冰蓄冷不同工況的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化研究

　　要: 主要研究冰蓄冷系統(tǒng)兩種不同工作模式對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化的影響與規(guī)劃優(yōu)化方法。首先，結(jié)合電鍋爐、地源熱泵與冰蓄冷系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);其次，建立設(shè)備出力，采用遺傳算法進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì);最后，以北方某一園區(qū)為例，得到綜合能源系統(tǒng)園區(qū)按照冰蓄冷全部融冰工況運(yùn)行工況規(guī)劃的設(shè)備最優(yōu)配置，并分析峰谷電價(jià)差與運(yùn)行方案選擇之間的關(guān)系。

　　本文源自楊凱; 何勇萍; 劉小敏; 俱鑫; 肖艷麗， 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 發(fā)表時(shí)間：2021-04-25《自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1981年，是中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)、黑龍江省自動(dòng)化學(xué)會(huì)、黑龍江省自動(dòng)化研究所等單位聯(lián)辦的技術(shù)類月刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。主要報(bào)道國內(nèi)外自動(dòng)化控制理論及應(yīng)用、工業(yè)過程控制、自動(dòng)化儀器儀表與檢測(cè)、電氣自動(dòng)化，模式識(shí)別與仿真、電氣傳動(dòng)、系統(tǒng)工程建模、控制與決策、生物控制理論與技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與管理信息、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及輔助設(shè)計(jì)、人工智能與專家系統(tǒng)以及其他自動(dòng)化領(lǐng)域的相關(guān)論文，是自動(dòng)化領(lǐng)域大專院校師生、科技工作者、工程技術(shù)人員學(xué)位與職稱評(píng)定論文發(fā)表的合適刊物。

　　關(guān)鍵詞:綜合能源系統(tǒng);冰蓄冷;多能協(xié)調(diào)

　　1 引言

　　近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和生產(chǎn)水平的提高，能源需求日益增長，引發(fā)了全球性環(huán)境問題[1] 。因此，綜合能源系統(tǒng)(IES)的規(guī)劃問題已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的前沿和熱點(diǎn)，其核心要點(diǎn)是集成多種能源輸入、輸出以及設(shè)備對(duì)園區(qū)內(nèi)供給側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行調(diào)配，以協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)資源的最佳配置，提高綜合能源利用效率[2] 。

　　目前，國內(nèi)外對(duì)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題已有較多研究[3-6] 。文獻(xiàn)[3]建立了含熱儲(chǔ)、熱鍋爐、熱電聯(lián)供、吸收式制冷的規(guī)劃模型, 規(guī)劃各設(shè)備的安裝容量。文獻(xiàn)[4]考慮熱網(wǎng)模型進(jìn)行多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃。

　　綜上所述，在綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究成果已不是少數(shù)，但是很少有考慮各種設(shè)備的不同工作。冰蓄冷系統(tǒng)作為綜合能源系統(tǒng)中一種常見的設(shè)備，在運(yùn)行過程中會(huì)有不同工況。冰蓄冷是我國近年來研究、發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，冰蓄冷空調(diào)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。

　　基于以上研究，本文將從冰蓄冷系統(tǒng)的兩種工況考慮，結(jié)合地源熱泵、電鍋爐等分析冰蓄冷全部融冰和部分融冰對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的影響，構(gòu)建一種自動(dòng)選擇冰蓄冷最優(yōu)運(yùn)行方案的方法，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合能源系統(tǒng)園區(qū)整體規(guī)劃配置。

　　2 園區(qū)場(chǎng)景建設(shè)

　　本文研究的綜合能源系統(tǒng)園區(qū)主要設(shè)備為太陽能光伏，地源熱泵、冰蓄冷以及電鍋爐，如圖1所示。本文主要提出一種選擇冰蓄冷最優(yōu)工況進(jìn)行規(guī)劃配置的方法，此系統(tǒng)中，由光伏與電網(wǎng)向園區(qū)提供電力負(fù)荷;地源熱泵與電鍋爐為園區(qū)提供熱負(fù)荷;地源熱泵與冰蓄冷為園區(qū)提供冷負(fù)荷。其中，地源熱泵擁有冬季供熱，夏季供冷的優(yōu)點(diǎn)，且供能能效比較高。冬季時(shí)，電鍋爐設(shè)備在地源熱泵供熱無法滿足園區(qū)熱負(fù)荷時(shí)，電鍋爐進(jìn)行補(bǔ)熱。夏季時(shí)，熱泵與冰蓄冷設(shè)備協(xié)同為園區(qū)提供冷負(fù)荷，因冰蓄冷設(shè)備主要有全部融冰釋冷和部分融冰釋冷兩種運(yùn)行工況，所以在不同的負(fù)荷環(huán)境下冰蓄冷選擇的運(yùn)行工況不同會(huì)導(dǎo)致整個(gè)綜合能源系統(tǒng)容量配置的不同。本文提出了一種針對(duì)不同負(fù)荷趨勢(shì)配置冰蓄冷系統(tǒng)容量的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)方案，以降低系統(tǒng)成本、提升整個(gè)系統(tǒng)能源利用效率。

