潘毅群 王 皙 尹茹昕 黃治鐘 曾 菲 周明春

(1.同濟(jì)大學(xué),上海;2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司,上海;3.美的集團(tuán)樓宇科技研究院,佛山)

0 引言

近年來(lái),全球氣候變化引起的各種問(wèn)題紛至沓來(lái),全球變暖成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)發(fā)布的《2022年全球氣候狀況報(bào)告》,2021年全球溫室氣體濃度達(dá)到歷史最高水平,而2022年仍在持續(xù)上升,使得過(guò)去8年(2015—2022年)成為有記錄以來(lái)最熱的8年[1]。根據(jù)《2022年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》(BP 2022)的數(shù)據(jù),2021年,來(lái)自能源使用、工業(yè)過(guò)程、燃燒和甲烷的碳排放量(以二氧化碳當(dāng)量計(jì))上升5.7%,達(dá)到39.0 Gt,其中能源使用產(chǎn)生的二氧化碳排放量增長(zhǎng)了5.9%,達(dá)到33.9 Gt[2]。為了應(yīng)對(duì)氣候變化,巴黎協(xié)定已經(jīng)提出要將全球平均氣溫上升控制在工業(yè)化前水平的2 ℃以內(nèi),并努力將升溫幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)[3]。中國(guó)也在聯(lián)合國(guó)氣候峰會(huì)上提出了“雙碳”目標(biāo),即2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年完成碳中和。

建筑行業(yè)能耗作為能源消耗的重要組成部分,其對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要影響[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),建筑能耗約占全球最終總能耗的36%,由此產(chǎn)生的碳排放量幾乎占碳排放總量的40%[5]。隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步普及和強(qiáng)化,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)備效率得到了顯著提升,供暖和空調(diào)能耗占比已大幅減小[6],現(xiàn)階段單純提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和設(shè)備能效在建筑節(jié)能減碳中的貢獻(xiàn)度逐漸減弱?？稍偕茉吹睦帽粡V泛認(rèn)可為減少碳排放和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)建筑的重要途徑。根據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布的《2050年凈零:全球能源行業(yè)路線圖》,到2050年,將近90%的電力發(fā)電來(lái)自可再生能源[7],這一趨勢(shì)表明可再生能源在能源產(chǎn)業(yè)中的地位和作用將不斷增強(qiáng)。中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告指出,建筑能源系統(tǒng)要在前期建筑節(jié)能的基礎(chǔ)上改革,即充分利用自身可再生能源并提升建筑電氣化、增加建筑柔性[8]。許多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也表示,在現(xiàn)階段利用可再生能源和對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行能源改造,構(gòu)建電網(wǎng)交互建筑是最具前景的節(jié)能減碳途徑之一[9-11]。國(guó)務(wù)院[12]、國(guó)家發(fā)展改革委[13]、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部[14-15]等國(guó)家機(jī)構(gòu)和部門(mén)在“雙碳”“十四五”規(guī)劃等相關(guān)政府文件中均提及要積極發(fā)展低碳建筑和“新能源+儲(chǔ)能”系統(tǒng)、推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)、提升建筑電氣化等。

構(gòu)建電網(wǎng)交互建筑并確定其合理的協(xié)調(diào)運(yùn)行方案是構(gòu)建低碳建筑的重要途徑之一,相關(guān)政策的提出為電網(wǎng)交互建筑的建立提供了重要支撐,也為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展完善提出了迫切的需求。本文對(duì)電網(wǎng)交互建筑的系統(tǒng)框架和模型構(gòu)建方法進(jìn)行總結(jié)和回顧,探討電力協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化策略,并以一個(gè)小型居住社區(qū)為案例進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化策略研究,最后對(duì)電網(wǎng)交互建筑的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行討論和展望,為推動(dòng)建筑能源可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 電網(wǎng)交互建筑

電網(wǎng)交互建筑利用智能技術(shù)和分布式能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑能源高效利用,通過(guò)協(xié)同優(yōu)化能源成本、電網(wǎng)服務(wù)和居民需求與偏好之間的關(guān)系,提供持續(xù)和綜合的需求靈活性[16]。其系統(tǒng)框架如圖1所示,相較于傳統(tǒng)建筑,電網(wǎng)交互建筑將分布式能源與電網(wǎng)的相互耦合考慮在內(nèi)。通過(guò)綜合利用可再生能源發(fā)電、公共電網(wǎng)供電及儲(chǔ)能設(shè)備等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)最大程度地節(jié)約和優(yōu)化建筑能源使用,減輕電網(wǎng)壓力[17]。同時(shí),由于太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源技術(shù)的引入,電網(wǎng)交互建筑同時(shí)具備了能源消費(fèi)者和能源生產(chǎn)者的雙重角色[18],降低了對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴,促使能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向更清潔、可持續(xù)和低碳狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

