论文总字数：18929字

摘 要

伴随着我国城镇化进程的推进以及极端气候的频繁显现，空调负荷的持续、快速上涨将成为可预见到的长期趋势。每到炎夏或寒冬季节，年度利用率不够高的建筑空调系统将会集中启动，这消耗了大量的电能，将会加剧电网负荷峰谷差。需求侧响应技术可以有效的结局这样的问题。针对以上问题，本文主要对以下两个方面进行了研究：
1. 建立聚空调负荷数学模型，并找到和分析温度调节所影响的需求侧响应特性，本文将不仅考虑了定频空调的情况，还在聚空调负荷中添加了一定变频空调因素。
2. 通过使用matlab，建立聚合空调负荷调度模型，并通过算例仿真检验。

关键字：空调负荷、需求侧响应、负荷削减

Abstract

As the Urbanization in our country, and the extreme climate events occurring more frequently, it is a foreseeable long term trend that air conditioning load is rising continuously and quickly. Every summer and winter, the air condition systems of low utilization will work together, therefore, it cost a great amount of energy, compounding the peak-valley difference of the grid. It is the demand side response that can solve the above problems. In view of the above problems, this paper focuses on the following two aspects:

1. Model the poly conditioning load, and find the characteristics of the demand side response and do the analyzing. In this paper, it will also contain the inverter conditions in the air conditioning load.
2. Present the scheduling model for the poly conditioning load, and do the simulation in the Matlab.

目录

摘要 2

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.2研究现状 5

1.2.1电力需求侧响应简述 5

1.2.2空调负荷电力需求侧响应 7

1.3 本文所做的工作 8

第二章 空调的模型构建 9

2.1 空调概述与空调的热交换模型 9

2.1.1空调简介 9

2.1.2空调的分类 10

2.1.3定频与变频 11

2.1.4空调的热交换模型 12

2.2 定频空调数学模型 12

2.3 变频空调数学模型 13

2.4本章总结 15

第三章 空调负荷温度响应影响的分析 15

3.1 温度调节对定频空调负荷影响的分析 15

3.1.1空调系统温度调节基本理论 15

3.1.2算例分析 16

3.2 温度调节对变频空调负荷影响的分析 18

3.2.1变频空调与定频空调温度响应差异 18

3.2.2算例分析 18

3.3本章总结 20

第四章 聚合空调负荷调度模型 21

4.1聚合空调负荷的温度响应特性 21

4.1.1聚合定频空调负荷的随机控制温度响应 21

4.1.2聚合定频空调负荷的状态队列法轮控温度响应 23

4.1.3聚合变频空调负荷温度响应 26

4.2聚合空调负荷调度模型的建立 26

4.3聚合空调负荷调度模型 28

4.4具体算例 29

4.5基于算例的具体分析 30

4.6本章总结 32

第五章 总结 33

参考文献 （References） 34

致谢 35

第一章 绪论

1.1 研究背景

伴随着我国城镇化进程的推进以及极端气候的频繁显现，空调负荷的持续、快速上涨将成为可预见到的长期趋势。比如，文献[1]指出，2011 年华北地区，最大空调负荷占用电负荷峰值已超过百分之二十，华中、华东、南方地区已超过百分之三十，北京、上海、广州等中心城市比重甚至接近百分之五十。就上海电网而言，在2012年迎峰度夏期间，最大空调负荷已超过 11500MW，占总负荷比重百分之四十左右。这其中，五分之一的空调负荷集中于100kW以上的办公楼群。每到炎夏或寒冬季节，年度利用率不够高的建筑空调系统将会集中启动，这将消耗了大量的电能，将会加剧电网负荷峰谷差，为电力系统安全稳定运行和电力设施建设带来困扰。

在电网的传统运行机制下，若遇到负荷高峰，或启用高峰机组，或对电力用户采用拉闸限电，但是，启用高峰机组的手段，一般来讲它的成本比较高，而拉闸限电则一定会牺牲了用户利益^[2]。不可否认的是，电力终端设备负荷中，空调负荷所占据的比重是在逐年增长的，并已然成为峰荷中相当重要的组成部分，极大的影响了中国高峰时段的供需矛盾，很大的导致了峰谷差的进一步拉大。同时，我们需要意识到的是，空调负荷是具有一定热存储能力的，空调负荷作为温控负荷的一种，可以将电能转化为储存在房间内的能量，这种能量转化以及储存的特性使得空调成为最具需求响应潜力的负荷之一，通过对空调负荷合理调控，能够实现在不影响或者少影响用户舒适度的情况下，消耗较小成本实现降低峰荷、缓解供需矛盾的目标。综上所述，通过需求侧响应技术，空调负荷可以被纳入到电力系统调度中来。

