基于冷凍能力最大化的啟停式冷水機(jī)組卸載控制

劉菁菁， 韓 寧， 姚立德

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083;2.臺(tái)北科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，臺(tái)灣臺(tái)北 10608)

臺(tái)灣地屬亞熱帶，夏季多為炎熱且潮濕的氣候，空調(diào)設(shè)備的需求量也因此而大幅提升，這也是造成夏季尖峰用電量快速增長(zhǎng)的主要原因。據(jù)調(diào)查，空調(diào)的用電量占總用電量的比例高達(dá)30%以上，空調(diào)總用電量中又以冷水機(jī)耗電量為最多[1]。

空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化控制在日益講究能源效益及高生活品質(zhì)的需求中扮演了重要的角色，其目的在于控制調(diào)整現(xiàn)有的空調(diào)設(shè)備，使得系統(tǒng)在操作時(shí)，耗用最少的能源就能達(dá)到系統(tǒng)的負(fù)載需求，創(chuàng)造高品質(zhì)與舒適的生產(chǎn)或生活環(huán)境，達(dá)到節(jié)約能源的目的[2]。

在高壓用戶中，最具卸載潛力的用戶為裝設(shè)空調(diào)主機(jī)的商業(yè)用戶。據(jù)調(diào)查，臺(tái)灣地區(qū)有高達(dá)65%的高壓用戶認(rèn)為若需實(shí)施需量交易，則該單位的空調(diào)負(fù)載為最適合進(jìn)行交易的電力負(fù)載。因此本研究的目標(biāo)是希望得到一套冷水機(jī)組卸載的優(yōu)化策略，既滿足空間負(fù)載的冷凍能力，又達(dá)到臺(tái)灣電力公司(簡(jiǎn)稱臺(tái)電)所要求的卸載量，并保證一定的舒適度，進(jìn)而提升能源利用率。

目前對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化卸載控制的相關(guān)研究多是針對(duì)離心式冷水機(jī)組，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)線性的最優(yōu)化卸載，但在實(shí)際應(yīng)用中的多是啟停式或分段式冷水機(jī)組，因此不能使用傳統(tǒng)的方法去控制，所以本文是針對(duì)廣泛應(yīng)用的啟停式或分段式冷水機(jī)組進(jìn)行最優(yōu)化卸載控制設(shè)計(jì)的。

1 負(fù)載控制策略及優(yōu)化控制方法

1.1 臺(tái)灣地區(qū)現(xiàn)行的負(fù)載控制策略

由于電業(yè)自由化，需量反應(yīng)措施在美國(guó)、英國(guó)及澳洲等國(guó)家已被提出并且逐漸推廣。需量反應(yīng)的基本定義是指電力公司預(yù)測(cè)未來的某段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)造成缺電，而在該段時(shí)間內(nèi)買回用戶的負(fù)載容量，轉(zhuǎn)而提供給較無卸載彈性且須供應(yīng)穩(wěn)定電力的用戶。

需量反應(yīng)包括多種需量管理措施:

(1)即時(shí)電價(jià)(real-time pricing tariffs);

(2)緊急性可停電力計(jì)劃(emergency load curtailm ent p rograms);

(3)自愿性卸載計(jì)劃(voluntary demand response program s);

(4)需量競(jìng)價(jià)計(jì)劃(demand bidding programs);

(5)負(fù)載直接控制(direct load control)。

上述做法可以個(gè)別獨(dú)立實(shí)施，也有部分機(jī)構(gòu)將多種做法合并為一種計(jì)劃實(shí)施[3]。

為保障電力系統(tǒng)的安全，電力公司要求用戶必須與臺(tái)電訂立契約容量，電力公司根據(jù)此契約容量準(zhǔn)備電力，同時(shí)為保證用戶履行合約而訂立超約用電處理原則。臺(tái)電的需量單位是每15 min內(nèi)的有效累積電力量值，每月最大電力需量超過契約容量在10%以下的部分，按適用電價(jià)的2倍計(jì)收基本電費(fèi);超過10%以上的部分，按適用電價(jià)的3倍計(jì)收基本電費(fèi)[4]，因此，抑制尖峰需量成為解決超額罰款問題的重點(diǎn)。又因?yàn)榭照{(diào)造成的尖峰需量達(dá)到總需量的30%以上，因此在尖峰負(fù)載時(shí)刻對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行卸載，能有效地降低尖峰需量。

