冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析

1、冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析清華大學王勇趙慶珠OptimalcontrolstrategyforicestoragesystemsByWangYongandZhaoQingzhu提要分析了冰蓄冷系統(tǒng)的冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先和優(yōu)化控制三種控制策略，提出了優(yōu)化控制的目標和約束，并以某建筑為例對比分析冰蓄冷系統(tǒng)在優(yōu)化控制策略和冷機優(yōu)先控制策略下的運行費，闡明優(yōu)化控制可以發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)潛力，更有效地削減電負荷高峰。關(guān)鍵詞控制策略優(yōu)化控制冰蓄冷系統(tǒng)AbstractInvestigatesthethreecontrolstrategies-chiller-priority,storage-priorityando

2、ptimalcontroloficestoragesystems.Givesandalgrithomtoreducetheelectricchargewithcost-effectiveallocationofcoolingbetweenthechillerandstorageandanexampletocomparethechargeswithchillerpriorityandthatwithoptimalcontrol,whichshowsthelatterstrategycanbetterrealizethepotentialofthestoragesystemandtheratest

3、ructure.keywordscontrolstrategyoptimalcontrolicestoragesystem前言冰蓄冷系統(tǒng)可以削減電負荷高峰，緩解電力緊張，減少電力建設(shè)投資。因此自80年代初至今美國、日本等地得到廣泛應(yīng)用。目前我國不少省市已實施分時電價，以鼓勵用單位在電負荷谷進用電，北京等一些城市更是明確規(guī)定利用電力制冷的單位必須安裝冰蓄冷系統(tǒng)，否則將控制高峰用電量。冰蓄冷系統(tǒng)可以分為全負荷冰蓄冷系統(tǒng)和部分負荷冰蓄冷系統(tǒng)。全負荷冰蓄冷系統(tǒng)是在供冷時不使用冷凍機，只依靠蓄冰罐融冰來滿足冷負荷需求。這種系統(tǒng)要求的蓄冰罐和冷凍機容量都比較大，一般用于體育館、影劇院等負荷大、持續(xù)時間短的

4、場所。對于一般商業(yè)建筑，則由于其初投資過大而很少采用。部分冰蓄冷系統(tǒng)在供冷時則依靠蓄冰罐融冰和冷凍機共同運行負擔冷負荷，冷凍機和蓄冰罐容量都比較小，初投資和運行費可以達到綜合最優(yōu)，因而被一般商業(yè)建筑廣泛采用。本文只討論部分負荷冰蓄冷系統(tǒng)的控制。冰蓄冷系統(tǒng)的控制策略部分負荷冰蓄冷系統(tǒng)的控制就是要解決冷負荷在冷機和冰罐之間的分配問題。常見的控制策略有冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先和優(yōu)化控制。21冷機優(yōu)先冷機優(yōu)先的策略是盡量讓冷凍機滿負荷負荷運行。如果冷負荷小于冷凍機制冷能力則蓄冰罐不融冰供冷，完全依靠冷凍機負擔冷負荷。如果冷負荷超過了冷凍機制冷能力，則在冷凍機滿負荷的情況下，依靠冰罐融冰來負擔不足的部分。冷

5、機優(yōu)先的控制策略工程實現(xiàn)簡單，運行可靠，但這種控制策略在冷負荷較小時，冰罐使用率極低，不能有效地削減電負荷高峰和降低用戶電費。22蓄冰罐優(yōu)先蓄冰罐優(yōu)先的策略是盡可能地利用蓄冰罐融冰來負擔冷負荷。當冰罐不能完全負擔時，依靠冷凍機負擔不足的部分。這種策略能最大限度地利用蓄冰罐。但因為要保證冷源能負擔每天的峰值冷負荷，蓄冰罐不能融冰太快，所以需要對負荷進行預(yù)測以決定各時刻的最大融冰量。因此，冰罐優(yōu)先的控制策略實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。而且在我國電價結(jié)構(gòu)下并非最經(jīng)濟的運行方式，對削減電負荷的晚高峰貢獻不大。23優(yōu)化控制優(yōu)化控制是提出某目標函數(shù)，在一定的約束條件下，使該目標函數(shù)達到極值。為了使冰蓄冷系統(tǒng)最大限度