1.2研究现状

1.2.1电力需求侧响应简述

电力需求侧响应(Demand Response, DR) 是指终端消费者改变他们所习惯的电力消费模式，通过响应电价有计划性的不停改变，或者是响应那些用以在批发电价比较高的时候或系统的稳定受到了威胁的时候，去引导降低电力负荷的激励性支付项目^[1]。在文献[1]中还指出，在电力市场化改革势在必行的情况下，需求侧所处的地位越来越高，需求侧已经不再是非常被动的接受者，需求侧也具有了主动去改变用电需求从而获取他自己相关的利益的能力。利用电力需求侧响应，需求侧不再只能消极、被动地与供给侧去维持电力系统的可靠性和稳定性。

在进行了电力市场化改革以后，需求侧响应的概念在美国被提出，需求侧响应主要针对的问题在于：需求侧管理应该如何在竞争市场中发挥充分的作用，以维持电力系统的可靠性、并且进一步可以提高市场运行效率。从用户的响应动机的角度，需求侧响应项目一般被划分为下面2种类型 ：基于价格的需求侧响应 (Price-based Demand Side Response) 和基于激励的需求侧响应 (Incentive-based Demand Side Response) ^[3]。

文献[4]指出，电能作为一种特殊的能源形式，是不能够被大规模经济存储的, 更重要的一点是，供需双方都需要保证电能的实时平衡, 电力系统具有的这些特性，也就要求运行商必须预先规划电网，从而确保系统的可靠运行,而这也决定了电力市场在将会在较长一段时间内都不可能是一个理想的完全竞争市场。在传统的电力体制下, 为了去适应和满足电力系统的发展，运营商唯一的手段就只有去新建越来越多的发电装置和输电设施, 而在引入电力需求侧响应以后, 由于电力需求侧响应的立足点在于放松零售价格管制并提高电力资源的需求弹性,它也摇身一变成为了全面参与电力市场的新资源,因而, 可以用与之前相比相对低廉的成本来解决上述的许多问题。放眼全球，各国的电力市场发展模式都还在不断探索和完善中。美国加州电力市场的失败尤为深刻，它的教训正是这样的：正是由于欠缺需求侧的实时响应, 加上电力供应紧张情况的出现，电力卖方市场才随之产生。因此,只有对需求侧和供应侧一视同仁，电力市场才可能实现真正的良性循环^[3]。

直接负荷控制( Direct Load Control，缩写为DLC) 是一种重要并且常用的激励型需求响应技术，在澳大利亚、美国、台湾等地已经成功实施了许多年，一般来说，通过对一般居民或者小型的商业用户的空调或电热水器等具有热能储存能力的温控负荷( Thermostatically ControlledLoads，缩写为TCL) 进行远程控制，从而可以达到削减负荷的目的。直接负荷控制一般被用来削减系统峰荷，这样一来新的发电厂就不需要立刻建设，随着电力市场改革的不断推进，近年来直接负荷控制也开始被电力公司应用，他可以被用来规避电力批发市场上出现高电价，因为直接负荷控制资源的响应速度和可靠性远一般来说是大大高于发电机组的，而短时的直接负荷控制几乎不会影响到用户舒适度，所以，已经有一些公司把直接负荷控制资源直接应用为备用。

图 1.1　直接负荷控制在电力系统规划和运行中的作用

1.2.2空调负荷电力需求侧响应

根据国外空调负荷需求侧响应实施对负荷削减效果，空调负荷需求侧响应实施方法可分为空调负荷暂停、空调负荷转移和空调负荷削减。空调负荷暂停可以被划为激励型响应。在用电高峰时段暂时停止空调负荷，对抑制夏季空调用电尖峰负荷具有良好效果。主要实施方法包括中央空调轮停和通过智能用电系统进行需求响应。对于空调尖峰负荷，除负荷暂停外，国外还多采用差别价格和蓄能等市场与技术相结合的手段进行调控，推广蓄能技术(包括夜间蓄热、蓄冷、蓄电) 、节电设备租赁鼓励( 手段包括按效益提供分期付款、免费为用户更换高能耗变压器) 等负荷转移措施，其属于价格型响应。通过推广节能空调和电空调替代技术，永久性削减空调负荷，也是发达国家多采用的空调负荷调控手段^[1]。