　　2.1 設(shè)備建模

　　(1) 冰蓄冷出力模型

　　隨著綜合能源系統(tǒng)相關(guān)研究不斷發(fā)展，冰蓄冷系統(tǒng)在綜合能源系統(tǒng)中的作用越來越大。冰蓄冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電-冷之間的耦合，并且享受低谷電價(jià)政策。目前冰蓄冷空調(diào)設(shè)備運(yùn)行工況主要有兩種，分別為全部融冰釋冷與部分融冰釋冷。

　　在部分融冰釋冷工況下，由于制冷主機(jī)與蓄冰槽同時(shí)向園區(qū)釋放冷量，可以減少冰蓄冷蓄冰槽容量，但是無法最大程度的提高其削峰填谷能力。而全部融冰釋冷能夠最大程度的削峰填谷，但是需要冰蓄冷蓄冰槽容量較大，初始投資較高，且供能穩(wěn)定性較低，調(diào)整靈活性較低，響應(yīng)時(shí)間較長。

　　冰蓄冷系統(tǒng)出力公式為：式中： 和 分別表示制冷機(jī)與蓄冰槽的制冷功率; 和 分別表示第i個(gè)制冷機(jī)和蓄冰槽的最大制冷功率; 和 分別表示第i個(gè)制冷機(jī)和蓄冰槽的最大電功率;Tmelt表示處于融冰時(shí)段;Tref表示處于蓄冰時(shí)段，式(3)表示蓄冰槽的蓄冰和融冰作業(yè)不可同時(shí)進(jìn)行;表示制冷機(jī)的制冷能效比; 和 分別表示蓄冰槽的制冰能效比和融冰效率; 和 分別表示第i個(gè)蓄冰槽時(shí)段t+1和時(shí)段t的蓄冰容量; 是蓄冰槽的自損耗系數(shù)。

　　(2) 地源熱泵出力模型

　　地源熱泵通過地埋管與土地及地下水交換能量實(shí)現(xiàn)夏季供冷，冬天供熱的功能。 Qmer.i=Pice.iEER Qtin.i=Phot.iCOP (5) 式中：Qmer.i為夏季制冷出力，Pice.i為制冷時(shí)耗電功率， EER 為制冷能效，Phot.i為制熱時(shí)耗電功率，COP 為制熱能效比。

　　(3) 電鍋爐出力模型

　　電制鍋爐是典型的電熱耦合設(shè)備，其消耗電能產(chǎn)生熱能以滿足熱負(fù)荷配合地源熱泵共同為園區(qū)供熱，典型電鍋爐出力模型為： (6) (7) 式中， 、 分別為時(shí)段 t電鍋爐消耗電能和制熱功率;EB表示電熱轉(zhuǎn)換效率， 和 分別表示為電鍋爐最小制熱功率與最大制熱功率。

　　2.2 規(guī)劃約束

　　(1) 初始投資約束

　　綜合考慮冰蓄冷、地源熱泵、電鍋爐三個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)的初始的購置費(fèi)用，安裝費(fèi)用應(yīng)在投資能力的約束范圍之內(nèi)： (8) 式中：Tmax為園區(qū)最大投資能力，Gi為各設(shè)備的初始購置費(fèi)用，Ai為各設(shè)備的初始安裝費(fèi)用。

　　(2) 能量約束

　　式中：Qmer.i為地源熱泵制冷出力，Qref.i與Qtank.i分別為冰蓄冷設(shè)備融冰制冷以及直接制冷出力，Qlmax為園區(qū)冷負(fù)荷最大值，Qtin.i為地源熱泵制熱出力，QEB t為電鍋爐制熱功率QRmax為園區(qū)內(nèi)最大熱負(fù)荷，Egd為電網(wǎng)為園區(qū)最大供電功率，Gpv為光伏板發(fā)電功率，Eload為園區(qū)最大電負(fù)荷，Pi 為園區(qū)內(nèi)綜合能源系統(tǒng)各能源設(shè)備耗電功率。