6、地發(fā)揮作用，盡可能地減少電負荷高峰期的用電，使用戶的電費最少，就需要對冰蓄冷系統(tǒng)進行控制策略。Stethmann在文獻1中提出了冰蓄冷系統(tǒng)的控制策略，并對美國圣地亞哥一幢9200m2的建筑進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)控制策略與冷機優(yōu)先相比，節(jié)省運行費42%。Braun在文獻2中比較了冷機優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先、優(yōu)化控制的經(jīng)濟性，發(fā)現(xiàn)在美國威斯康星電價結(jié)構(gòu)下，天氣涼爽時，控制策略比冷機優(yōu)先節(jié)約運行費25%；而典型設(shè)計日基本不節(jié)省運行費。該文提出優(yōu)化目標的約束條件，但沒有對對蓄冰罐融冰的約束進行分析。優(yōu)化控制方法優(yōu)化控制的目標是在滿足用戶需求的條件下，使運行費最少，這樣不僅對用戶有利，而且可以拉平電負荷，對整個

7、電網(wǎng)有利，促進合理用電。該用戶k時刻的負荷為qk,其中冷機負擔qik，冷凍機出力qrk的費用為R(qrk),蓄冰罐出力qik的費用為丨(qik)。全天的運行費M為(1)優(yōu)化的目標是使M最小。優(yōu)化的結(jié)果是：(2)其中：qrkmax為冷凍機k時刻的最大制冷能力；qikmax為蓄冰罐k時刻的最大融冰供冷能力這里需要注意的是：蓄冰罐最大融冰供冷能力與蓄冰罐中剩余的冰量有關(guān)，也就是與蓄冰罐以前的融冰量有關(guān)。按蓄冰罐、冷凍機性能給出具體的約束條件，按電價結(jié)構(gòu)、用戶負荷、系統(tǒng)性能給出具體目標函數(shù)后，可以使用最優(yōu)化方法求解該問題，得以的結(jié)果是各時刻冷凍機和蓄冰罐分別負擔的冷負荷qrk、qik。實例分析為了探討

8、在華北地區(qū)電網(wǎng)電價結(jié)構(gòu)下優(yōu)化控制的經(jīng)濟性，筆者對北京某建筑的冰蓄冷系統(tǒng)在優(yōu)化控制和冷機優(yōu)先的兩種控制策略下的全年運行費進行比較分析。華北電網(wǎng)電價結(jié)構(gòu)為：高峰平峰低谷時間8：0011：007：008：0023：007：00 18：0023：0011；0018：00電費0.534元/kWh0.318元/kWh0.118元/kWh該建筑采用部分負荷蓄冰系統(tǒng)，有4臺RTHB4502螺桿式冷水機，空調(diào)工況制冷能力5564.6kW，蓄冷工況制冷能力3784kW，耗電量為1032kW,71個Calmac1190A冰罐，系統(tǒng)見圖1，典型設(shè)計日的逐時負荷見表1。圖1表1典型設(shè)計日負荷時刻789101112131

9、415171819負荷1878.22077.42191.22561.22105.91992.02760.43215.73101.92162.8369.9313256.1因為RTHB4502部分負荷性能優(yōu)越，為簡化計算，假定空調(diào)工況與蓄冰工況的耗電量分別與負荷成正比(這樣得到的結(jié)果偏于保守)。即：R(qrk)=qrkX(1032/5564.6)XEk=qrkXqk其中Ek為k時刻電價；ak為冷凍機單位供冷負荷的費用，等于(1032/5564.6)XEk。因為本建筑只在電負荷低谷期蓄冰，故蓄冰罐供冷的費用簡化為：(qik)=qikXbk(4) 其中bk為冰罐負擔單位冷負荷的費用，等于(1032/3

10、784)XE低谷，E低谷為低谷電價。下面給出具體約束條件：(5)關(guān)鍵是qikmax的確定，文獻12對此均未作進一步分析。筆者利用Calmac在文獻3中給出的產(chǎn)品性能曲線，綜合出蓄冰罐最大融冰供冷曲線。Calmac1190A在回水10C，供水6.7C下的融冰供冷曲線可以用最小二乘法擬合為：TOC o 1-5 h zx=563X(1-exp(-0.316t)(6)融冰供冷量y=dx/dt=177.8Xexp(-0.316t)(7)即：y=177.8X(1-x/563)(8)其中：x為已融冰供冷量，kWh；t為時刻h；y為各時刻的最大融冰供冷量，kW。從式中可能清楚看出，各時刻的最大融冰供冷量與蓄冰

