其中的水自上而下流動，主要通過自然空氣以及軸流風機帶動空氣加速運動帶走水中的熱量。經(jīng)冷卻塔降溫之后的冷卻水再次循環(huán)回到制冷主機，帶走制冷主機產(chǎn)生的熱量。

5）風機盤管。風機盤管安裝在每個房間內(nèi)，冷凍水經(jīng)過風機盤管與室內(nèi)進行熱量交換，熱量交換后的水再循環(huán)回主機進行制冷（或制熱），不斷循環(huán)以達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。

1.2 房間內(nèi)溫度的控制

圖2 單個空調(diào)室內(nèi)的溫度周期變化特性

各房間的設(shè)定溫度Tset由室內(nèi)人員通過溫度控制器設(shè)定，室內(nèi)溫度周期變化，如圖2 所示。當風機盤管打開時時，室內(nèi)溫度下降，當達到溫度關(guān)閉邊界溫度值Tlow時，空調(diào)控制器關(guān)閉室內(nèi)風機和盤管閥門；當風機盤管閥門關(guān)閉時，室內(nèi)溫度上升，當達到溫度開啟邊界溫度值Thigh時，空調(diào)控制器開啟室內(nèi)風機和盤管閥門。

單個房間內(nèi)溫度變化具有周期特性，中央空調(diào)的功率由負荷多樣性決定，負荷控制可能會單個房間運行狀態(tài)的趨同，引發(fā)中央空調(diào)功率振蕩和功率的“二次沖擊”［10］。

2 對負荷控制的基本要求

2.1 電網(wǎng)對負荷控制的要求

2.1.1 穩(wěn)控切負荷對負荷控制的要求

為保證大功率缺失（如直流閉鎖故障）時電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，安穩(wěn)系統(tǒng)需要快速、可靠地切除相應(yīng)負荷。以山東電網(wǎng)穩(wěn)控切負荷系統(tǒng)為例，其安穩(wěn)系統(tǒng)從判斷直流系統(tǒng)雙極閉鎖至變電站負荷開關(guān)出口跳開，整個過程的動作時間約100 ms。因此，切除負荷快速性和可靠性是負荷控制用于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基本要求。

中央空調(diào)參與穩(wěn)控切負荷控制只能采用直接斷電切除的控制方式。

2.1.2 調(diào)峰對負荷控制的要求

調(diào)峰在調(diào)度過程中保證電力系統(tǒng)功率平衡基礎(chǔ)上，保證調(diào)度過程中發(fā)電成本以及中央空調(diào)的舒適度影響最小。需要建立含中央空調(diào)負荷的源-荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)所有參與電網(wǎng)調(diào)峰中央空調(diào)負荷與機組的優(yōu)化組合。模型中需要計及中央空調(diào)的功率調(diào)整的上下限值、功率調(diào)整速率、中央空調(diào)恢復時間以及中央空調(diào)舒適度等要素。

中央空調(diào)參與調(diào)峰的控制方式可以采用柔性調(diào)節(jié)空調(diào)運行參數(shù)的方式實現(xiàn)。

2.2 空調(diào)用戶對負荷控制的要求

隨著社會的發(fā)展，電力用戶對用電質(zhì)量提出更高要求，不考慮用戶終端用電特性的負荷控制可能對用戶用電舒適度造成明顯的負面影響。其中負荷舒適度是指用戶對供電服務(wù)質(zhì)量的滿意程度，對空調(diào)負荷來講，指對室內(nèi)熱環(huán)境的滿意程度。因此，空調(diào)用戶對負荷控制的要求是：負荷控制的過程中不對用戶的熱舒適度造成明顯的負面作用。空調(diào)室內(nèi)的熱慣性時間常數(shù)較大，短時間的切斷或者改變控制參數(shù)，并不會明顯影響室內(nèi)的溫度，因此以空調(diào)負荷為控制對象具有明顯的優(yōu)勢，但需要建立用戶的終端特性的精確用電模型，對負荷控制過程中對室內(nèi)溫度的變化進行精確考量。

3 中央空調(diào)參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性分析

3.1 中央空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的功率情況

約克、特靈和開利是當前國內(nèi)使用比較廣泛的中央空調(diào)，其單臺主機、冷凍泵、冷卻泵以及各風機的額定功率如表1 所示。中央空調(diào)系統(tǒng)功率消耗較大的設(shè)備均在中央空調(diào)機房內(nèi)，主機功率約占空調(diào)系統(tǒng)總功率消耗的60%～70%，冷凍水泵和冷卻水泵功率總計約占空調(diào)總功率的15%，因此主要分析主機、冷凍水泵和冷卻水泵的可控性。

