典型建筑电力需求弹性特性及其需求响应策略研究

建筑需求响应控制及应用技术，许鹏, 陈永保, 李为林编
建筑负荷需求响应的介绍
建筑能源需求响应的国内外研究现状
建筑电力需求弹性量化

概述

建筑需求响应控制技术基于两个重要的基础支撑，一是以建筑智能控制仪表（Smart meter）为基础的硬件基础，另一个是以需求响应标准及控制策略算法的软件基础。随着建筑自动化及智能控制仪表的快速发展，硬件基础得到大力提升，软件基础建设方面包括OpenADR通讯协议标准以及不同建筑响应技术标准的制定，例如，美国加州非居民建筑的建筑标准（Title 24, 2019 Nonresidential Compliance Manual）对非居住建筑在 HVAC 系统、照明系统以及其它用电系统提出了实现需求响应所需达到的基准配置要求[16]。对于居住建筑，通常建立在家庭能源管理系统（Home Energy Mangement System, HEMS）上，HEMS 实现了电网与家庭设备的双向通信，从而能够实现电网用电信号与家用设备的联动响应 [94]。近些年，智能电网和智能家居的发展，为 HEMS 在电网与家电设备的互流互通控制铺平了道路[95, 96]。不同于传统的能源系统，只是单向的从电网到用电设备的信息及能量流，而智能电网下家庭能源管理系统是双向的，信息流和能量流能够实现相互流动及控制，有利于建筑需求响应的实施与控制，从而优化电力的调度以及提高居民侧用电效率。正是有了这些基础的支撑，建筑需求响应控制才能够实现更加精细的负荷控制与管理。

目前，建筑需求响应控制策略有很多，常见的，有针对空调系统的需求响应控制和对家用电设备的负荷管理。空调系统的需求响应控制技术具体包括建筑预冷、调节室内综合温度、降低管道静压、限定风机频率、减少风机开启数量、提高送风温度及限制水阀开度等。特别是近些年来建筑预冷技术的广泛利用，提升了空调系统用能弹性能力。家用电器的负荷管理主要为对家电设备的负荷转移及管理。若想实现需求响应的优化控制，理解各建筑电力弹性设备具有的弹性特征非常重要，也就是说各用电设备的弹性特征是进行建筑需求响应优化控制的基础。

本文首先分析不同用电设备及系统的电力弹性特征，根据设备特征分为可间断性弹性负荷、可转移型弹性负荷以及可调节型弹性负荷三类。然后，针对不同的建筑弹性特性制定与之相对应的需求响应控制策略，并举例研究了办公建筑及居住建筑案例的需求响应优化控制策略，对具有储能的能源系统仅做简要说明。最后，在不同建筑案例背景下，给出基于建筑弹性特性下的需求响应控制推荐方法。

弹性负荷种类

1、可间断型弹性负荷

可间断型弹性负荷（Interruptible Load，IL），也称为可中断负荷，它是一种较为理想的电力弹性源。IL 一般具有对供电的可靠性要求不是很高的特点，在一定经济补偿的条件下，允许在特定时段内有条件卸载，能够进行快速的电力响应 [97]。IL 多在工业建筑中，例如，结合需求响应补贴收益及停产损失，在夏季用电高峰时适当关闭生产流水线[98]。在办公及居住建筑中，IL 较少。对于空调系统，当多台冷机同时运行时，可强行关闭其中部分机组，可视为 IL，但同时可通过调节综合温度及新风等措施削峰，此时可视为可调节型负荷。为分析方便，本文把空调负荷归类为可调节型弹性负荷，并在下一小节进行讨论。IL 的容量大小及可间断时长是评价该类型的重要因素，图 5.1 为各类型电力弹性负荷的实现示意图。

2、可转移型弹性负荷

可转移弹性负荷（Shiftable Load, SL）指的是可以从高峰负荷区转移到低谷负荷区的用电设备，其一般不全天工作。用电设备具有负荷转移潜能的前提是时间窗口大于工作时长，时间窗口及工作窗口的说明可见图 2.6。若可转移负荷设备的习惯工作时间不在用电高峰时段，则该设备不能够提供有效的负荷弹性。在时间窗口内，可转移负荷自由配置，提供负荷弹性的同时不影响完成任务，是一种最为理想的负荷弹性源，包括洗衣机、洗碗机、储能设备以及电动汽车等。

在需求响应控制过程中，SL 用电设备有两种不同工作模式，一种为连续工作模式，即设备一旦开始工作，中间不容中断，直至完成设定任务为止，大部分用电设备属于该类型；另一种为设备开始工作后可中断工作，只要保证在时间窗口内完成既定任务即可，例如储能设备。

3、可调节型弹性负荷

可调节型弹性负荷（Adjustable Load, AL）指的是可以在高峰用电时调节用电功率。建筑中存在两类 AL，一类为不随时间环境变化的定负荷设备，例如照明设备；另一类为受外界环境影响的变负荷，例如空调系统负荷。即使建筑可能不具备 IL 和 SL 设备，但往往存在 AL 设备。负荷可调节的程度是该负荷一个重要的特征，可用负荷降低比（