多类型供冷系统的优化调度

多类型供冷系统的优化调度

0系统联合优化调度随着能源消耗的持续增长，各种类型的冷却能耗装置被广泛使用，以扩大能源消费。供冷设备一般包括常规电制冷机、冰蓄冷系统、地源热泵系统、三联供系统等类型。其负荷特性各不相同,而且消耗的能源种类复杂。在制冷设备和制冷系统优化运行的研究中,缺乏对整个多类型供冷系统进行联合优化调度的策略。优化调度的难点在于对研究的系统进行科学的数学建模,以便描述目标函数和约束条件,并选择合适的方法进行求解。本文用0-1离散变量描述常规电制冷机、双工况冷机和蓄冰槽的起停状态,用连续变量描述冷机可调的输出功率,从而对制冷系统进行数学建模,形成了优先满载常开、功率小、效率高的地源热泵和三联供系统,并且联合优化了常规电制冷机与冰蓄冷系统的调度策略。1冰蓄冷系统所需资源量的优化目前,大型楼宇空调系统普遍由多类型冷源组成,各类冷源联合承担用户负荷。这类系统包含的冷源种类多、负荷特性差异大,并且包含储能环节。高层建筑多类型供冷系统示意图如图1所示。大型楼宇多类型供冷系统主要包括:(1)常规电制冷机。在供冷系统中一般承担基础冷负荷。(2)冰蓄冷系统。冰蓄冷系统一般由多台双工况电制冷机和一个大型蓄冰槽组成。双工况制冷机可以为冰蓄槽制冰,也可单独对外供冷。蓄冰槽可以将冷量储存,在需要时对外供冷。(3)三联供系统。采用燃气内燃机作为三联供系统的原动机,二次侧热水作为热水型溴化锂吸收式制冷机的热源,用于空调供冷。由于三联供系统主要利用天然气发电,二次侧热水额外产出,因此利用这部分热能供冷经济性高。(4)地源热泵系统。利用土壤中储存的太阳能资源,进行能量转换来供暖、制冷。该系统高效环保,一般优先满载开起。由于三联供系统与地源热泵系统能效比高,而且提供的冷功率远小于常规电制冷机与冰蓄冷系统,因此对这两者采取优先满载常开的策略。由于每类冷机的效率曲线不尽相同,因此提供定量冷功率时消耗的电功率不一样,同时考虑到分时电价政策,承担同样冷负荷时使系统电费花销最少是评判多类型供冷系统是否经济的重要指标。经简化后,多类型供冷系统需要优化常规电制冷机和冰蓄冷系统。可以控制的量包括:(1)普通电制冷机的输出功率及起停状态。(2)双工况制冷机制冰或空调功率及制冰或空调模式的起停状态。(3)蓄冰槽供冷功率及供冷起停状态。2多类型冷系统的经济模型2.1空调冷机供冷量t电制冷机包括蒸发器、冷凝器、膨胀阀和压缩机四个主要部分。设多类型供冷系统中有m类常规电制冷机,每类中电制冷机台数为g(i),i=1,2,…,m,则常规电制冷机输入电功率为式中:x———电制冷机输出冷功率;ainor、cinor———二次函数二次项系数和顶点位置;Pino,rrated———冷机额定功率;finor,e(Tie)———表示蒸发温度对冷机效率影响的函数;finor,c(Tic)———冷凝温度对冷机效率影响的函数,一般冷凝温度下降或蒸发温度上升都会使冷机效率提高。常规电制冷机供冷价格为式中:T———供冷时间;pe———供冷时段电价;———第i类、第k台常规电制冷机制冷功率;———第i类、第k台常规电制冷机起停标志,1表示工作,0表示停止。双工况电制冷机有两种运行模式,在空调工况可以直接制冷,在制冰工况可以在蓄冰槽中制冰。设多类型供冷系统中有n类双工况电制冷机,每类中电制冷机台数h(j),j=1,2,…,n,则双工况电制冷机空调与制冰工况下输入电功率分别为双工况电制冷机空调工况下供冷价格为式中:xjai,kr———第j类、第k台双工况电制冷机空调工况下制冷功率;Yjai,kr———第j类、第k台双工况电制冷机空调工况下起停标志,1表示工作,0表示停止。