美國(guó)能源部(DOE)制定了一項(xiàng)關(guān)于電網(wǎng)交互建筑的國(guó)家路線圖,并總結(jié)了電網(wǎng)交互建筑提供的電網(wǎng)服務(wù),包括效率、削減、轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)和發(fā)電5種模式[19],如圖2所示,這些模式使得建筑能夠靈活適應(yīng)不同情況下的能源管理需求。在效率模式下,建筑采用能源高效設(shè)備和技術(shù)來(lái)降低能源消耗,提高能源利用效率,從而減少建筑能耗。削減模式通過(guò)臨時(shí)減少電力需求來(lái)提供輔助服務(wù),例如在電網(wǎng)緊張時(shí)降低用電量,為電網(wǎng)提供應(yīng)急儲(chǔ)備。轉(zhuǎn)移模式允許建筑在電網(wǎng)需求高峰時(shí)將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時(shí)間段,以降低電網(wǎng)負(fù)荷,減少能源成本。調(diào)節(jié)模式用于輔助服務(wù),建筑可以根據(jù)電網(wǎng)操作者的信號(hào),在短時(shí)間內(nèi)自主平衡有功功率需求或提供無(wú)功功率支持。發(fā)電模式允許建筑自主產(chǎn)生電力供自用,并通過(guò)響應(yīng)電網(wǎng)的信號(hào),將多余的電力注入電網(wǎng),為發(fā)電服務(wù)作出貢獻(xiàn)。隨著智能控制和優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的推廣,電網(wǎng)交互建筑有望在未來(lái)的能源領(lǐng)域扮演更加重要的角色。

2 電網(wǎng)交互建筑模型構(gòu)建

隨著太陽(yáng)能光伏和風(fēng)力發(fā)電等現(xiàn)場(chǎng)可再生能源的廣泛應(yīng)用,建筑可以逐漸實(shí)現(xiàn)電力的自給自足,甚至能將多余的電力賣給電網(wǎng)。然而,可再生能源具有間歇性和不可控性[20-21],隨著可再生能源在電網(wǎng)中的滲透率的增長(zhǎng),建筑電力需求靈活性的提升變得越發(fā)迫切。模型構(gòu)建成為為能源管理提供協(xié)助和解決方案的重要途徑。近年來(lái),許多學(xué)者從不同角度對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。本章將對(duì)電網(wǎng)交互建筑模型建立進(jìn)行討論,模型子系統(tǒng)的建立方法和應(yīng)用總結(jié)如表1[22]所示。

表1 電網(wǎng)交互建筑系統(tǒng)模型構(gòu)建方法[22]

2.1 源側(cè)

電網(wǎng)交互建筑中常見(jiàn)的“源側(cè)”包括市政電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)?？稍偕茉窗l(fā)電(如太陽(yáng)能光伏、風(fēng)力發(fā)電)和熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power,CHP)是建筑領(lǐng)域廣泛采用的2類分布式能源技術(shù)[42]。無(wú)論是只提供電力還是同時(shí)提供電力和熱能,建筑負(fù)荷都可以部分甚至完全由自發(fā)的能源覆蓋,降低對(duì)電網(wǎng)的凈需求,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷覆蓋的靈活性。

一般來(lái)說(shuō),分布式能源系統(tǒng)模型的建立主要有2種方法:基于物理的方法和基于統(tǒng)計(jì)的方法[43]?；谖锢淼姆椒ㄊ墙Y(jié)合光伏板、風(fēng)力渦輪機(jī)、CHP機(jī)組等的性能參數(shù)和天氣參數(shù)等數(shù)據(jù),依據(jù)機(jī)組的發(fā)電和產(chǎn)熱原理建立模型。這種簡(jiǎn)化模型不需要大量的歷史數(shù)據(jù),也較為簡(jiǎn)單,但是其準(zhǔn)確性極大地取決于設(shè)備廠家提供的設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確性和天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性?；诮y(tǒng)計(jì)的方法是指對(duì)機(jī)組發(fā)電產(chǎn)熱的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,找出其內(nèi)在規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,許多學(xué)者引入各種算法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立能源出力預(yù)測(cè)模型。雖然這類基于統(tǒng)計(jì)的方法在預(yù)測(cè)時(shí)采用的算法各不相同,但其輸入?yún)?shù)通常包含天氣數(shù)據(jù)和機(jī)組發(fā)電產(chǎn)熱歷史數(shù)據(jù)。與基于物理的方法相比,基于統(tǒng)計(jì)的方法通常能有更高的準(zhǔn)確性[28],但毫無(wú)疑問(wèn)其需要較為龐大的歷史數(shù)據(jù)。

可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致供需不平衡問(wèn)題,此時(shí)電網(wǎng)則發(fā)揮了重要作用。在許多電力和建筑交互的研究中,電網(wǎng)扮演了商家的角色,這意味著建筑物可以從電網(wǎng)購(gòu)買或銷售電力。因此,許多學(xué)者更加關(guān)注電力價(jià)格和電力供應(yīng)等因素[22],并將其與電池和建筑負(fù)荷等子系統(tǒng)的能量平衡模型結(jié)合起來(lái)。還有一些研究強(qiáng)調(diào)建筑物與電網(wǎng)互動(dòng)的友好性[44],即減少電網(wǎng)和建筑物之間的波動(dòng),從而緩解電力平衡方面的壓力。這種友好互動(dòng)通常以建筑物與電網(wǎng)之間的能量交換作為評(píng)估指標(biāo),通過(guò)優(yōu)化電力交易策略和能量平衡模型,使得建筑物更好地應(yīng)對(duì)電力供需的波動(dòng)。

2.2 儲(chǔ)能側(cè)

