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冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化控制的管理論文
提要：分析了冰蓄冷系統(tǒng)的冷機(jī)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(biāo)和約束，并以某建筑為例對(duì)比分析冰蓄冷系統(tǒng)在優(yōu)化控制策略和冷機(jī)優(yōu)先控制策略下的運(yùn)行費(fèi)，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(fù)荷高峰。
關(guān)鍵詞：控制策略優(yōu)化控制冰蓄冷系統(tǒng)
1前言
冰蓄冷系統(tǒng)可以削減電負(fù)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(shí)施分時(shí)電價(jià)，以鼓勵(lì)用單位在電負(fù)荷谷進(jìn)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(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)和部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)。全負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)是在供冷時(shí)不使用冷凍機(jī)，只依靠蓄冰罐融冰來滿足冷負(fù)荷需求。這種系統(tǒng)要求的蓄冰罐和冷凍機(jī)容量都比較大，一般用于體育館、影劇院等負(fù)荷大、持續(xù)時(shí)間短的場(chǎng)所。對(duì)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(shí)則依靠蓄冰罐融冰和冷凍機(jī)共同運(yùn)行負(fù)擔(dān)冷負(fù)荷，冷凍機(jī)和蓄冰罐容量都比較小，初投資和運(yùn)行費(fèi)可以達(dá)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(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的控制。
2冰蓄冷系統(tǒng)的控制策略
部分負(fù)荷冰蓄冷系統(tǒng)的控制就是要解決冷負(fù)荷在冷機(jī)和冰罐之間的分配問題。常見的控制策略有冷機(jī)優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先和優(yōu)化控制。
2．1冷機(jī)優(yōu)先
冷機(jī)優(yōu)先的策略是盡量讓冷凍機(jī)滿負(fù)荷負(fù)荷運(yùn)行。如果冷負(fù)荷小于冷凍機(jī)制冷能力則蓄冰罐不融冰供冷，完全依靠冷凍機(jī)負(fù)擔(dān)冷負(fù)荷。如果冷負(fù)荷超過了冷凍機(jī)制冷能力，則在冷凍機(jī)滿負(fù)荷的情況下，依靠冰罐融冰來負(fù)擔(dān)不足的部分。冷機(jī)優(yōu)先的控制策略工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，但這種控制策略在冷負(fù)荷較小時(shí)，冰罐使用率極低，不能有效地削減電負(fù)荷高峰和降低用戶電費(fèi)。
2．2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(fù)擔(dān)冷負(fù)荷。當(dāng)冰罐不能完全負(fù)擔(dān)時(shí)，依靠冷凍機(jī)負(fù)擔(dān)不足的部分。這種策略能最大限度地利用蓄冰罐。但因?yàn)橐ＷC冷源能負(fù)擔(dān)每天的峰值冷負(fù)荷，蓄冰罐不能融冰太快，所以需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)以決定各時(shí)刻的最大融冰量。因此，冰罐優(yōu)先的控制策略實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。而且在我國電價(jià)結(jié)構(gòu)下并非最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，對(duì)削減電負(fù)荷的晚高峰貢獻(xiàn)不大。
2．3優(yōu)化控制
優(yōu)化控制是提出某目標(biāo)函數(shù)，在一定的約束條件下，使該目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極值。為了使冰蓄冷系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮作用，盡可能地減少電負(fù)荷高峰期的用電，使用戶的電費(fèi)最少，就需要對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行控制策略。Stethmann在文獻(xiàn)[1]中提出了冰蓄冷系統(tǒng)的控制策略，并對(duì)美國圣地亞哥一幢9200m2的建筑進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)控制策略與冷機(jī)優(yōu)先相比，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)42%。Braun在文獻(xiàn)[2]中比較了冷機(jī)優(yōu)先、蓄冰罐優(yōu)先、優(yōu)化控制的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)在美國威斯康星電價(jià)結(jié)構(gòu)下，天氣涼爽時(shí)，控制策略比冷機(jī)優(yōu)先節(jié)約運(yùn)行費(fèi)25%；而典型設(shè)計(jì)日基本不節(jié)省運(yùn)行費(fèi)。該文提出優(yōu)化目標(biāo)的約束條件，但沒有對(duì)對(duì)蓄冰罐融冰的約束進(jìn)行分析。
3優(yōu)化控制方法
優(yōu)化控制的目標(biāo)是在滿足用戶需求的條件下，使運(yùn)行費(fèi)最少，這樣不僅對(duì)用戶有利，而且可以拉平電負(fù)荷，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)有利，促進(jìn)合理用電。
該用戶k時(shí)刻的負(fù)荷為qk，其中冷機(jī)負(fù)擔(dān)qik，冷凍機(jī)出力qrk的費(fèi)用為R（qrk），蓄冰罐出力qik的費(fèi)用為I（qik）。全天的運(yùn)行費(fèi)M為