2.2单位冷量均价由于双工况电制冷机在制冰工况下可以在蓄冰槽中制冰蓄冷,这部分能量被储存起来,因此这个过程消耗电能的费用直接计入该时段电费总和是不合理的。引入蓄冰槽冷量均价ps描述单位冷量的价格:式中:pinit———冷量均价初值;Ps———蓄冰槽供冷功率;xjic,ke———第j类、第k台双工况电制冷机制冰功率;Yjic,ke———第j类、第k台双工况电制冷机制冰工况下起停标志,1表示工作,0表示停止;Ys———蓄冰槽供冷起停标志,1表示工作,0表示停止。3冷系统的多类型设计策略3.1冷源起停状态优化优化调度策略包括全天预测负荷分块、长时段冷源起停状态优化和短时段冷源承担负荷优化三个步骤。(1)全天预测负荷分块是将一天内预测的冷负荷中电价相同且负荷变化不大的相邻小时合并成多个长时段。(2)长时段冷源起停状态优化,主要是对分块好的每一长时段求解优化问题,解出该长时段内需要工作的机组,在满足功率平衡等一系列约束的条件下使电费最低。(3)在各个长时段内根据计算出的各冷源起停情况,求解各工作冷源承担的冷负荷。多类型供冷系统的调度策略如图2所示。3.2冰蓄冷系统约束(1)目标函数。该优化问题的目标函数为冰蓄冷系统供冷与常规电制冷机供冷所需电费之和:(2)约束条件。供冷功率与冷功率负荷平衡的约束条件:式中:Pavg———长时段内每小时预测负荷在扣除三联供和地源热泵满载功率后的平均负荷功率。冷机输出功率在最小输出功率到额定功率之间:αjair、αjice———第j类双工况电制冷机空调与制冰工况最小输出功率比例;Pino,rrated———第i类常规制冷机额定输出功率;Pjai,rrated、Pjic,erated———第j类双工况冷机空调与制冰工况额定输出功率。冰蓄冷系统板换换热功率约束:冰蓄冷系统提供的冷量通过专门的板换与楼宇的空调冷冻水系统交换能量。板换的最大换热功率Pexmax为蓄冰槽放冷功率约束,有上限和下限的约束:式中:Psmax、Psmin———蓄冰槽放冷功率的上、下限。蓄冰槽所储冷量约束:蓄冰槽储存冷量应小于其最大容量,并大于设置的安全下限。式中:αs———蓄冰槽最小储冷量比例;Wsmax———蓄冰槽最大储冷容量;N———长时段内的小时数。冰蓄冷工作模式约束:冰蓄冷系统在任意时刻只能处于一种工作模式。因此,该多类型供冷系统优化问题包含连续变量和离散变量,约束条件包括线性约束和非线性约束,属于混合整数规划问题。该阶段的优化函数输出各冷源起停标志传递给下一步的短时段优化。3.3优化目标函数和约束条件在短时段优化中,由于要优化给定的长时段内每小时工作冷源的承担负荷,因此功率是一个数组。此外,冷源承担负荷优化中各冷源起停状态由上一步的优化求解得到,所以是已知量。目标函数和约束条件均满足这两个条件。(1)目标函数。该步优化的目标函数与长时段的形式相似,但由于各冷源起停状态是已知量,因此目标函数是二次函数。(2)约束条件。供冷功率与冷功率负荷平衡,冷机输出功率约束,冰蓄冷系统板换换热功率约束,蓄冰槽放冷功率约束均与长时段优化中的形式相同。蓄冰槽所储冷量约束:由于起停状态已知,故不再需要冰蓄冷工作模式约束。由式(16)可以看出,短时段冷源承担负荷优化问题的目标函数为二次函数,约束条件均为线性约束,所以整个问题为二次规划,求解相对容易。