冰蓄冷不同工況的綜合能源系統規劃優化研究

　　要: 主要研究冰蓄冷系統兩種不同工作模式對綜合能源系統規劃優化的影響與規劃優化方法。首先，結合電鍋爐、地源熱泵與冰蓄冷系統等設備構建綜合能源系統網絡結構;其次，建立設備出力，采用遺傳算法進行綜合能源系統規劃設計;最后，以北方某一園區為例，得到綜合能源系統園區按照冰蓄冷全部融冰工況運行工況規劃的設備最優配置，并分析峰谷電價差與運行方案選擇之間的關系。

　　本文源自楊凱; 何勇萍; 劉小敏; 俱鑫; 肖艷麗， 自動化技術與應用 發表時間：2021-04-25《自動化技術與應用》(月刊)創刊于1981年，是中國自動化學會、黑龍江省自動化學會、黑龍江省自動化研究所等單位聯辦的技術類月刊，國內外公開發行。主要報道國內外自動化控制理論及應用、工業過程控制、自動化儀器儀表與檢測、電氣自動化，模式識別與仿真、電氣傳動、系統工程建模、控制與決策、生物控制理論與技術、計算機應用與管理信息、計算機圖形學及輔助設計、人工智能與專家系統以及其他自動化領域的相關論文，是自動化領域大專院校師生、科技工作者、工程技術人員學位與職稱評定論文發表的合適刊物。

　　關鍵詞:綜合能源系統;冰蓄冷;多能協調

　　1 引言

　　近年來，隨著社會經濟高速發展和生產水平的提高，能源需求日益增長，引發了全球性環境問題[1] 。因此，綜合能源系統(IES)的規劃問題已成為國內外學者研究的前沿和熱點，其核心要點是集成多種能源輸入、輸出以及設備對園區內供給側和需求側進行調配，以協同方式實現資源的最佳配置，提高綜合能源利用效率[2] 。

　　目前，國內外對綜合能源系統的規劃問題已有較多研究[3-6] 。文獻[3]建立了含熱儲、熱鍋爐、熱電聯供、吸收式制冷的規劃模型, 規劃各設備的安裝容量。文獻[4]考慮熱網模型進行多區域綜合能源系統的協同規劃。

　　綜上所述，在綜合能源系統的規劃設計方面的研究成果已不是少數，但是很少有考慮各種設備的不同工作。冰蓄冷系統作為綜合能源系統中一種常見的設備，在運行過程中會有不同工況。冰蓄冷是我國近年來研究、發展的一項新技術，冰蓄冷空調系統可以削減電負荷高峰，緩解電力緊張，減少電力建設投資。

　　基于以上研究，本文將從冰蓄冷系統的兩種工況考慮，結合地源熱泵、電鍋爐等分析冰蓄冷全部融冰和部分融冰對綜合能源系統規劃的影響，構建一種自動選擇冰蓄冷最優運行方案的方法，同時，能夠實現綜合能源系統園區整體規劃配置。

　　2 園區場景建設

　　本文研究的綜合能源系統園區主要設備為太陽能光伏，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工況進行規劃配置的方法，此系統中，由光伏與電網向園區提供電力負荷;地源熱泵與電鍋爐為園區提供熱負荷;地源熱泵與冰蓄冷為園區提供冷負荷。其中，地源熱泵擁有冬季供熱，夏季供冷的優點，且供能能效比較高。冬季時，電鍋爐設備在地源熱泵供熱無法滿足園區熱負荷時，電鍋爐進行補熱。夏季時，熱泵與冰蓄冷設備協同為園區提供冷負荷，因冰蓄冷設備主要有全部融冰釋冷和部分融冰釋冷兩種運行工況，所以在不同的負荷環境下冰蓄冷選擇的運行工況不同會導致整個綜合能源系統容量配置的不同。本文提出了一種針對不同負荷趨勢配置冰蓄冷系統容量的綜合能源系統規劃建設方案，以降低系統成本、提升整個系統能源利用效率。