在平衡電力系統(tǒng)和可再生能源方面,能源儲(chǔ)存對(duì)建筑能源調(diào)度的靈活性和可靠性至關(guān)重要[45]。電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能是建筑中能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的2種主要形式。受到存儲(chǔ)難度和容量成本的限制,電儲(chǔ)能適用于具有高時(shí)效性需求的短期能源儲(chǔ)存(例如幾小時(shí)或幾天),而熱儲(chǔ)能適用于大容量和長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存(例如幾個(gè)月或幾個(gè)季節(jié)),其靈活性更高,并且能夠提供更好的熱舒適性[44]。

在建筑能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中,電儲(chǔ)能形式涉及復(fù)雜的化學(xué)變化,在模型建立時(shí)通常需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。一般采用基于能量平衡原理的方法來(lái)處理電儲(chǔ)能系統(tǒng)[25,31],即將電池的內(nèi)部?jī)?chǔ)存電量與各個(gè)時(shí)刻充放電量的累積量建立等式,從而清晰地描述電儲(chǔ)能的運(yùn)行狀態(tài)和能量?jī)?chǔ)存情況,為系統(tǒng)優(yōu)化和能量管理提供基礎(chǔ)。除了靜態(tài)的電儲(chǔ)能系統(tǒng),一些研究將電動(dòng)汽車(EVs)視為移動(dòng)能源儲(chǔ)存設(shè)備[46-48],從空間上擴(kuò)展了能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的范圍,實(shí)現(xiàn)了在不同建筑之間進(jìn)行能量交換和共享。與電儲(chǔ)能類似,熱儲(chǔ)能模型在構(gòu)建時(shí)也會(huì)更關(guān)注熱量的輸入和輸出,一般也是基于能量平衡原理建立模型。以蓄冷水池為例,將當(dāng)前蓄冷水池的蓄能量建模為前一時(shí)刻水池的蓄能量與當(dāng)前時(shí)刻蓄能和釋能之和,從而描述蓄冷水池的熱能儲(chǔ)存和釋放過(guò)程[32-33]。此外,一些研究探討了將建筑本身視為一種熱儲(chǔ)能形式的可能性[49-51],利用建筑的熱慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)對(duì)建筑能源消耗能力的調(diào)整,提高能源系統(tǒng)的適應(yīng)性和響應(yīng)性。

2.3 負(fù)荷側(cè)

準(zhǔn)確的建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)模型是建筑能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和建筑電網(wǎng)集成的關(guān)鍵[52]。對(duì)于建筑及園區(qū)而言,其負(fù)荷主要包括冷負(fù)荷、熱負(fù)荷,以及燈光、插座等的電負(fù)荷,而其預(yù)測(cè)模型通常有3種:白箱模型、黑箱模型和灰箱模型。

白箱模型是指利用熱量和質(zhì)量方程所建立的建筑能量模型。目前已有許多較為成熟的軟件可以方便和快捷地求解這些方程以獲得負(fù)荷和能耗數(shù)據(jù),如EnergyPlus、Dymola、TRNSYS、DeST等[31,53],其優(yōu)點(diǎn)在于其具有較強(qiáng)的解釋性,但是輸入所有詳細(xì)的建筑參數(shù)往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。黑箱模型通常是指使用歷史數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建模型,其無(wú)需建筑的詳細(xì)物理信息,而是根據(jù)歷史數(shù)據(jù),從數(shù)學(xué)上找到其輸入和輸出之間的復(fù)雜關(guān)系。其中,常見(jiàn)的輸入?yún)?shù)為氣象參數(shù)、建筑物理參數(shù)、時(shí)間序列特征等,而輸出參數(shù)一般是冷負(fù)荷、熱負(fù)荷或者是電能消耗量[54]。近年來(lái),由于計(jì)量設(shè)備的快速發(fā)展,建筑能耗變得更加容易獲取,因此也推動(dòng)了黑箱模型的使用[35],許多機(jī)器學(xué)習(xí)算法被引入到能源模型的構(gòu)建中,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[36]、支持向量機(jī)(SVM)[37]、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)[38]、分布式梯度增強(qiáng)庫(kù)(XGBoost)[39]等。與白箱模型相比,黑箱模型雖然開(kāi)發(fā)過(guò)程更為簡(jiǎn)單,但其模型泛化能力較差,通常需要大量的歷史數(shù)據(jù)。灰箱模型介于白箱模型和黑箱模型之間,使用簡(jiǎn)化的物理模型和易于獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬求得能耗需求。電容電阻(RC)模型是最常見(jiàn)的灰箱模型。Bay等人采用3R2C模型來(lái)建立目標(biāo)建筑物的熱性能模型[40],而Dong等人則采用了2R1C模型[41]?；蚁淠Ｐ驮诎紫淠Ｐ秃秃谙淠Ｐ椭g進(jìn)行一定的取舍,所以當(dāng)其他2個(gè)模型所需的信息不足時(shí),灰箱模型可能會(huì)是更好的選擇。