文献[1]还指出，针对空调负荷的需求侧响应目前在我国仍然处于探索期，用以推动电力需求侧管理发展的相关配套政策以及激励措施都还不够完善。根据国外电力需求侧管理发展的经验，我们可以知道，电力需求侧管理的发展初期是十分依赖于政策扶持的，而其走向规模化和成熟化，就更依赖于电力市场的建设、电价体系的完善、以及有能力来提供丰富融资途径的金融体系。

随着经济社会的持续发展，我国国民生活条件水平也日益提高，对于居民空调负荷，也不再是简单的定频空调负荷，也包含了一定量的变频空调负荷的成分在内。在这样的情况下，对于空调负荷的建模势必出现新的组合、情况和特性。

空调负荷具有热能储存能力，其对供电可靠性要求不高且短时间中断供电或削减供电对其供电服务质量影响不大，是DLC的理想对象。DLC是一种无提前通知时间、对负荷设备直接进行中断或削减的负荷控制方式。

针对空调负荷，目前通常有三种DLC控制策略：（1）关闭空调；（2）调节空调温度设定值；（3）对空调进行占空比控制。关闭空调是最简单的DLC控制手段，此处不做讨论。调节空调温度设定值的控制方法本身不改变空调的自然运行规律，是一种能够保证用户舒适度要求的控制策略。占空比控制为对空调进行每半小时内人为设定其关闭与开启的时间，关闭时间占总时间的比例为占空比，该法能够保证一定的削减量，而无法保证控制后的室内温度。^[6]

1.3 本文所做的工作

针对以上的问题，本文主要对以下两个方面进行了研究：
1. 建立空调负荷模型建模，并找到和分析温度调节所影响的需求侧响应特性，本文一方面对定频空调负荷进行了建模、分析，另一方面在聚空调负荷中考虑了变频空调的成分作用，针对这样的情况进行了建模和分析。

本文首先通过对单台空调进行建模，这里包括定频空调、变频空调两种形式，找到单台空调的运行特性。通过基于空调热交换模型的建模，分别对定频空调和变频空调进行数学上的建模。之后应用Matlab，将之前的建模仿真，并找出其运行特性。其中最为重要的是温度调节对于空调的影响。
2. 通过使用matlab，建立聚空调负荷模型，进行聚合空调负荷调度模型运行仿真，并通过算例仿真检验，对算例的各种情况进行具体的分析。

根据空调的温度响应特性，应用不同的调节手段和策略，我们可以得到相应的聚空调负荷特性，并根据算例进行调度模型的仿真运行。

第二章 空调的模型构建

2.1 空调概述与空调的热交换模型

2.1.1空调简介

文献[7]指出，一般的家用空调器的四个基本组成部分包括空调压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器，并且通过铜管将以上四个基本部件连接成为一个封闭并且一体的系统。R22，也就是制冷剂氟利昂22被注入中间的系统 。除去以上所述的四个基本部件之外，制造商可以根据其需要将以下几个部件加入制冷系统，包括：干燥器，截止阀，储液器，四通阀，单向阀等部件，这些部件的作用都在于能够增加空调器的功能数目、提高空调器的性能指标。

接下来将简单描述一下家用空调器的制冷循环原理：空调器制冷的时候,制冷剂(一般是R22 或者其他的制冷剂)在蒸发器(也就是室内机的热交换器)中相应低压下出现蒸发从而吸纳周围的热量,其本身的焓值增加成为过热气态形式(我们称之为等压蒸化),当它再被吸入压缩机并压缩成为温度很高压强很大的过热蒸气,紧接着被输入到冷凝器(室外机的换热器),处于室外的机轴电风扇把室外大气环境里的冷空气对室外机的换热器进行强行驱散内能,借以室外空气流动带走制冷剂的自身的内能,使温度很高压强很大的气态制冷剂在室外机换热器里面发生凝结现象，并成为压强很大温度略有下降但仍然较高的低焓的液态制冷剂(也就是所说的等压冷凝)。上述的中温、高压且低焓的液态制冷剂流过电子膨胀阀得以节流降压(我们称之为等焓节流),成为压强很低焓值很低的制冷剂湿蒸气(这说明小部分的液态制冷剂已经气化变成了气体), 再经过连接管道通入蒸发器后, 在蒸发器里面, 发生了低压膨胀蒸发,通过管壁制冷剂得以吸收到室内机热交换器的能量,而室内环境里的热空气将会被室内机轴流式风扇抽入到室内机的热交换器里面, 降低它的温度后将其送到时室内。通过上述的过程，最终就可以实现制冷的目的^[7]。

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