　　2.1 設備建模

　　(1) 冰蓄冷出力模型

　　隨著綜合能源系統相關研究不斷發展，冰蓄冷系統在綜合能源系統中的作用越來越大。冰蓄冷系統能夠實現電-冷之間的耦合，并且享受低谷電價政策。目前冰蓄冷空調設備運行工況主要有兩種，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，由于制冷主機與蓄冰槽同時向園區釋放冷量，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，且供能穩定性較低，調整靈活性較低，響應時間較長。

　　冰蓄冷系統出力公式為：式中： 和 分別表示制冷機與蓄冰槽的制冷功率; 和 分別表示第i個制冷機和蓄冰槽的最大制冷功率; 和 分別表示第i個制冷機和蓄冰槽的最大電功率;Tmelt表示處于融冰時段;Tref表示處于蓄冰時段，式(3)表示蓄冰槽的蓄冰和融冰作業不可同時進行;表示制冷機的制冷能效比; 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個蓄冰槽時段t+1和時段t的蓄冰容量; 是蓄冰槽的自損耗系數。

　　(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現夏季供冷，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為制冷時耗電功率， EER 為制冷能效，Phot.i為制熱時耗電功率，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備，其消耗電能產生熱能以滿足熱負荷配合地源熱泵共同為園區供熱，典型電鍋爐出力模型為： (6) (7) 式中， 、 分別為時段 t電鍋爐消耗電能和制熱功率;EB表示電熱轉換效率， 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、電鍋爐三個設備子系統的初始的購置費用，安裝費用應在投資能力的約束范圍之內： (8) 式中：Tmax為園區最大投資能力，Gi為各設備的初始購置費用，Ai為各設備的初始安裝費用。

　　(2) 能量約束

　　式中：Qmer.i為地源熱泵制冷出力，Qref.i與Qtank.i分別為冰蓄冷設備融冰制冷以及直接制冷出力，Qlmax為園區冷負荷最大值，Qtin.i為地源熱泵制熱出力，QEB t為電鍋爐制熱功率QRmax為園區內最大熱負荷，Egd為電網為園區最大供電功率，Gpv為光伏板發電功率，Eload為園區最大電負荷，Pi 為園區內綜合能源系統各能源設備耗電功率。

　　3 目標函數及規劃策略

　　3.1 規劃目標

　　文以園區總成本最低為規劃目標，將初始投資折算為凈年值，綜合考慮綜合能源系統園區各設備年耗電成本以及運行維護成本：

　　式中：Cin為園區設備初始投資;Cop為設備安裝成本; Cmc為園區設備初始安裝費用;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備數量;cpv crb ceb cis分別代表各設備初始購置費用;ppv prb peb pis分別代表各設備安裝建設費用;fpv frb feb fis 為各設備每年的運行維護費用。

　　3.2 規劃策略

　　本文提出的熱泵、冰蓄冷、電鍋爐、光伏組成的綜合能源系統。考慮冰蓄冷兩種不同的工作狀態對蓄冰容量以及制冷機主機制冷功率要求不同，當園區負荷波動情況較小、峰谷電價差較大時采用全部融冰制冷工況運行，但是冰蓄冷設備在綜合能源系統中不僅充當著削峰填谷的作用，還需要和熱泵共同為園區提供冷負荷，設備間運行的相互協協同使得確定各設備裝機容量變得較為復雜。

　　本文提出了一種以全壽命周期成本最低為優化目標，規劃綜合能源系統設備裝機容量的方法。

　　因熱泵系統具有節能高效的優點，可以冬季供熱、夏季供冷，規劃策略中使熱泵為滿足用能基礎設備，但因熱泵價格高昂，需要配置冰蓄冷以及電鍋爐來共同滿足園區用能。本文依據冰蓄冷全部融冰制冷或部分融冰制冷兩種制冷方案規劃整個園區的設備容量配置。其中，方案一在熱泵供能的基礎上，冰蓄冷系統依據峰谷電價選擇合適的蓄冰時間以及放冷時間;方案二與方案一不同點在于冰蓄冷系統制冷模式為融冰釋冷與制冷機制冷雙工況同時進行;最后以經濟成本最低為目標自動選擇最優的運行方案和相應的綜合能源系統容量配置。

