冰蓄冷不同工况的综合能源系统规划优化研究

　　要: 主要研究冰蓄冷系统两种不同工作模式对综合能源系统规划优化的影响与规划优化方法。首先，结合电锅炉、地源热泵与冰蓄冷系统等设备构建综合能源系统网络结构;其次，建立设备出力，采用遗传算法进行综合能源系统规划设计;最后，以北方某一园区为例，得到综合能源系统园区按照冰蓄冷全部融冰工况运行工况规划的设备最优配置，并分析峰谷电价差与运行方案选择之间的关系。

　　本文源自杨凯; 何勇萍; 刘小敏; 俱鑫; 肖艳丽， 自动化技术与应用 发表时间：2021-04-25《自动化技术与应用》(月刊)创刊于1981年，是中国自动化学会、黑龙江省自动化学会、黑龙江省自动化研究所等单位联办的技术类月刊，国内外公开发行。主要报道国内外自动化控制理论及应用、工业过程控制、自动化仪器仪表与检测、电气自动化，模式识别与仿真、电气传动、系统工程建模、控制与决策、生物控制理论与技术、计算机应用与管理信息、计算机图形学及辅助设计、人工智能与专家系统以及其他自动化领域的相关论文，是自动化领域大专院校师生、科技工作者、工程技术人员学位与职称评定论文发表的合适刊物。

　　关键词:综合能源系统;冰蓄冷;多能协调

　　1 引言

　　近年来，随着社会经济高速发展和生产水平的提高，能源需求日益增长，引发了全球性环境问题[1] 。因此，综合能源系统(IES)的规划问题已成为国内外学者研究的前沿和热点，其核心要点是集成多种能源输入、输出以及设备对园区内供给侧和需求侧进行调配，以协同方式实现资源的最佳配置，提高综合能源利用效率[2] 。

　　目前，国内外对综合能源系统的规划问题已有较多研究[3-6] 。文献[3]建立了含热储、热锅炉、热电联供、吸收式制冷的规划模型, 规划各设备的安装容量。文献[4]考虑热网模型进行多区域综合能源系统的协同规划。

　　综上所述，在综合能源系统的规划设计方面的研究成果已不是少数，但是很少有考虑各种设备的不同工作。冰蓄冷系统作为综合能源系统中一种常见的设备，在运行过程中会有不同工况。冰蓄冷是我国近年来研究、发展的一项新技术，冰蓄冷空调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。

　　基于以上研究，本文将从冰蓄冷系统的两种工况考虑，结合地源热泵、电锅炉等分析冰蓄冷全部融冰和部分融冰对综合能源系统规划的影响，构建一种自动选择冰蓄冷最优运行方案的方法，同时，能够实现综合能源系统园区整体规划配置。

　　2 园区场景建设

　　本文研究的综合能源系统园区主要设备为太阳能光伏，地源热泵、冰蓄冷以及电锅炉，如图1所示。本文主要提出一种选择冰蓄冷最优工况进行规划配置的方法，此系统中，由光伏与电网向园区提供电力负荷;地源热泵与电锅炉为园区提供热负荷;地源热泵与冰蓄冷为园区提供冷负荷。其中，地源热泵拥有冬季供热，夏季供冷的优点，且供能能效比较高。冬季时，电锅炉设备在地源热泵供热无法满足园区热负荷时，电锅炉进行补热。夏季时，热泵与冰蓄冷设备协同为园区提供冷负荷，因冰蓄冷设备主要有全部融冰释冷和部分融冰释冷两种运行工况，所以在不同的负荷环境下冰蓄冷选择的运行工况不同会导致整个综合能源系统容量配置的不同。本文提出了一种针对不同负荷趋势配置冰蓄冷系统容量的综合能源系统规划建设方案，以降低系统成本、提升整个系统能源利用效率。

　　2.1 设备建模

　　(1) 冰蓄冷出力模型

　　随着综合能源系统相关研究不断发展，冰蓄冷系统在综合能源系统中的作用越来越大。冰蓄冷系统能够实现电-冷之间的耦合，并且享受低谷电价政策。目前冰蓄冷空调设备运行工况主要有两种，分别为全部融冰释冷与部分融冰释冷。

　　在部分融冰释冷工况下，由于制冷主机与蓄冰槽同时向园区释放冷量，可以减少冰蓄冷蓄冰槽容量，但是无法最大程度的提高其削峰填谷能力。而全部融冰释冷能够最大程度的削峰填谷，但是需要冰蓄冷蓄冰槽容量较大，初始投资较高，且供能稳定性较低，调整灵活性较低，响应时间较长。

　　冰蓄冷系统出力公式为：式中： 和 分别表示制冷机与蓄冰槽的制冷功率; 和 分别表示第i个制冷机和蓄冰槽的最大制冷功率; 和 分别表示第i个制冷机和蓄冰槽的最大电功率;Tmelt表示处于融冰时段;Tref表示处于蓄冰时段，式(3)表示蓄冰槽的蓄冰和融冰作业不可同时进行;表示制冷机的制冷能效比; 和 分别表示蓄冰槽的制冰能效比和融冰效率; 和 分别表示第i个蓄冰槽时段t+1和时段t的蓄冰容量; 是蓄冰槽的自损耗系数。