表1 中央空調(diào)設(shè)備功率 單位：kW

3.2 中央空調(diào)的可控性

3.2.1 斷電直切控制策略

中央空調(diào)正常關(guān)機時，主機逐漸地卸載冷負荷，此過程需要耗費約1～2 min。如果直接斷電切除空調(diào)，冷凍泵和冷卻泵停止工作，冷凍水和冷卻水不再循環(huán)。此時，主機蒸發(fā)器中的液態(tài)冷媒繼續(xù)蒸發(fā)吸熱，可能使蒸發(fā)器中的冷凍水迅速降溫至很低溫度甚至結(jié)冰，對主機產(chǎn)生不良影響。同時，冷凝器中的冷卻水會升溫，可能會超出主機上限報警溫度。因此，對中央空調(diào)的緊急控制應(yīng)該遵循幾條原則：

1）中央空調(diào)的斷電直切控制最好是只切主機，雖然主機未經(jīng)過關(guān)機程序，會對設(shè)備有一定的損害，但在不頻繁啟停機的情況下，基本能夠忽略斷電對主機的損害。同時，主機功率消耗大，可切除的功率量較大，一般為幾百千瓦。

2）冷卻水泵可同時被斷電切除。主機已經(jīng)停止工作的情況下，主機中不會再產(chǎn)生需要冷卻水循環(huán)帶走的熱量，冷卻水的水溫會升高，但不會損害設(shè)備。

綜上所述，主機可以直接切除，冷卻泵可以選擇性切除，冷凍泵最好不要切除。為了滿足快速性要求并防止直接斷電造成的主機卡澀，需要對主機的油泵電機電源進行不間斷電源改造（只需接入另外的不間斷380V 電源），保證主機斷電后油路系統(tǒng)正常工作，油泵不斷電基本可以忽略直接斷電對主機所造成的損壞。

3.2.2 調(diào)整主機運行參數(shù)控制策略

可采用調(diào)節(jié)主機出水溫度的控制方式調(diào)節(jié)主機的功率。以制冷運行狀態(tài)的空調(diào)為例，當下調(diào)出水溫度后，主機會增加出力，快速制冷循環(huán)水。反之，當上調(diào)出水溫度后，主機會減少出力。

3.3 負荷控制對房間內(nèi)熱舒適度的影響及負荷功率高峰的抑制

3.3.1 對房間內(nèi)熱舒適度影響的考量

負荷控制調(diào)整的是中央空調(diào)的有功功率，空調(diào)短時間切斷不會對用戶舒適度造成明顯的負面影響，但實現(xiàn)空調(diào)“不中斷”控制，需要建立空調(diào)室內(nèi)溫度變化與中央空調(diào)功率變化之間的函數(shù)關(guān)系，即建立精確的中央空調(diào)用電模型。在此基礎(chǔ)上，才能準確定量負荷控制對房間內(nèi)舒適度的影響。

3.3.2 負荷功率高峰的抑制

當前負荷控制策略大多會破壞負荷群多樣性，出現(xiàn)負荷運行狀態(tài)的空缺、轉(zhuǎn)移甚至消失，從而導致控制后的空調(diào)負荷群聚合功率出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象和負荷恢復過程中的功率恢復高峰，對系統(tǒng)運行帶來不利影響，須設(shè)計合理的負荷控制策略予以避免。

中央空調(diào)可以通過統(tǒng)一控制主機來消除多樣性破壞所造成的功率振蕩，例如可以通過采用限制主機電流百分比的方式限制主機功率，不會造成功率沖擊［7］。

4 樓宇中央空調(diào)的控制實例分析

4.1 樓宇中央空調(diào)可控性分析

4.1.1 基本情況概述

某樓宇中央空調(diào)機房內(nèi)大功率消耗設(shè)備主要有4 臺主機、5 臺冷凍泵和5 臺冷卻泵，如圖3 所示。各設(shè)備單臺機的功率如表2 所示。夏天用電高峰時，開啟2 臺主機、3 臺冷凍泵和3 臺冷卻泵。每臺主機的工作功率約230 kW。

