冰蓄冷系统的优化控制分析

1.前言

冰蓄冷系统可以削减电负荷高峰，缓解电力紧张，减少电力建设投资。因此自80年代初至今美国、日本等地得到广泛应用。目前我国不少省市已实施分时电价，以鼓励用单位在电负荷谷进用电，北京等一些城市更是明确规定利用电力制冷的单位必须安装冰蓄冷系统，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部分负荷冰蓄冷系统。全负荷冰蓄冷系统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。这种系统要求的蓄冰罐和冷冻机容量都比较大，一般用于体育馆、影剧院等负荷大、持续时间短的场所。对于一般商业建筑，则由于其初投资过大而很少采用。部分冰蓄冷系统在供冷时则依靠蓄冰罐融冰和冷冻机共同运行负担冷负荷，冷冻机和蓄冰罐容量都比较小，初投资和运行费可以达到综合最优，因而被一般商业建筑广泛采用。本文只讨论部分负荷冰蓄冷系统的控制。

2.冰蓄冷系统的控制策略

部分负荷冰蓄冷系统的控制就是要解决冷负荷在冷机和冰罐之间的分配问题。常见的控制策略有冷机优先、蓄冰罐优先和优化控制。

2．1冷机优先

冷机优先的策略是尽量让冷冻机满负荷负荷运行。如果冷负荷小于冷冻机制冷能力则蓄冰罐不融冰供冷，完全依靠冷冻机负担冷负荷。如果冷负荷超过了冷冻机制冷能力，则在冷冻机满负荷的情况下，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，运行可靠，但这种控制策略在冷负荷较小时，冰罐使用率极低，不能有效地削减电负荷高峰和降低用户电费。

2．2蓄冰罐优先

蓄冰罐优先的策略是尽可能地利用蓄冰罐融冰来负担冷负荷。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。但因为要保证冷源能负担每天的峰值冷负荷，蓄冰罐不能融冰太快，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。而且在我国电价结构下并非最经济的运行方式，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。而且在我国电价结构下并非最经济的运行方式，对削减电负荷的晚高峰贡献不大。

2．3优化控制

优化控制是提出某目标函数，在一定的约束条件下，使该目标函数达到极值。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用电，使用户的电费最少，就需要对冰蓄冷系统进行控制策略。Stethmann在文献[1]中提出了冰蓄冷系统的控制策略，并对美国圣地亚哥一幢9200m2的建筑进行了模拟分析，发现控制策略与冷机优先相比，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%；而典型设计日基本不节省运行费。该文提出优化目标的约束条件，但没有对对蓄冰罐融冰的约束进行分析。

3.优化控制方法

优化控制的目标是在满足用户需求的条件下，使运行费最少，这样不仅对用户有利，而且可以拉平电负荷，对整个电网有利，促进合理用电。

该用户k时刻的负荷为qk，其中冷机负担qik，冷冻机出力qrk的费用为R（qrk），蓄冰罐出力qik的费用为I（qik）。全天的运行费M为其中：qrkmax为冷冻机k时刻的最大制冷能力；

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蓄冰罐中剩余的冰量有关，也就是与蓄冰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、用户负荷、系统性能给出具体目标函数后，可以使用最优化方法求解该问题，得以的结果是各时刻冷冻机和蓄冰罐分别负担的冷负荷qrk、qik。