　　文章采用遺傳算法對模型求解，該綜合能源系統規劃問題，因各設備相互影響，設備間互相耦合，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解的問題，能夠最大程度的實現全局搜索，找到最合適的規劃最優解。如圖3所示。

　　4 仿真分析

　　4.1 基礎數據

　　本文以天津某商業園區數據為基礎進行模型求解，并對園區規劃優化結果進行分析。規劃園區內部主要有冷熱電負荷，其中電負荷由太陽能光伏板及外圍電網供電，并擁有峰谷電價差。冷系統由地源熱泵與冰蓄冷系統供能;熱系統為熱泵與電鍋爐供能。由于此園區存在峰谷電價差，所以冰蓄冷的存在至關重要，可以削峰填谷利用峰谷電價節省園區成本。園區內部熱負荷及冷負荷。

　　4.2 園區規劃

　　本文以原始負荷為輸入變量進行仿真模擬，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。需要熱泵、冰蓄冷、電鍋爐協調規劃。因本文提出的綜合能源系統各設備間耦合特性較強，冰蓄冷設備的裝機容量同時影響著熱泵以及電鍋爐的裝機容量。根據本文的仿真模型，自動選擇以方案一模式運行。表4為方案一運行模式下的綜合能源系統園區規劃結果。

　　冰蓄冷設備的裝機容量不僅與負荷量的大小有關，同時與園區負荷的波動趨勢有較大的關系。本案例中負荷波動較為平緩，根據數學模型仿真后得到結果：按照冰蓄冷方案一運行工況更適合與該園區，初始投資為7839 萬元。因方案一配置冰蓄冷容量較大，在實際運行過程中可以利用大量的低谷電價制冰，既能保證了冰蓄冷削峰填谷量增加，又保障了園區的用能穩定性。

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

　　根據圖 5 該系統全年出力狀況，全年熱泵利用率較高。冰蓄冷系統蓄冰槽容量波動較大，持續進行充放，冰蓄冷能夠最大程度上利用其“儲能特性”實現削峰填谷，可充分利用峰谷價賺取利潤。

　　在滿足冷負荷的前提下，園區供冷設備主要由熱泵供能，蓄冰槽儲存冷量作為補充供能設備。用能高峰期，蓄冰槽儲存冷量進行融冰釋冷，當蓄冰槽中冷量儲存不夠時，冰蓄冷主機進行供冷。如圖6、圖7所示。

　　4.3 敏感性分析

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

　　平段電價保持不變，縮短峰谷電價差值，分別縮小10%， 20%，30%，40%進行計算，如表5所示，得到以下結果。

　　由表5可知，當峰谷電價差較小時，按照冰蓄冷方案二運行能夠以全壽命周期內最小的成本進行配置。當峰谷電價縮短40%時，若要求其按照方案一運行，年化投資為86562528元，相比于方案二年化投資較高。

　　5 結束語

　　本文建立一種含有冰蓄冷的綜合能源系統園區規劃方法。結果表明：

　　(1) 冰蓄冷兩種不同的工況對綜合能源系統進行規劃，對初始投資影響巨大。同時，為冰蓄冷設備配置合適的裝機容量能夠為綜合能源系統減少耗電費用。

　　(2) 電價對冰蓄冷的工況方案選擇有明顯影響。不同的負荷趨勢與峰谷電價差對冰蓄冷運行方案選擇以及容量配置有較大的影響。在本文案例中，峰谷電價差縮小為原有的 40%時，自動選擇冰蓄冷方案二運行模式進行規劃。