4.1.2 中央空調(diào)的控制

樓宇中央空調(diào)的主機系統(tǒng)如圖4 所示，可以通過直接在主機配電箱內(nèi)增加斷路器，同時鋪設(shè)光纖傳輸控制信號以控制斷路器的通斷，實現(xiàn)中央空調(diào)主機的切除。另外，可以通過調(diào)節(jié)主機的出水溫度的方式實現(xiàn)主機功率的控制。

表2 中央空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備單臺機功率 單位：kW

圖3 樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)機房

圖4 樓宇中央空調(diào)主機系統(tǒng)

4.1.3 中央空調(diào)改造后的整體構(gòu)架

針對該樓宇中央空調(diào)負荷，搭建了試驗平臺，增加了帶遠方跳閘功能的智能負荷控制終端，如圖5所示。負荷智能終端與中央空調(diào)控制器之間采用Modbus 協(xié)議進行通信，中央空調(diào)開放了通信端口，可實現(xiàn)所有調(diào)整參數(shù)上傳到負荷控制終端。負荷智能控制終端與遠方控制中心之間通過IEC104 規(guī)約進行通信，控制中心可以通過負荷智能控制終端收集所有空調(diào)運行數(shù)據(jù)，并可以下達控制命令。另外，在末端房間內(nèi)增加了溫度測點，可以串口通信的方式遠程傳輸?shù)娇刂浦行?。負荷智能終端帶遠方跳閘功能，可接受控制中心的命令，直接切除中央空調(diào)主機斷路器。

圖5 中央空調(diào)調(diào)度與控制試驗平臺

4.2 中央空調(diào)控制效果分析

4.2.1 參與電網(wǎng)的應(yīng)急響應(yīng)效果分析

試驗過程中，控制中心下發(fā)遙控、遙調(diào)等控制指令至負荷智能控制終端，實現(xiàn)對中央空調(diào)主機斷路器的分合控制，并進一步下達至中央空調(diào)控制面板，實現(xiàn)冷凍水設(shè)定溫度以及主機電流百分比限定值的調(diào)整。通過調(diào)整限制主機電流百分比可限制主機功率，避免對電網(wǎng)造成功率沖擊。試驗過程中，限制主機電流百分比從初始45%開始每5 min 上調(diào)5%，直至95%。中央空調(diào)控制過程中，電流百分比限值、主機功率變化、室內(nèi)溫度變化、冷凍水溫度變化分別如圖6—圖9所示。

圖6 中央空調(diào)主機電流百分比限值

圖7 中央空調(diào)控制過程中主機功率變化

圖8 中央空調(diào)控制過程中室內(nèi)溫度變化

圖9 中央空調(diào)控制過程中冷凍水溫度變化

由圖6—圖9 可以看出，主機斷電直切控制能夠在事故后快速切除負荷，在中央空調(diào)負荷恢復時不會對電網(wǎng)造成功率沖擊。與此同時，負荷控制不會空調(diào)用戶的房間溫度造成明顯的負面影響。

4.2.2 參與電網(wǎng)調(diào)峰效果分析

通過遠程調(diào)節(jié)出水溫度的方式，實現(xiàn)了主機功率的調(diào)整。如圖10所示，出水溫度由7 ℃下調(diào)到6 ℃后，空調(diào)主機功率由300 kW上升為350 kW。出水溫度下調(diào)不會影響末端房間的溫度。

圖10 中央空調(diào)參與調(diào)峰效果

5 結(jié)語

以某樓宇中央空調(diào)為實際案例，討論了中央空調(diào)負荷參與電網(wǎng)調(diào)度與控制的可行性，得出以下結(jié)論：

1）可以通過切除斷路器的方式實現(xiàn)中央空調(diào)主機的直接切除，在油路不斷電的情況下不會損害主機設(shè)備；緊急情況下，中央空調(diào)的冷卻泵也可以類似于主機的形式直接切除；中央空調(diào)的冷凍泵最好不要切除，否則可能損害設(shè)備。

2）可以通過調(diào)整主機出水溫度的方式實現(xiàn)主機功率的調(diào)節(jié)，中央空調(diào)可以通過該方式參與電網(wǎng)的調(diào)峰。

3）可以通過調(diào)整主機限定電流百分比的方式實現(xiàn)負荷恢復過程中的功率限制，避免功率恢復高峰。