1.2 常用的優(yōu)化控制方法

目前對(duì)于離心式空調(diào)壓縮機(jī)優(yōu)化控制最常用的幾種方法[5]是:平均卸載法、單位冷凍能力耗電量最小化法和MPCOP法。

(1)平均卸載法(ELD)[6]。這種方法是現(xiàn)今業(yè)界最常使用的方法。把每臺(tái)冷水機(jī)視為性能相同的主機(jī)，隨著系統(tǒng)的冷凍負(fù)載增加而增開冷水機(jī)，當(dāng)上線主機(jī)決定后，把系統(tǒng)負(fù)載平均分配到每臺(tái)冷水機(jī)上，且對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的其它元件作最佳化分析[7，8]。但冷水機(jī)組在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于管路架構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及保養(yǎng)狀況等因素，所表現(xiàn)出的性能亦不相同，而平均負(fù)載法忽略了不同機(jī)組間的性能差異，使求得的負(fù)載分配并非最佳化，未能使機(jī)組處于最佳狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)單位冷凍能力耗電量最小化法。此種方法的主要目的是:在保持冷凍能力一定的條件下，使耗電量最小，即最小化單位冷凍能量的耗電量。

(3)MPCOP法(COP最大法)。該方法是使空調(diào)壓縮機(jī)組在部分負(fù)載情況下COP值最大化。COP為空調(diào)主機(jī)的性能系數(shù)，因此研究COP曲線與部分負(fù)載率(Part Load Ratio，簡(jiǎn)稱PLR)的關(guān)系是該方法的基礎(chǔ)。

以上優(yōu)化控制方法都是針對(duì)離心式空調(diào)壓縮機(jī)的，而對(duì)啟停式(分段式)空調(diào)機(jī)組最優(yōu)化控制的研究目前卻還一直停滯不前。

因此本文的研究重點(diǎn)是針對(duì)啟停式(分段式)空調(diào)機(jī)組，提出了冷凍能力最大化法的最優(yōu)化卸載控制策略，既實(shí)現(xiàn)其冷凍能力最大又滿足舒適度的要求。

2 冷凍能力最大化法

空調(diào)的實(shí)際用戶主要考慮的是:在滿足臺(tái)灣電力公司卸載要求目標(biāo)的前提下，保持空調(diào)效能的最大化。由于空調(diào)效能最大化往往通過冷水機(jī)組的冷凍能力體現(xiàn)，因此以保持冷水機(jī)組冷凍能力最大化為目標(biāo)，能更好地滿足用戶的需求，所以目標(biāo)函數(shù)設(shè)為被卸載冷水機(jī)的冷凍能力總和為最小。

在進(jìn)行最優(yōu)化前需要得到的參數(shù)如下:

Ei(kT s):在k時(shí)段，第i組期望的最小冷凍能力。

W 1(kT s)為經(jīng)過前次卸載后，累計(jì)已卸載時(shí)間未達(dá)到最大卸載時(shí)間，可以繼續(xù)保持卸載的量。

W g(kT s)-W 1(kT s)表示除去上次卸載后可以繼續(xù)保持卸載的量外被要求的卸載量。因此，需要在達(dá)到卸載條件的冷水機(jī)中，選擇出最適合者代替卸載時(shí)間到達(dá)最大卸載時(shí)間而需要復(fù)歸的冷水機(jī)，使這個(gè)周期的總卸載量大于或等于要求卸載的值，即

決策變數(shù)為η(kT s)，即在k時(shí)段，第i組冷水機(jī)j是否被要求卸載。其值為1表示卸載，其值為0表示不卸載。

為了在達(dá)到卸載要求的前提下，被卸載的冷凍能力最小，最優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)設(shè)為:

為了使每一區(qū)域都能保持一定的舒適度，必須保證每一區(qū)域的最低冷凍能力，即

其中，i=1，…，n。處于復(fù)歸狀態(tài)下的冷水機(jī)也會(huì)由于自身內(nèi)部的控制程序而進(jìn)行啟停動(dòng)作，所以用來計(jì)算區(qū)域的冷凍能力更加合理。