4离心式电制冷机、双工况离心式电质冷机、蓄冰槽、地源热泵和三网总运行图上海某超高层建筑低区冷源系统主要为3台常规离心式电制冷机(2台3900kW、1台2150kW)、3台双工况离心式电制冷机、蓄冰槽、地源热泵和三联供溴化锂制冷机。由于地源热泵和三联供溴化锂制冷机功率较小且效率高,为了简化系统,让两者优先满载常开,并用于维持所有电制冷机的冷凝温度和蒸发温度在设计值处,剩余的冷负荷由常规电制冷机和冰蓄冷系统优化调度,并假设所有板换换热效率为1。4.1空调双工况离心式电制冷机简化后系统参数如下,函数关系中自变量与因变量皆为功率的标幺值。(1)721/3900kW离心式电制冷机:(2)391/2150kW离心式电制冷机:(3)1345/6329kW双工况离心式电制冷机空调工况:每台双工况电制冷机在制冰工况下制冰功率为3868kW,消耗电功率为980kW,为简化制冰一律全功率。蓄冰槽最大容量为92822kWh,容量下限设置为5000kWh。4.2电价谷时负荷优化结果为了证明优化调度算法的有效性,本文将该优化调度策略应用于单个时段负荷调度方面,并按照电价峰时、谷时和负荷高、中、低进行分类运算。(1)电价谷时。谷时电费取0.3元/kWh,蓄冰槽初始冷量取10000kWh,蓄冰槽初始冷量均价按照初始冷量全部在电价谷时由双工况电制冷机全功率制冰充入计算,经计算为0.076元/kWh。预测的高、中、低负荷分别为20000、12000、3900kW。电价谷时负荷优化结果如表1所示。电价谷时低负荷情况下,首先由效率最高的双工况电制冷机提供所需冷负荷,由于不需要工作在空调工况,故双工况电制冷机开始制冰储能。随着负荷提高,逐步起用低效率的制冷机组,蓄冰槽也参与供冷,以避免部分电制冷机输出功率很小而出现效率急剧下降的情况。当蓄冰槽供冷时,由于工作模式的唯一性,蓄冰槽不再制冰蓄冷。(2)电价峰时。峰时电费取0.61元/kWh,蓄冰槽初始冷量取16000kWh,蓄冰槽初始冷量均价按照初始冷量全部在电价谷时由双工况电制冷机全功率制冰充入计算,经计算为0.076元/kWh。预测的高、中、低负荷分别为20000、12000、3900kW。电价峰时负荷优化结果如表2所示。电价峰时低负荷情况下,优先蓄冰槽供冷。随着负荷增长,高效率的电制冷机组开始参与供冷。与电价谷时的情况类似,蓄冰槽并不全额供冷,在保证冷机输出效率最高的情况下尽可能多供冷。由于在电价峰时蓄冰槽优先参与供冷,因此冰蓄冷系统不会处于制冰工况。4.3优化调度策略验证全天调度的仿真应用长时段冷源起停状态优化和短时段冷源承担负荷优化,给定24h内预测冷负荷,蓄冰槽初始冷量取40000kWh,初始冷量均价为0.076元/kWh。全天电价如下:22:00~6:00为电价谷时,电费为0.3元/kWh;6:00~22:00为电价峰时,电费为0.61元/kWh。全天24h预测负荷如图3所示。为了验证前面提出的优化调度策略的节电效果,选取另外一种相对合理的调度策略进行对比。该调度策略为蓄冰槽在谷时冲冷,初始储量为40000kWh,储量下限为5000kWh;在峰时优先使用蓄冰槽放冷,冷机按照冷机优先级依功率从小到大开起。两种调度策略每小时消耗电费如图4所示。由图4可知,讨论策略的全天总电费为15802元,提出策略的全天总电费为15334元,相对节约电费约3%。两种策略结果差异不大的原因主要在于该供冷系统蓄冰槽容量比较大,在电价峰时两种策略都优先使用蓄冰槽供冷,故提出策略在冷机调度方面的优势不能完全显现。可以预见的是,当蓄冰槽容量有限或预测负荷较大而导致楼宇大部分供冷直接由空调提供时,本文提出的策略优势会更加明显。5冷机和冰蓄冷系统