（1）優(yōu)化的目標(biāo)是使M最小。
優(yōu)化的結(jié)果是：
（2）其中：qrkmax為冷凍機(jī)k時(shí)刻的最大制冷能力；
qikmax為蓄冰罐k時(shí)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(jī)性能給出具體的約束條件，按電價(jià)結(jié)構(gòu)、用戶負(fù)荷、系統(tǒng)性能給出具體目標(biāo)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(shí)刻冷凍機(jī)和蓄冰罐分別負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷qrk、qik。
4實(shí)例分析
為了探討在華北地區(qū)電網(wǎng)電價(jià)結(jié)構(gòu)下優(yōu)化控制的經(jīng)濟(jì)性，筆者對(duì)北京某建筑的冰蓄冷系統(tǒng)在優(yōu)化控制和冷機(jī)優(yōu)先的兩種控制策略下的全年運(yùn)行費(fèi)進(jìn)行比較分析。
華北電網(wǎng)電價(jià)結(jié)構(gòu)為：
高峰平峰低谷
時(shí)間8：00～11：007：00～8：0023：00～7：00
18：00～23：0011；00～18：00
電費(fèi)0.534元/kWh0.318元/kWh0.118元/kWh
該建筑采用部分負(fù)荷蓄冰系統(tǒng)，有4臺(tái)RTHB4502螺桿式冷水機(jī)，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(gè)Calmac1190A冰罐，系統(tǒng)見圖1，典型設(shè)計(jì)日的逐時(shí)負(fù)荷見表1。
圖1
表1典型設(shè)計(jì)日負(fù)荷
時(shí)刻78910111213141516171819
負(fù)荷1878.22077.42191.22561.22105.91992.02760.43215.73101.92162.8369.9313256.1
因?yàn)镽THB4502部分負(fù)荷性能優(yōu)越，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定空調(diào)工況與蓄冰工況的耗電量分別與負(fù)荷成正比（這樣得到的結(jié)果偏于保守）。即：
R（qrk）=qrk×（1032/5564.6）×Ek=qrk×qk(3)
其中Ek為k時(shí)刻電價(jià)；
ak為冷凍機(jī)單位供冷負(fù)荷的費(fèi)用，等于（1032/5564.6）×Ek。
因?yàn)楸窘ㄖ辉陔娯?fù)荷低谷期蓄冰，故蓄冰罐供冷的費(fèi)用簡(jiǎn)化為：
I（qik）=qik×bk（4）
其中bk為冰罐負(fù)擔(dān)單位冷負(fù)荷的費(fèi)用，等于（1032/3784）×E低谷，E低谷為低谷電價(jià)。
下面給出具體約束條件：
（5）
關(guān)鍵是qikmax的確定，文獻(xiàn)[1][2]對(duì)此均未作進(jìn)一步分析。筆者利用Calmac在文獻(xiàn)[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10℃，供水6.7℃下的融冰供冷曲線可以用最小二乘法擬合為：
x=563×(1-exp(-0.316t))(6)
融冰供冷量
y=dx/dt=177.8×exp(-0.316t)(7)
即：y=177.8×(1-x/563)（8）
其中：x為已融冰供冷量，kWh；
t為時(shí)刻h；
y為各時(shí)刻的最大融冰供冷量，kW。
從式中可能清楚看出，各時(shí)刻的最大融冰供冷量與蓄冰量有關(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(dá)式：
（9）得出優(yōu)化問題是：
（10）這是一個(gè)線性優(yōu)化問題，可用單純型法求解，具體解法參見文獻(xiàn)[4]。結(jié)果見表2至表5。
從表2可以看出：在冷負(fù)荷非常小時(shí)，優(yōu)化控制策略充分發(fā)揮了蓄冰罐的潛力，冷凍機(jī)在電負(fù)荷高峰期完全不運(yùn)行。從表3中可見，在冷負(fù)荷比較小時(shí)，優(yōu)化控制在滿足高峰冷負(fù)荷的條件下，在電價(jià)峰值期，盡量利用蓄冰罐融冰來滿足用戶冷負(fù)荷需求，其中，在優(yōu)化控制策略下，完全用蓄冰罐融冰來負(fù)擔(dān)8、9、10、18、19點(diǎn)冷負(fù)荷；從表4中可見，當(dāng)冷負(fù)荷接近典型設(shè)計(jì)日負(fù)荷時(shí)，為了保證滿足高峰冷負(fù)荷需求，必須控制電價(jià)峰值期的冰罐融冰量，優(yōu)化控制節(jié)省的電費(fèi)不多。
由于我國電價(jià)結(jié)構(gòu)中18：00～23：00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。可見在我國華北地區(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(yùn)行費(fèi)。
優(yōu)化控制比冷機(jī)優(yōu)先全年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)25%，這一節(jié)約主要來源于非設(shè)計(jì)條件下，即用戶日負(fù)荷小于典型設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷。此時(shí)，對(duì)于冷機(jī)優(yōu)先策略，則以冷凍機(jī)供冷負(fù)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(fù)荷，節(jié)約了大量運(yùn)行費(fèi)（4月份省51%）。而在負(fù)荷接近設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，電費(fèi)節(jié)省不多（7月份省11%）。考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)負(fù)荷往往大大超過實(shí)際負(fù)荷，冷源供冷能力偏大，在實(shí)際冰蓄冷系統(tǒng)中采用優(yōu)化控制可以節(jié)約更多的運(yùn)行費(fèi)。
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