3 電力協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化策略

3.1 需求響應(yīng)策略

建筑需求響應(yīng)(demand response,DR)是指在電力價(jià)格變化或面臨高批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格或電力系統(tǒng)可靠性受到威脅時(shí),需求側(cè)根據(jù)激勵(lì)或電力價(jià)格的變化,從其正常的電力消耗模式中調(diào)整電力使用的行為[55]。其主要目標(biāo)是將部分高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低峰時(shí)段,從而在短期內(nèi)解決供需平衡問(wèn)題,與此同時(shí)DR執(zhí)行者和DR參與者都可以獲得利益或補(bǔ)償。根據(jù)德國(guó)航空航天中心對(duì)30種不同的DR計(jì)劃進(jìn)行的深入分析[56],歐洲的理論最小靈活性能力約為61 GW的負(fù)荷減少和68 GW的負(fù)荷增加,凸顯了DR在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)靈活性的重要性。尤其對(duì)于存在高比例的間歇性可再生能源的智能電網(wǎng),通過(guò)調(diào)整需求以匹配資源的波動(dòng)性,可以大大減少棄電并增加可再生能源的整體份額[20]。

需求響應(yīng)策略主要分為2種類型:基于價(jià)格和基于激勵(lì)[20,42,44],其響應(yīng)方式和特點(diǎn)如表2所示?；趦r(jià)格的需求響應(yīng)策略是指用戶根據(jù)電力動(dòng)態(tài)價(jià)格,包括分時(shí)電價(jià)、尖峰電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)等[42],調(diào)整其能源使用行為,適用于住宅、工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域[44]。這些策略的主要特點(diǎn)是電力價(jià)格與時(shí)間和電力消費(fèi)相關(guān)聯(lián),從而激勵(lì)用戶在不同電價(jià)時(shí)段進(jìn)行用電行為的調(diào)整。基于激勵(lì)的需求響應(yīng)策略主要控制負(fù)荷,包括直接負(fù)荷控制和可中斷/可切斷負(fù)荷控制等,其主要適用于商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域,很少應(yīng)用于居住區(qū)[44]。激勵(lì)型DR策略強(qiáng)調(diào)客戶功率負(fù)荷調(diào)整的速度,并相應(yīng)地調(diào)節(jié)參與者的獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰。不同激勵(lì)型計(jì)劃之間存在差異,涉及用戶的合同簽署、負(fù)荷減少是否自愿及是否受到懲罰等方面,避免懲罰的心理將促使用戶積極回應(yīng)并減少自己的電力需求[42]。

3.2 能量管理策略

電網(wǎng)交互建筑的協(xié)調(diào)調(diào)度策略實(shí)際上是確定各部件系統(tǒng)之間的能量流,即確定一種能量管理策略,而常見(jiàn)的能量管理策略主要包括基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略[57],如表3所示。

表3 能量管理策略

3.2.1基于規(guī)則的能量管理策略

基于規(guī)則的能量管理策略是指根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)其能量流動(dòng)形式和流向,遵循“如果初始條件,那么執(zhí)行動(dòng)作”的預(yù)設(shè)規(guī)則[71]。規(guī)則可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值研究控制輸出(例如負(fù)荷減少)和控制變量(例如區(qū)域溫度)之間的關(guān)系而預(yù)先定義?？傮w而言,基于規(guī)則的能源管理策略因其簡(jiǎn)單高效而在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用,由于不涉及復(fù)雜的計(jì)算和優(yōu)化過(guò)程,其可以快速作出響應(yīng),并實(shí)時(shí)調(diào)整能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。但是,受限于其自身“規(guī)則”,這類方法很難應(yīng)用于復(fù)雜的分布式能源系統(tǒng)[63]。

3.2.2基于優(yōu)化的能量管理策略

電網(wǎng)交互建筑調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)具有大量約束和變量的非線性問(wèn)題,而基于優(yōu)化的能量管理策略則能將該問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)形式,再選擇合適的優(yōu)化算法求解。近年來(lái),大量技術(shù)已應(yīng)用于該領(lǐng)域,一般可分為以下幾類:傳統(tǒng)技術(shù)、啟發(fā)式算法、模型預(yù)測(cè)控制等[72]。

1) 傳統(tǒng)技術(shù)。

傳統(tǒng)技術(shù)是指利用基于確定性算法的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù),其解決方案通常是使用商業(yè)求解器獲得的。在電網(wǎng)交互建筑協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題中可用傳統(tǒng)技術(shù)解決的常見(jiàn)優(yōu)化問(wèn)題包括線性規(guī)劃、混合整數(shù)線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃及求解不確定優(yōu)化的隨機(jī)優(yōu)化等[61-62]。此類傳統(tǒng)技術(shù)可以利用優(yōu)化問(wèn)題的解析性質(zhì)收斂到全局最優(yōu)解,但是,當(dāng)其用于求解復(fù)雜系統(tǒng)或解決大規(guī)模時(shí)間尺度優(yōu)化問(wèn)題時(shí),確定性優(yōu)化方法將導(dǎo)致較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和較高的計(jì)算成本。

2) 啟發(fā)式算法和元啟發(fā)式算法。

啟發(fā)式算法是指使用容易獲取的信息來(lái)解決人和機(jī)器的問(wèn)題,從而在允許的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)獲得足夠好的結(jié)果的策略,而元啟發(fā)式算法從屬于啟發(fā)式算法,通常使用亂數(shù)搜尋技巧,可以更廣泛地應(yīng)用到函數(shù)優(yōu)化中[73]。在研究電網(wǎng)交互建筑協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題中較為常見(jiàn)的該類算法包括粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法及其改進(jìn)算法等[65-66]。這類算法可以在可接受的時(shí)間內(nèi)給出所優(yōu)化問(wèn)題的解,但是該類算法所求的結(jié)果不一定是全局最優(yōu)解,而可能是局部最優(yōu)解[74]。