　　3 目標(biāo)函數(shù)及規(guī)劃策略

　　3.1 規(guī)劃目標(biāo)

　　文以園區(qū)總成本最低為規(guī)劃目標(biāo)，將初始投資折算為凈年值，綜合考慮綜合能源系統(tǒng)園區(qū)各設(shè)備年耗電成本以及運(yùn)行維護(hù)成本：

　　式中：Cin為園區(qū)設(shè)備初始投資;Cop為設(shè)備安裝成本; Cmc為園區(qū)設(shè)備初始安裝費(fèi)用;r代表年利率;y代表使用年限;xpv xrb xeb xis分別代表光伏、地源熱泵、電鍋爐和冰蓄冷的設(shè)備數(shù)量;cpv crb ceb cis分別代表各設(shè)備初始購置費(fèi)用;ppv prb peb pis分別代表各設(shè)備安裝建設(shè)費(fèi)用;fpv frb feb fis 為各設(shè)備每年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

　　3.2 規(guī)劃策略

　　本文提出的熱泵、冰蓄冷、電鍋爐、光伏組成的綜合能源系統(tǒng)。考慮冰蓄冷兩種不同的工作狀態(tài)對(duì)蓄冰容量以及制冷機(jī)主機(jī)制冷功率要求不同，當(dāng)園區(qū)負(fù)荷波動(dòng)情況較小、峰谷電價(jià)差較大時(shí)采用全部融冰制冷工況運(yùn)行，但是冰蓄冷設(shè)備在綜合能源系統(tǒng)中不僅充當(dāng)著削峰填谷的作用，還需要和熱泵共同為園區(qū)提供冷負(fù)荷，設(shè)備間運(yùn)行的相互協(xié)協(xié)同使得確定各設(shè)備裝機(jī)容量變得較為復(fù)雜。

　　本文提出了一種以全壽命周期成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，規(guī)劃綜合能源系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)容量的方法。

　　因熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)，可以冬季供熱、夏季供冷，規(guī)劃策略中使熱泵為滿足用能基礎(chǔ)設(shè)備，但因熱泵價(jià)格高昂，需要配置冰蓄冷以及電鍋爐來共同滿足園區(qū)用能。本文依據(jù)冰蓄冷全部融冰制冷或部分融冰制冷兩種制冷方案規(guī)劃整個(gè)園區(qū)的設(shè)備容量配置。其中，方案一在熱泵供能的基礎(chǔ)上，冰蓄冷系統(tǒng)依據(jù)峰谷電價(jià)選擇合適的蓄冰時(shí)間以及放冷時(shí)間;方案二與方案一不同點(diǎn)在于冰蓄冷系統(tǒng)制冷模式為融冰釋冷與制冷機(jī)制冷雙工況同時(shí)進(jìn)行;最后以經(jīng)濟(jì)成本最低為目標(biāo)自動(dòng)選擇最優(yōu)的運(yùn)行方案和相應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)容量配置。

　　文章采用遺傳算法對(duì)模型求解，該綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題，因各設(shè)備相互影響，設(shè)備間互相耦合，屬于非線性問題，本文使用遺傳算法解決該問題能夠有效的防止搜索過程中陷入局部最優(yōu)解的問題，能夠最大程度的實(shí)現(xiàn)全局搜索，找到最合適的規(guī)劃最優(yōu)解。如圖3所示。

　　4 仿真分析

　　4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　本文以天津某商業(yè)園區(qū)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模型求解，并對(duì)園區(qū)規(guī)劃優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析。規(guī)劃園區(qū)內(nèi)部主要有冷熱電負(fù)荷，其中電負(fù)荷由太陽能光伏板及外圍電網(wǎng)供電，并擁有峰谷電價(jià)差。冷系統(tǒng)由地源熱泵與冰蓄冷系統(tǒng)供能;熱系統(tǒng)為熱泵與電鍋爐供能。由于此園區(qū)存在峰谷電價(jià)差，所以冰蓄冷的存在至關(guān)重要，可以削峰填谷利用峰谷電價(jià)節(jié)省園區(qū)成本。園區(qū)內(nèi)部熱負(fù)荷及冷負(fù)荷。

