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1、冰蓄冷系统的优化控制分析Optimalcontrolstrategyforicestorag缛esystems提要分析了冰蓄冷系噢统的冷机优先、蓄冰罐优先和优化控制三妤种控制策略，提出了优化控制的目标和约涫束，并以某建筑为例对比分析冰蓄冷系统鹊在优化控制策略和冷机优先控制策略下的莞运行费，阐明优化控制可以发挥现有系统挪潜力，更有效地削减电负荷高峰。关键唑词控制策略优化控制冰蓄冷系统Abs帖tractInvestigatesthethreecontrolstra蚵tegies-chiller-priority,storage-prio预rityandoptimalcont禀roloficesto
2、ragesys札tems.Givesandalgrithomtoreducetheelectricchargewithcos招t-effectiveallocat帝ionofcoolingbetwee偌nthechillerandstor涧ageandanexampletoc髅omparethechargeswi囔thchillerprioritya柩ndthatwithoptimalc傲ontrol,whichshowst阄helatterstrategycanbetterrealizethep馈otentialofthestoragesystemandtherate书structure.k
3、eywordscontrolstrategyop簧timalcontrolicesto笈ragesystem1前言冰蓄冷系燔统可以削减电负荷高峰，缓解电力紧张，颌减少电力建设投资。因此自80年代初至瘅今美国、日本等地得到广泛应用。目前粘我国不少省市已实施分时电价，以鼓励用冂单位在电负荷谷进用电，北京等一些城市缢更是明确规定利用电力制冷的单位必须安菝装冰蓄冷系统，否则将控制高峰用电量。冰蓄冷系统可以分为全负荷冰蓄冷系统和侍部分负荷冰蓄冷系统。全负荷冰蓄冷系统桌是在供冷时不使用冷冻机，只依靠蓄冰罐？融冰来满足冷负荷需求。这种系统要求的瓶蓄冰罐和冷冻机容量都比较大，一般用于濑体育馆、影剧院等负荷大、
4、持续时间短的场所。对于一般商业建筑，则由于其初投舷资过大而很少采用。部分冰蓄冷系统在供糙冷时则依靠蓄冰罐融冰和冷冻机共同运行撵负担冷负荷，冷冻机和蓄冰罐容量都比较驹小，初投资和运行费可以达到综合最优，镍因而被一般商业建筑广泛采用。本文只讨瑭论部分负荷冰蓄冷系统的控制。2冰蓄腆冷系统的控制策略部分负荷冰蓄冷系统醭的控制就是要解决冷负荷在冷机和冰罐之该间的分配问题。常见的控制策略有冷机优靴先、蓄冰罐优先和优化控制。21冷枯机优先冷机优先的策略是尽量让冷冻机峰满负荷负荷运行。如果冷负荷小于冷冻机制冷能力则蓄冰罐不融冰供冷，完全依靠盒冷冻机负担冷负荷。如果冷负荷超过了冷门冻机制冷能力，则在冷冻机满负荷
5、的情况尘下，依靠冰罐融冰来负担不足的部分。冷机优先的控制策略工程实现简单，运行可叔靠，但这种控制策略在冷负荷较小时，冰颂罐使用率极低，不能有效地削减电负荷高职峰和降低用户电费。22蓄冰罐优先蓄冰罐优先的策略是尽可能地利用蓄冰罐戈融冰来负担冷负荷。当冰罐不能完全负担时，依靠冷冻机负担不足的部分。这种策略能最大限度地利用蓄冰罐。但因为要保渑证冷源能负担每天的峰值冷负荷，蓄冰罐皖不能融冰太快，所以需要对负荷进行预测以决定各时刻的最大融冰量。因此，冰罐优先的控制策略实现起来较为复杂。而且帻在我国电价结构下并非最经济的运行方式佣，对削减电负荷的晚高峰贡献不大。2鞠3优化控制优化控制是提出某目标函钓数，在
6、一定的约束条件下，使该目标函数霜达到极值。为了使冰蓄冷系统最大限度地发挥作用，尽可能地减少电负荷高峰期的簖用电，使用户的电费最少，就需要对冰蓄翡冷系统进行控制策略。Stethman钏n在文献1中提出了冰蓄冷系统的控箴制策略，并对美国圣地亚哥一幢9200送m2的建筑进行了模拟分析，发现控制策盅略与冷机优先相比，节省运行费42%。Braun在文献2中比较了冷机优立先、蓄冰罐优先、优化控制的经济性，发现在美国威斯康星电价结构下，天气凉爽时，控制策略比冷机优先节约运行费25畿%；而典型设计日基本不节省运行费。该倥文提出优化目标的约束条件，但没有对对砬蓄冰罐融冰的约束进行分析。3优化控漕制方法优化控制的
7、目标是在满足用户需早求的条件下，使运行费最少，这样不仅对雳用户有利，而且可以拉平电负荷，对整个氚电网有利，促进合理用电。该用户k时欺刻的负荷为qk，其中冷机负担qik，框冷冻机出力qrk的费用为R，蓄冰罐出力qik的费用为I。全天的运行费M为棉优化的目标是使M最小。优化的结果外是：其中：qrkmax为冷冻机k时鲆刻的最大制冷能力；qikmax为蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力这里需要注意的是：蓄冰罐最大融冰供冷能力与臻蓄冰罐中剩余的冰量有关，也就是与蓄冰彷罐以前的融冰量有关。按蓄冰罐、冷冻机性能给出具体的约束条件，按电价结构景、用户负荷、系统性能给出具体目标函数砭后，可以使用最优化方法求解该问题