3) 模型預(yù)測(cè)控制。

近年來(lái),模型預(yù)測(cè)控制(model predict control,MPC)也被廣泛應(yīng)用于建筑環(huán)境控制和建筑能源管理領(lǐng)域[75]。MPC是一種約束控制方法,它能夠預(yù)測(cè)受控系統(tǒng)的未來(lái)行為,并通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定適當(dāng)?shù)目刂菩袨?以比較不同控制策略并選擇最佳策略[76]。MPC在每次迭代時(shí),僅執(zhí)行控制策略的第一步,并在下一個(gè)時(shí)刻再次進(jìn)行優(yōu)化來(lái)增強(qiáng)其魯棒性和控制精度[77]。其優(yōu)勢(shì)在于它能夠考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)未來(lái)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè),從而能更準(zhǔn)確地響應(yīng)系統(tǒng)的需求和變化。此外,MPC適用于復(fù)雜系統(tǒng),能夠處理多變量和多個(gè)約束條件,為建筑環(huán)境控制和能源管理提供更靈活的控制策略。但同時(shí)MPC計(jì)算復(fù)雜性較高,需要大量計(jì)算資源和時(shí)間,因此在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到限制。此外,在實(shí)際應(yīng)用中,預(yù)測(cè)誤差可能會(huì)導(dǎo)致控制的不穩(wěn)定性,因此需要謹(jǐn)慎處理預(yù)測(cè)誤差的影響,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

3.3 調(diào)度策略

在電網(wǎng)交互建筑的調(diào)度中,需要合理地安排建筑能量的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和消費(fèi),以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和供需平衡。這涉及到多個(gè)建筑之間的協(xié)同調(diào)度和優(yōu)化,并且影響到整個(gè)能源系統(tǒng)的高效運(yùn)行。電網(wǎng)交互建筑的調(diào)度策略可以分為集中式和分布式2種,如表4所示。

表4 調(diào)度策略對(duì)比

3.3.1集中式調(diào)度

集中式調(diào)度是指通過(guò)一個(gè)中心控制器或優(yōu)化器來(lái)協(xié)調(diào)和管理所有建筑的能量調(diào)度。在集中式調(diào)度中,所有建筑的能量需求、能源產(chǎn)生和儲(chǔ)存等信息都匯總到一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合優(yōu)化和決策。這種方法可以全局性地考慮所有建筑的能源互補(bǔ)和協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)整體性能的最優(yōu)化。集中式調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠通過(guò)全局優(yōu)化實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)效率,尤其在面對(duì)大規(guī)模建筑群的復(fù)雜調(diào)度問(wèn)題時(shí),集中式調(diào)度能夠顯著提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性[85]。然而,集中式調(diào)度也存在一些局限性[86]。首先,集中式調(diào)度需要大量的信息交互和計(jì)算資源。所有建筑的信息都需要傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn),這將帶來(lái)大量的通信負(fù)擔(dān),尤其當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或通信中斷時(shí),整個(gè)能量管理系統(tǒng)可能會(huì)受到影響。同時(shí),由于集中式調(diào)度需要全局信息,可能會(huì)引發(fā)隱私和安全方面的顧慮,特別是涉及用戶個(gè)人信息和能源數(shù)據(jù)的情況[87]。

3.3.2分布式調(diào)度

在分布式調(diào)度中,每個(gè)建筑擁有一定程度的自治權(quán)和決策能力[83],能夠根據(jù)自身的需求和能源情況作出獨(dú)立的調(diào)度決策,無(wú)需依賴中心控制器。這使得分布式調(diào)度具有較高的靈活性和實(shí)時(shí)性,每個(gè)建筑可以根據(jù)實(shí)際情況作出快速?zèng)Q策,適應(yīng)能源需求的變化和不確定性。此外,分布式調(diào)度在數(shù)據(jù)隱私和安全性方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。每個(gè)建筑只需要共享必要的信息和數(shù)據(jù),而不必向中心節(jié)點(diǎn)披露所有細(xì)節(jié),因此可以減少敏感信息的傳輸和暴露的風(fēng)險(xiǎn)[88]。然而,分布式調(diào)度也面臨一些挑戰(zhàn)。首先,分布式調(diào)度相比集中式調(diào)度而言,需要進(jìn)行反復(fù)迭代求解,計(jì)算量較大,尤其是在建筑數(shù)量眾多、系統(tǒng)規(guī)模龐大的情況下,計(jì)算復(fù)雜度會(huì)顯著增加[87]。如果迭代次數(shù)很多甚至不收斂,還會(huì)對(duì)算法的穩(wěn)定性造成影響,不利于調(diào)度的實(shí)現(xiàn)[81]。其次,由于分布式調(diào)度需要建筑之間進(jìn)行信息交換和協(xié)調(diào),通信量較大,特別是在實(shí)時(shí)調(diào)度和快速響應(yīng)的情況下,通信負(fù)擔(dān)會(huì)更加顯著。高負(fù)載的通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)導(dǎo)致通信延遲,影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,從而影響能源調(diào)度的效果。