因此最優(yōu)化模型可列為:

多臺(tái)單區(qū)、多臺(tái)多區(qū)的情況都可以通過改變(8)～(11)式中的參數(shù)及控制周期Ts來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本次實(shí)驗(yàn)選擇12臺(tái)啟停式冷水機(jī)和1臺(tái)兩段式、2臺(tái)三段式冷水機(jī)記錄數(shù)據(jù)，將分段式冷水機(jī)近似看成幾臺(tái)獨(dú)立的啟停式冷水機(jī)，可得20個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象(記為l)。

冷水機(jī)組參數(shù)見表1所列。

使用的軟件為C++和Lingo9.0。Lingo是一套專門用于求解最優(yōu)化問題的軟件。

表1 冷水機(jī)組參數(shù)表

將空調(diào)按照區(qū)域分為4組，第1組1～6，第2組7～11，第3組12～15，第4組16～20(其中3、4為兩段式冷水機(jī)，7、8、9為三段式冷水機(jī)，16、17、18為三段式冷水機(jī))，取5m in為1個(gè)采樣周期，進(jìn)行10個(gè)周期的最優(yōu)化計(jì)算，每個(gè)周期要求的卸載量見表2所列，4個(gè)區(qū)域需要保持的最小冷凍能力分別為280、120、200、200 kW，優(yōu)化后結(jié)果見表3所列。

表2 每一采樣周期要求卸載的量kW

表3 優(yōu)化卸載結(jié)果

由表1和表3可以計(jì)算出每個(gè)周期的卸載量和卸載的冷凍能力，以及每個(gè)區(qū)域的冷凍能力。

實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 優(yōu)化后卸載量比較

圖2 優(yōu)化后被卸載的冷凍能力

圖3 優(yōu)化后每一區(qū)域的冷凍能力

本文建立的優(yōu)化模型求解出的卸載結(jié)果可以滿足臺(tái)電的卸載要求，實(shí)際卸載量大于或等于要求的卸載量，能有效地避免超約罰款的產(chǎn)生，如圖1所示。

節(jié)約的冷凍能力如圖2所示。由圖2可見，可以達(dá)到提高能源利用率的目的。

將圖3與區(qū)域需要保持的最小冷凍能力比較可知，在10個(gè)采樣周期中，優(yōu)化后每個(gè)區(qū)域的冷凍能力都大于每個(gè)區(qū)域期望的最小冷凍能力，即能保證每一區(qū)域一定的冷凍能力，即一定的舒適度。

4 節(jié)能效益驗(yàn)證

節(jié)能效益驗(yàn)證是計(jì)算優(yōu)化卸載后的平均用電量與未進(jìn)行優(yōu)化卸載前平均用電量，前者即卸載后用電量累加后除以周期數(shù)，后者即卸載前用電量累加后除以周期數(shù)，依據(jù)下述公式計(jì)算而得。

電量節(jié)能效益=[(B-A)/B]×100%。

通過計(jì)算得到電量節(jié)能效益為22.5%。

冷凍能力節(jié)能效益=[(D-C)/D]×100%。

通過計(jì)算得到冷凍能力的節(jié)能效益為19.6%。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)臺(tái)灣電力負(fù)荷的控制策略，提出了對(duì)啟停式(分段式)冷水機(jī)組的優(yōu)化卸載控制策略，并且可以保證其一定的冷凍能力和舒適度。中國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，我國(guó)電力供給過去長(zhǎng)期處于緊缺和低水平供需平衡狀態(tài)[11]，目前也存在著嚴(yán)重的電荒問題，尖峰負(fù)載問題長(zhǎng)期存在，電力系統(tǒng)改革迫在眉睫。該研究對(duì)于電力負(fù)荷控制策略在國(guó)內(nèi)的推廣以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)有較大的借鑒作用。

在今后的研究中，還可以加入其它一些啟閉設(shè)備，如照明設(shè)備和水泵，其冷凍能力設(shè)為零，可不影響區(qū)域的冷凍能力，也可以再加入其它一些約束條件，如照度等。另外，可以通過焓值控制，求得每個(gè)區(qū)域期望的最小冷凍能力，以期達(dá)到更理想的人體舒適度。

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