8、，得掊以的结果是各时刻冷冻机和蓄冰罐分别负陟担的冷负荷qrk、qik。4实例分析为了探讨在华北地区电网电价结构下啜优化控制的经济性，笔者对北京某建筑的肠冰蓄冷系统在优化控制和冷机优先的两种控制策略下的全年运行费进行比较分析。华北电网电价结构为：高峰平峰低谷时间8：0011：007：008：0023：007：0018：00拜23：0011；0018：00电费盆元/kWh元/kWh元/kWh该建筑忘采用部分负荷蓄冰系统，有4台RTHB嗬4502螺杆式冷水机，空调工况制冷能泶力，蓄冷工况制冷能力3784kW，耗撼电量为1032kW，71个Calma隋c1190A冰罐，系统见图1，典型设枨计日的逐时负
9、荷见表1。图1表1典乩型设计日负荷时刻789101112怎13141516171819负荷31任3因为RTHB4502部分负荷性能优镂越，为简化计算，假定空调工况与蓄冰工杖况的耗电量分别与负荷成正比。即：R孜=qrkEk=qrkqk(3)其中Ek为k时刻电价；ak为冷冻机啮单位供冷负荷的费用，等于Ek。因喵为本建筑只在电负荷低谷期蓄冰，故蓄冰酊罐供冷的费用简化为：I=qikbk其中bk为冰罐负担单位冷负荷的费蠓用，等于E低谷，E低谷为低谷电价。下面给出具体约束条件：关键是qikmax的确定，文献12对此均谍未作进一步分析。笔者利用Calmac聒在文献3中给出的产品性能曲线，综合出蓄冰罐最大融冰
10、供冷曲线。Calmac1190A在回水10，供水下膜的融冰供冷曲线可以用最小二乘法拟合为阔：x=563(1-exp(-)奢(6)融冰供冷量y=dx/dt=exp(-)(7)即：y=(1冤-x/563)其中：x为已融冰供冷票量，kWh；t为时刻h；y为各时羚刻的最大融冰供冷量，kW。从式中可能清楚看出，各时刻的最大融冰供冷量与呔蓄冰量有关，为剩余蓄冰量占部蓄冰量的睥比例。这样，便可以给出qikmax龇的表达式：得出优化问题是：这是一个线性优化问题，可用单纯型法求解，具裹体解法参见文献4。结果见表2至表闼5。表24月份平均气象条件下的比较味/kW时刻负荷冷机优先优化控制融冰膈量冷机出力融冰量冷机出
11、力724050）240524050825280252柞825280926520265226厅520102776027762776011289902899289901230230302330230133孙147031473147014327叔003270327001533940甯339433940163171031桁713171017294902949愦392190182726027262舟72601925040250425040表36月份平均气象条件下的比较鳎/kW时刻负荷冷机优先优化控制融冰眯量冷机出力融冰量冷机出力727750妗277527750834460344雉634460900100
12、011545805458054581261291谂312351235141525772醵577161718451904519径451901900表47月份平均气噬象条件下的比较/kW时刻负荷冷机优先优化控制融冰量冷机出力融冰量冷机出卟力72597025970259780峦090101112817613141疲51617198519851819379203792表5优化控制的经济性月份优化运行费/元冷机优先运行费/元节约运行费/元节约百分比/%4567硗89XX36271011总计1046纶5711439844从表2可以看出：飒在冷负荷非常小时，优化控制策略充分发昨挥了蓄冰罐的潜力，冷冻机在电负
13、荷高峰期完全不运行。从表3中可见，在冷负荷鳄比较小时，优化控制在满足高峰冷负荷的谈条件下，在电价峰值期，尽量利用蓄冰罐绌融冰来满足用户冷负荷需求，其中，在优桀化控制策略下，完全用蓄冰罐融冰来负担8、9、10、18、19点冷负荷；从轾表4中可见，当冷负荷接近典型设计日负荷时，为了保证满足高峰冷负荷需求，必须控制电价峰值期的冰罐融冰量，优化控岙制节省的电费不多。由于我国电价结构斧中18：0023：00为晚高峰，优揽化控制中便留取一定量的冰以作晚高峰制冷使用。可见在我国华北地区，冰罐优唳先不是最最优的控制策略。优化控制就其复杂性来说基本等同于冰罐优先，便更省建运行费。优化控制比冷机优先全年节约铺运行
14、费25%，这一节约主要来源于非设杜计条件下，即用户日负荷小于典型设计日瓴逐时负荷。此时，对于冷机优先策略，则浮以冷冻机供冷负荷，蓄冰罐基本不用；而规优化控制则基本由蓄冰罐供冷负荷，节约胤了大量运行费。而在负荷接近设计负荷时捋，电费节省不多。考虑到实际设计中设计负荷往往大大超过实际负荷，冷源供冷能领力偏大，在实际冰蓄冷系统中采用优化控掺制可以节约更多的运行费。6参考文献珩1DHStethmann.Opti佛malcontrolforcoolstorage.ASHRAETrans樵.(1):1189-1193.2J皙EBraun.Acomparison甚ofchiller-priority,storage-priorityandoptimalcontrolofanice-storagesyste容m.ASHRAETrans.(2):癍893-962.3Calmac.I耻cetankperformacema福nual4蔡宣三，最优化与最优控制狭。北京：清华大学出版社，1982。10/10