4 案例研究

4.1 案例概況

本文針對(duì)上海市一個(gè)小型居住社區(qū)進(jìn)行案例研究,該園區(qū)共含3種類型建筑:多層居住建筑(1#建筑)、雙層小別墅(2#建筑)和超市(3#建筑)?？紤]建筑的功能區(qū)劃分和工作日與非工作日的差異,參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[89-90]設(shè)定了不同的建筑參數(shù)和運(yùn)行狀況,如表5所示。采用EnergyPlus軟件模擬計(jì)算得到該園區(qū)全年8 760 h的逐時(shí)冷熱負(fù)荷,如圖3所示,全年最大冷負(fù)荷為453.27 kW,最大熱負(fù)荷為221.44 kW。

表5 園區(qū)建筑參數(shù)

圖3 全年逐時(shí)冷/熱負(fù)荷

園區(qū)建筑能源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,包含供電單元、電儲(chǔ)能設(shè)備、熱儲(chǔ)能設(shè)備和制冷供暖設(shè)備等,可以滿足園區(qū)內(nèi)建筑的冷、熱、電負(fù)荷需求。供電單元包括市政電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng),其中,市政電網(wǎng)系統(tǒng)采用峰平谷“三部制”分時(shí)電價(jià),各電價(jià)時(shí)間分布如表6所示[91];假設(shè)該園區(qū)所有建筑屋頂面積的70%鋪設(shè)有光伏板,鋪設(shè)總面積為1 600 m2,光伏鋪設(shè)時(shí)傾角為25°,光伏板轉(zhuǎn)換效率為15%,溫度系數(shù)α為0.005 ℃-1,光伏發(fā)電系統(tǒng)可發(fā)電供給該園區(qū)使用,也可向電網(wǎng)售賣多余電量以獲取利益。根據(jù)上海市燃煤發(fā)電基準(zhǔn)價(jià)(0.415 5元/(kW·h))[92]和光伏發(fā)電上網(wǎng)項(xiàng)目補(bǔ)貼價(jià)格(0.05元/kW)[93],本文設(shè)定該園區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)為0.465 5元/(kW·h)。電儲(chǔ)能設(shè)備采用蓄電池裝置,可存儲(chǔ)來(lái)自光伏發(fā)電的多余電能,并可向負(fù)荷側(cè)供電。熱儲(chǔ)能設(shè)備為蓄冰槽,該裝置與雙工況機(jī)組聯(lián)合作用,利用冰的潛熱儲(chǔ)存冷量并適時(shí)滿足冷負(fù)荷需求。制冷供暖設(shè)備包含雙工況機(jī)組、空氣源熱泵及其配套風(fēng)機(jī)、水泵、冷卻塔等設(shè)備,滿足各個(gè)季節(jié)的冷熱負(fù)荷需求。

表6 三部制電價(jià)

4.2 優(yōu)化目標(biāo)

在案例研究中分別以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和碳排放最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度。在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的調(diào)度中,優(yōu)化目標(biāo)是最小化園區(qū)電力調(diào)度總費(fèi)用,其主要包括購(gòu)電成本和售電獲益兩部分。其中,購(gòu)電成本代表園區(qū)在調(diào)度時(shí)間內(nèi)購(gòu)買電力所需支付的費(fèi)用,而售電獲益表示園區(qū)通過(guò)售出多余電力而獲得的收益。在碳排放最優(yōu)的調(diào)度中,優(yōu)化目標(biāo)是使調(diào)度周期內(nèi)的碳排放量最少。由于在案例中僅涉及電能的消耗,并且假設(shè)光伏發(fā)電不產(chǎn)生碳排放,因此碳排放最優(yōu)意味著最小化向電網(wǎng)購(gòu)買電力的數(shù)量。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(1)和式(2)所示。

經(jīng)濟(jì)性最優(yōu):

(1)

碳排放最優(yōu):

(2)

式(1)、(2)中Cb(i)、Cs(i)分別為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下向電網(wǎng)買電和向電網(wǎng)賣電價(jià)格;Pg,b(i)、Pg,s(i)分別為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)向電網(wǎng)買電和向電網(wǎng)賣電的電量;F為電力碳排放因子。

滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化(receding-horizon optimization,RHO)是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)交互建筑協(xié)調(diào)調(diào)度中新能源和負(fù)荷不確定性的方法之一[94]。在本案例中將采用滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化的方法,以集中式調(diào)度的方式在典型日的基礎(chǔ)上分析多日之間相互協(xié)作的可能性,以期達(dá)成更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的共贏。

4.3 調(diào)度優(yōu)化策略結(jié)果分析

4.3.1經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)

