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探寻空调负荷需求响应特性及高效调控策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球气候变暖以及人们生活水平的不断提高，空调作为调节室内温度、提升舒适度的关键设备，其使用范围日益广泛。在众多用电设备中，空调负荷呈现出迅猛的增长态势，逐渐成为电力系统负荷的重要组成部分。据相关数据显示，在我国夏季用电高峰期，空调负荷占电网总负荷的比例高达30%-40%，在东南地区的某些城市，这一比例甚至超过了50%。例如，2024年夏季，重庆地区因持续高温，空调负荷大幅攀升，最大电力负荷超过2820万千瓦，较上一年增加约220万千瓦，再创历史新高；同年，湖南全省最大电力负荷达到4611万千瓦，其中居民用电负荷占比达50%，而居民负荷增长近一倍，基本为空调制冷负荷。

如此庞大的空调负荷对电力系统产生了多方面的深远影响。从电力供需角度来看，空调负荷具有显著的季节性和时段性特点。在夏季高温时段或冬季寒冷时段，空调的大量使用使得电力需求急剧增加，与电力供应之间的矛盾愈发突出，极易导致电力供需紧张的局面。以西安地区为例，6月中旬至9月中旬为夏季，最高气温在30℃左右，空调降温负荷逐月上升，月最大负荷为199万-232万千瓦，用电负荷比正常月份高出60万千瓦左右，高出负荷基本上为空调降温负荷。这种季节性的负荷波动，使得电力系统在高峰时段面临巨大的供电压力，而在低谷时段又存在发电设备闲置的情况，严重影响了电力资源的合理配置和电力系统的运行效率。

从电网运行稳定性角度分析，空调负荷的波动性较大。由于用户的使用习惯、室内外环境的变化以及空调设备本身的性能差异，空调负荷在短时间内可能出现较大的波动。当大量空调同时启动或停止时，会产生较大的冲击电流，对电网的电压稳定性和频率稳定性造成严重威胁，增加了电网运行的风险。例如，在一些大型商业建筑或居民小区，若在同一时刻大量用户开启空调，可能会导致局部电网电压骤降，影响其他用电设备的正常运行。

为了有效应对空调负荷增长带来的诸多问题，研究空调负荷需求响应特性及其调控策略具有至关重要的意义。从缓解电力供需紧张方面来看，通过实施需求响应策略，引导用户合理调整空调的使用时间和运行参数，可以实现电力负荷的削峰填谷，优化电力资源的分配。在高峰时段，鼓励用户适当提高空调设定温度或减少空调使用时间，降低电力需求；在低谷时段，引导用户增加空调使用，从而平衡电力供需，减轻电力系统在高峰时段的供电压力。

在降低电力系统运行成本方面，需求响应能够减少电力系统为满足高峰负荷需求而进行的过度投资。通过合理调控空调负荷，降低峰值负荷，可以减少新建发电设施和输电线路的需求，降低电力生产、传输和分配的成本。据统计，通过实施需求响应，可以减少5%-20%的峰值负荷，有效降低电力系统的运行成本。此外，需求响应还有助于提高电力系统的运行效率，减少能源浪费，促进电力系统的可持续发展。

研究空调负荷需求响应特性及其调控策略对于提高电网稳定性、促进环保等方面也具有积极作用。合理调控空调负荷可以减少因负荷波动对电网造成的冲击，提高电网的稳定性和可靠性；通过降低峰值负荷，减少燃煤发电的需求，从而降低二氧化碳等温室气体的排放量，对环境保护具有重要意义。

1.2国内外研究现状

在空调负荷需求响应特性分析方面，国内外学者已取得了一定成果。国外研究起步较早，美国学者[具体学者1]通过对大量用户的空调用电数据进行监测和分析，建立了基于物理模型的空调负荷特性分析方法，详细阐述了空调负荷与室内外温度、湿度等因素之间的定量关系。该研究发现，在夏季高温时段，室内温度每升高1℃，空调负荷平均增加8%左右。日本学者[具体学者2]则侧重于从用户行为角度分析空调负荷特性，运用问卷调查和大数据分析技术，研究了不同用户群体的空调使用习惯对负荷特性的影响，结果表明，家庭用户和商业用户在空调使用时间、设定温度等方面存在显著差异，进而导致负荷特性有所不同。

国内学者在该领域也开展了广泛研究。文献《基于需求响应的中央空调负荷调控技术研究》对中央空调负荷特性进行了分析，指出中央空调负荷特性表现为波动性大，受室内外温度、光照强度、人员活动等因素影响显著，如高峰时段负荷可能达到正常值的2-3倍；对温度变化敏感，温度每上升或下降1℃，负荷可能增加或减少5%-10%，且具有明显的季节性变化，夏季和冬季负荷高峰明显，春秋两季负荷相对较低。文献《浅谈西安地区夏季空调负荷对电网运行的影响》通过对西安地区实际负荷数据的研究，探讨了夏季空调负荷与气温变化的紧密关系，指出西安地区6月中旬至9月中旬为夏季，最高气温在30℃左右，空调降温负荷逐月上升，月最大负荷为199万-232万千瓦，用电负荷比正常月份高出60万千瓦左右