　　4.2 園區(qū)規(guī)劃

　　本文以原始負(fù)荷為輸入變量進(jìn)行仿真模擬，雖然地源熱泵能效較高，但其投資成本較大，因此無法單方面配置熱泵系統(tǒng)。需要熱泵、冰蓄冷、電鍋爐協(xié)調(diào)規(guī)劃。因本文提出的綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備間耦合特性較強(qiáng)，冰蓄冷設(shè)備的裝機(jī)容量同時(shí)影響著熱泵以及電鍋爐的裝機(jī)容量。根據(jù)本文的仿真模型，自動(dòng)選擇以方案一模式運(yùn)行。表4為方案一運(yùn)行模式下的綜合能源系統(tǒng)園區(qū)規(guī)劃結(jié)果。

　　冰蓄冷設(shè)備的裝機(jī)容量不僅與負(fù)荷量的大小有關(guān)，同時(shí)與園區(qū)負(fù)荷的波動(dòng)趨勢(shì)有較大的關(guān)系。本案例中負(fù)荷波動(dòng)較為平緩，根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真后得到結(jié)果：按照冰蓄冷方案一運(yùn)行工況更適合與該園區(qū)，初始投資為7839 萬元。因方案一配置冰蓄冷容量較大，在實(shí)際運(yùn)行過程中可以利用大量的低谷電價(jià)制冰，既能保證了冰蓄冷削峰填谷量增加，又保障了園區(qū)的用能穩(wěn)定性。

　　按照方案一規(guī)劃結(jié)果可以看出，夏季供冷主要由熱泵及冰蓄冷融冰制冷而來。冰蓄冷設(shè)備起到較大的削峰填谷作用，冰蓄冷設(shè)備全年共消耗電費(fèi)1009283元。

　　根據(jù)圖 5 該系統(tǒng)全年出力狀況，全年熱泵利用率較高。冰蓄冷系統(tǒng)蓄冰槽容量波動(dòng)較大，持續(xù)進(jìn)行充放，冰蓄冷能夠最大程度上利用其“儲(chǔ)能特性”實(shí)現(xiàn)削峰填谷，可充分利用峰谷價(jià)賺取利潤。

　　在滿足冷負(fù)荷的前提下，園區(qū)供冷設(shè)備主要由熱泵供能，蓄冰槽儲(chǔ)存冷量作為補(bǔ)充供能設(shè)備。用能高峰期，蓄冰槽儲(chǔ)存冷量進(jìn)行融冰釋冷，當(dāng)蓄冰槽中冷量儲(chǔ)存不夠時(shí)，冰蓄冷主機(jī)進(jìn)行供冷。如圖6、圖7所示。

　　4.3 敏感性分析

　　因冰蓄冷容量的規(guī)劃過程中系統(tǒng)相互耦合，冰蓄冷的容量受峰谷電價(jià)差的影響較大。本文縮短峰谷電價(jià)差后再次利用模型求解。

　　平段電價(jià)保持不變，縮短峰谷電價(jià)差值，分別縮小10%， 20%，30%，40%進(jìn)行計(jì)算，如表5所示，得到以下結(jié)果。

　　由表5可知，當(dāng)峰谷電價(jià)差較小時(shí)，按照冰蓄冷方案二運(yùn)行能夠以全壽命周期內(nèi)最小的成本進(jìn)行配置。當(dāng)峰谷電價(jià)縮短40%時(shí)，若要求其按照方案一運(yùn)行，年化投資為86562528元，相比于方案二年化投資較高。

　　5 結(jié)束語

　　本文建立一種含有冰蓄冷的綜合能源系統(tǒng)園區(qū)規(guī)劃方法。結(jié)果表明：

　　(1) 冰蓄冷兩種不同的工況對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)初始投資影響巨大。同時(shí)，為冰蓄冷設(shè)備配置合適的裝機(jī)容量能夠?yàn)榫C合能源系統(tǒng)減少耗電費(fèi)用。

　　(2) 電價(jià)對(duì)冰蓄冷的工況方案選擇有明顯影響。不同的負(fù)荷趨勢(shì)與峰谷電價(jià)差對(duì)冰蓄冷運(yùn)行方案選擇以及容量配置有較大的影響。在本文案例中，峰谷電價(jià)差縮小為原有的 40%時(shí)，自動(dòng)選擇冰蓄冷方案二運(yùn)行模式進(jìn)行規(guī)劃。