經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)條件下各典型日的電力調(diào)度如圖5所示。在制冷季的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度中,蓄冰槽首先在電價(jià)峰值時(shí)段承擔(dān)冷負(fù)荷,在電價(jià)平值時(shí)段輔助其他制冷主機(jī)滿足冷負(fù)荷需求。同時(shí),蓄電池僅在電價(jià)峰值和平值時(shí)段放電,以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性。此外,在制冷季工作日、過(guò)渡季工作日和過(guò)渡季周末,通過(guò)光伏發(fā)電、蓄電池及蓄冰槽的協(xié)調(diào)配合,能夠滿足典型日電價(jià)峰值和平值時(shí)段的電負(fù)荷需求。然而,在制冷季周末、供暖季工作日和供暖季周末,無(wú)法僅僅依賴光伏發(fā)電量和蓄電池的協(xié)調(diào)來(lái)滿足當(dāng)日所有電價(jià)峰值和平值時(shí)段的負(fù)荷需求,因此需要電網(wǎng)來(lái)分擔(dān)部分負(fù)荷。

圖5 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)電力調(diào)度

此外,本文還對(duì)滾動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行了探討,通過(guò)調(diào)整滾動(dòng)優(yōu)化中的預(yù)測(cè)域時(shí)間,更改其預(yù)測(cè)域長(zhǎng)度(包括24、48、72 h),從而針對(duì)每個(gè)季節(jié)的工作日和周末單日的運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究發(fā)現(xiàn),在制冷季的周四至周日將預(yù)測(cè)域調(diào)整為72 h的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化,能夠增強(qiáng)工作日和周末之間的協(xié)同配合,從而顯著提高調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。而對(duì)于其他情況,選擇預(yù)測(cè)域時(shí)間為24 h的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化即可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.3.2碳排放最優(yōu)

碳排放最優(yōu)條件下各典型日的電力調(diào)度如圖6所示。在碳排放最優(yōu)調(diào)度中,其調(diào)度優(yōu)化結(jié)果是以下兩部分的綜合作用:首先,從源頭上減小整體電負(fù)荷,即在滿足冷負(fù)荷的基礎(chǔ)上盡可能減少冷水機(jī)組耗電;其次,盡可能就地消納光伏發(fā)電量,因?yàn)楣夥l(fā)電量進(jìn)出電池會(huì)產(chǎn)生能量損耗。在涉及熱儲(chǔ)能的制冷季中,其優(yōu)化調(diào)度更為復(fù)雜,并且更關(guān)注如何從源頭減少整體電負(fù)荷及如何最大限度地就地消納光伏發(fā)電量。因此,在制冷季的調(diào)度中,一方面需要選擇與冷負(fù)荷更匹配且綜合性能系數(shù)更高的機(jī)組組合來(lái)承擔(dān)冷負(fù)荷,另一方面要選擇在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段啟動(dòng)雙工況機(jī)組的制冰模式,及時(shí)消耗光伏發(fā)電量并將其轉(zhuǎn)化為冷量進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖6 碳排放最優(yōu)電力調(diào)度

由于碳排放最優(yōu)調(diào)度不需要考慮向電網(wǎng)賣電的情況,因此一旦光伏發(fā)電板有多余電量,就會(huì)將其儲(chǔ)存到電池中,然后在后續(xù)需要時(shí)釋放出來(lái)。在制冷季和供暖季,其整日發(fā)電量始終小于整日能耗,一日結(jié)束時(shí)蓄電池的電量也會(huì)完全消耗。而在過(guò)渡季,其單日光伏發(fā)電總量大于電負(fù)荷,所以對(duì)于任何蓄電池有余電且光伏板發(fā)電量小于此刻電負(fù)荷的情況都將由蓄電池承擔(dān)電負(fù)荷。因此,在碳排放最優(yōu)調(diào)度中,選擇預(yù)測(cè)域時(shí)間為24 h的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化即可。

4.3.3調(diào)度結(jié)果對(duì)比

各個(gè)典型日下經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和碳排放最優(yōu)調(diào)度方案下的費(fèi)用支出和所產(chǎn)生的碳排放量如表7所示。在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度中,由于考慮了電力價(jià)格因素,蓄電池放電通常會(huì)選擇在電價(jià)峰值或平值時(shí)段進(jìn)行。相比之下,在碳排放最優(yōu)調(diào)度中,蓄電池放電情況是基于電負(fù)荷的預(yù)測(cè)值,應(yīng)綜合考慮哪幾個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下電負(fù)荷的總和與蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存電量的差異最小。而對(duì)于供暖季周末這種任何時(shí)刻其光伏發(fā)電量均小于電負(fù)荷的情況,則碳排放最優(yōu)調(diào)度結(jié)果與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度結(jié)果一致。

表7 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)與碳排放最優(yōu)調(diào)度結(jié)果比較

5 討論與展望

5.1 多能源互補(bǔ)與協(xié)同優(yōu)化

多能源互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)不同能源形式之間的資源優(yōu)化配置和協(xié)同利用,并將各個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)度和運(yùn)行納入整體考慮,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)化。然而,多能源互補(bǔ)與協(xié)同優(yōu)化也面臨著一系列挑戰(zhàn)。首先,多能源互補(bǔ)涉及到多個(gè)能源形式的集成和協(xié)調(diào),需要解決不同能源之間的時(shí)空耦合和不確定性問(wèn)題[95]。在實(shí)際應(yīng)用中,如何準(zhǔn)確地確定不同能源之間的互補(bǔ)關(guān)系,以及如何在不同時(shí)間尺度上進(jìn)行協(xié)同調(diào)度,仍需深入研究并且實(shí)踐。其次,協(xié)同優(yōu)化涉及到多個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和決策,面臨著復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題[96]。如何建立合適的優(yōu)化模型,考慮不同子系統(tǒng)的約束和耦合關(guān)系,以及設(shè)計(jì)高效的優(yōu)化算法,還需要進(jìn)一步的探索。因此,為了有效實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)與協(xié)同優(yōu)化,需要采用跨學(xué)科方法,結(jié)合能源系統(tǒng)工程、優(yōu)化方法、博弈論等理論和方法,并且進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探索多能源之間的協(xié)同機(jī)制和優(yōu)化策略。