11、量有關(guān)，(1-X/563)為剩余蓄冰量占部蓄冰量的比例。這樣，便可以給出qikmax的表達式：(9)得出優(yōu)化問題是：(10)這是一個線性優(yōu)化問題，可用單純型法求解，具體解法參見文獻4。結(jié)果見表2至表5。表24月份平均氣象條件下的比較/kW時刻負荷冷機優(yōu)先優(yōu)化控制融冰量冷機出力融冰量冷機出力24050240524050825280252825280926520265226520102776027760277601128990289928990123023030233023013314703147314714327003270327001533940339433940163171031713171

12、0172949294939219018272602726272601925040250425040表36月份平均氣象條件下的比較/kW時刻負荷冷機優(yōu)先優(yōu)化控制0融冰量冷機出力融冰量冷機出力7277502775277508344603446344609416.6416.6416.60104787.304787.34787.301154580545805458126129564.45564.6564.45564.6136800.112355564.612355564.6147470.81906.25564.61906.25564.6158181.625775564.625775564.616674

13、4.21179.65564.61179.65564.6175726.7162.15564.6162.15564.61845190451945190193311.603311.64000.600表47月份平均氣象條件下的比較/kW時刻負荷冷機優(yōu)先優(yōu)化控制融冰量冷機出力融冰量冷機出力72597025970259785564.64000.6095044.605564.64725.1319.3106088.3523.75564.6523.75564.6117132.11567.55564.61567.5 5564.61281762611.45564.62611.45564.6139219.53654.

14、95564.63654.95564.61410263.34698.75564.64698.75564.6106.211307.25742.65564.65742.65564.6169428.43863.85564.63863.85564.6177549.619855564.619855564.6185670.85564.6 2079.63591.2193792037921422.62369.4表5優(yōu)化控制的經(jīng)濟性月份優(yōu)化運行費/元冷機優(yōu)先運行費/元節(jié)約運行費/元節(jié)約百分比/%452335.27107350.755015.3851.25970060.74124886.354825.643.961

15、43662.9199926.156263.2328.147242877.1273942.931065.8411.348242877.1273942.931065.8411.34147115.520153654420.48271095307.33150908.755601.436.841152335.27107350.755015.3851.25總計10465711439844393273.227.31從表2可以看出：在冷負荷非常小時，優(yōu)化控制策略充分發(fā)揮了蓄冰罐的潛力，冷凍機在電負荷高峰期完全不運行。從表3中可見，在冷負荷比較小時，優(yōu)化控制在滿足高峰冷負荷的條件下，在電價峰值期，盡量利用蓄冰罐

16、融冰來滿足用戶冷負荷需求，其中，在優(yōu)化控制策略下，完全用蓄冰罐融冰來負擔8、9、10、18、19點冷負荷；從表4中可見，當冷負荷接近典型設(shè)計日負荷時，為了保證滿足高峰冷負荷需求，必須控制電價峰值期的冰罐融冰量，優(yōu)化控制節(jié)省的電費不多。由于我國電價結(jié)構(gòu)中18：0023：00為晚高峰，優(yōu)化控制中便留取一定量的冰以作晚高峰制冷使用?？梢娫谖覈A北地區(qū)，冰罐優(yōu)先不是最最優(yōu)的控制策略。優(yōu)化控制就其復(fù)雜性來說基本等同于冰罐優(yōu)先，便更省運行費。優(yōu)化控制比冷機優(yōu)先全年節(jié)約運行費25%，這一節(jié)約主要來源于非設(shè)計條件下，即用戶日負荷小于典型設(shè)計日逐時負荷。此時，對于冷機優(yōu)先策略，則以冷凍機供冷負荷，蓄冰罐基本不用（見4月份數(shù)據(jù)）；而優(yōu)化控制則基本由蓄冰罐供冷負荷，節(jié)約了大量運行費（4月份省51%）。而在負荷接近設(shè)計負荷時，電費節(jié)省不多（7月份省11%）。考慮到實際設(shè)計中設(shè)計負荷往往大大超過實際負荷，冷源供冷能力偏大，在實際冰蓄冷系統(tǒng)中采用優(yōu)化控制可以節(jié)約更多的運行費。6參考文獻DHStethmann.Optima