5.2 多個(gè)利益主體之間的博弈

隨著能源轉(zhuǎn)型和智能電網(wǎng)的發(fā)展,電網(wǎng)交互建筑涉及到多個(gè)主體之間的博弈,建筑業(yè)主、能源供應(yīng)商、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商等利益主體之間的利益關(guān)系變得更加復(fù)雜[97]。在這樣的多利益主體博弈背景下,如何實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置、維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性及保障各方利益是一個(gè)需要深入探討的問(wèn)題。靈活的電價(jià)政策和獎(jiǎng)懲機(jī)制可以激勵(lì)建筑業(yè)主在高峰時(shí)段減少能源消耗,緩解電網(wǎng)負(fù)荷壓力。然而,制定經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制時(shí)需要考慮不同利益主體的需求和目標(biāo),確保激勵(lì)政策平衡各方利益,避免出現(xiàn)偏向某一方的情況。同時(shí),多利益主體之間的協(xié)作與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系也需要進(jìn)一步考慮,建筑之間可以通過(guò)能源交換和協(xié)同調(diào)度實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ),提高能源利用效率,但也可能出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致合作難度增加。因此,如何建立合理的合作與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,對(duì)實(shí)現(xiàn)多方利益的均衡和最大化至關(guān)重要。

5.3 能源政策和市場(chǎng)機(jī)制

能源政策和市場(chǎng)機(jī)制是綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵影響因素。建立健全的能源市場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段,差異化的電價(jià)政策、能源交易平臺(tái)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制都是推動(dòng)能源市場(chǎng)健康運(yùn)行的關(guān)鍵因素[98],因此需要建立開(kāi)放的能源市場(chǎng),為新能源技術(shù)和綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用提供更廣闊的發(fā)展空間。同時(shí),相關(guān)部門(mén)對(duì)能源政策的穩(wěn)定性和可持續(xù)性的關(guān)注,將為企業(yè)和投資者提供一個(gè)可預(yù)見(jiàn)的政策環(huán)境,從而促進(jìn)能源市場(chǎng)的健康發(fā)展。能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間可以更加靈活地進(jìn)行資源交換和能源協(xié)同優(yōu)化,提高能源的綜合效率和運(yùn)營(yíng)靈活性。因此未來(lái)需要進(jìn)一步探索更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性和透明度的市場(chǎng)設(shè)計(jì),為不同能源形式的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和消費(fèi)提供更公平、高效的交易平臺(tái),加強(qiáng)能源政策和市場(chǎng)機(jī)制的協(xié)同配合,形成更加有力的政策措施和市場(chǎng)推動(dòng),推進(jìn)綜合能源系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)論

本文回顧了電網(wǎng)交互建筑的系統(tǒng)框架和模型構(gòu)建方法,對(duì)電力協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化策略進(jìn)行探討,并以一個(gè)小型居住社區(qū)為案例進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化策略研究,總結(jié)如下:

1) 電網(wǎng)交互建筑通過(guò)建筑與電網(wǎng)之間的互動(dòng)和協(xié)作,為建筑提供了效率、削減、轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)和發(fā)電5種模式的電網(wǎng)服務(wù)。這使得建筑能夠靈活適應(yīng)不同情況下的能源管理需求,為電力系統(tǒng)的平衡運(yùn)行提供了有效手段。

2) 電網(wǎng)交互建筑系統(tǒng)框架包含了分布式能源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)、市政電網(wǎng)等多個(gè)子系統(tǒng),它們相互耦合構(gòu)成了電網(wǎng)交互建筑模型,通過(guò)綜合考慮各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)調(diào)度和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)建筑能源的高效利用和供需平衡。

3) 需求響應(yīng)策略可以調(diào)整用戶用電行為,降低能源成本;能量管理策略通過(guò)規(guī)則或優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)利用;調(diào)度策略可以協(xié)助分配建筑間的能源資源,優(yōu)化整體能源效率。綜合運(yùn)用這些策略,電網(wǎng)交互建筑能夠靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電力系統(tǒng)運(yùn)行情況,促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4) 在電網(wǎng)交互建筑的未來(lái)發(fā)展中,需要深入探討多能源互補(bǔ)與協(xié)同優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)各種能源形式的互補(bǔ)利用,并解決多個(gè)利益主體之間的博弈,實(shí)現(xiàn)共贏。科學(xué)制定能源政策和市場(chǎng)機(jī)制也是至關(guān)重要的,從而為電網(wǎng)交互建筑的推廣和應(yīng)用提供有力支持。這些因素的綜合考慮將為電網(wǎng)交互建筑的普及和推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),同時(shí)也為清潔能源的可持續(xù)利用和建筑能源的高效管理提供支持。