　　(2) 地源热泵出力模型

　　地源热泵通过地埋管与土地及地下水交换能量实现夏季供冷，冬天供热的功能。 Qmer.i=Pice.iEER Qtin.i=Phot.iCOP (5) 式中：Qmer.i为夏季制冷出力，Pice.i为制冷时耗电功率， EER 为制冷能效，Phot.i为制热时耗电功率，COP 为制热能效比。

　　(3) 电锅炉出力模型

　　电制锅炉是典型的电热耦合设备，其消耗电能产生热能以满足热负荷配合地源热泵共同为园区供热，典型电锅炉出力模型为： (6) (7) 式中， 、 分别为时段 t电锅炉消耗电能和制热功率;EB表示电热转换效率， 和 分别表示为电锅炉最小制热功率与最大制热功率。

　　2.2 规划约束

　　(1) 初始投资约束

　　综合考虑冰蓄冷、地源热泵、电锅炉三个设备子系统的初始的购置费用，安装费用应在投资能力的约束范围之内： (8) 式中：Tmax为园区最大投资能力，Gi为各设备的初始购置费用，Ai为各设备的初始安装费用。

　　(2) 能量约束

　　式中：Qmer.i为地源热泵制冷出力，Qref.i与Qtank.i分别为冰蓄冷设备融冰制冷以及直接制冷出力，Qlmax为园区冷负荷最大值，Qtin.i为地源热泵制热出力，QEB t为电锅炉制热功率QRmax为园区内最大热负荷，Egd为电网为园区最大供电功率，Gpv为光伏板发电功率，Eload为园区最大电负荷，Pi 为园区内综合能源系统各能源设备耗电功率。

　　3 目标函数及规划策略

　　3.1 规划目标

　　文以园区总成本最低为规划目标，将初始投资折算为净年值，综合考虑综合能源系统园区各设备年耗电成本以及运行维护成本：

　　式中：Cin为园区设备初始投资;Cop为设备安装成本; Cmc为园区设备初始安装费用;r代表年利率;y代表使用年限;xpv xrb xeb xis分别代表光伏、地源热泵、电锅炉和冰蓄冷的设备数量;cpv crb ceb cis分别代表各设备初始购置费用;ppv prb peb pis分别代表各设备安装建设费用;fpv frb feb fis 为各设备每年的运行维护费用。

　　3.2 规划策略

　　本文提出的热泵、冰蓄冷、电锅炉、光伏组成的综合能源系统。考虑冰蓄冷两种不同的工作状态对蓄冰容量以及制冷机主机制冷功率要求不同，当园区负荷波动情况较小、峰谷电价差较大时采用全部融冰制冷工况运行，但是冰蓄冷设备在综合能源系统中不仅充当着削峰填谷的作用，还需要和热泵共同为园区提供冷负荷，设备间运行的相互协协同使得确定各设备装机容量变得较为复杂。

　　本文提出了一种以全寿命周期成本最低为优化目标，规划综合能源系统设备装机容量的方法。

　　因热泵系统具有节能高效的优点，可以冬季供热、夏季供冷，规划策略中使热泵为满足用能基础设备，但因热泵价格高昂，需要配置冰蓄冷以及电锅炉来共同满足园区用能。本文依据冰蓄冷全部融冰制冷或部分融冰制冷两种制冷方案规划整个园区的设备容量配置。其中，方案一在热泵供能的基础上，冰蓄冷系统依据峰谷电价选择合适的蓄冰时间以及放冷时间;方案二与方案一不同点在于冰蓄冷系统制冷模式为融冰释冷与制冷机制冷双工况同时进行;最后以经济成本最低为目标自动选择最优的运行方案和相应的综合能源系统容量配置。

　　文章采用遗传算法对模型求解，该综合能源系统规划问题，因各设备相互影响，设备间互相耦合，属于非线性问题，本文使用遗传算法解决该问题能够有效的防止搜索过程中陷入局部最优解的问题，能够最大程度的实现全局搜索，找到最合适的规划最优解。如图3所示。

　　4 仿真分析

　　4.1 基础数据

　　本文以天津某商业园区数据为基础进行模型求解，并对园区规划优化结果进行分析。规划园区内部主要有冷热电负荷，其中电负荷由太阳能光伏板及外围电网供电，并拥有峰谷电价差。冷系统由地源热泵与冰蓄冷系统供能;热系统为热泵与电锅炉供能。由于此园区存在峰谷电价差，所以冰蓄冷的存在至关重要，可以削峰填谷利用峰谷电价节省园区成本。园区内部热负荷及冷负荷。

　　4.2 园区规划

　　本文以原始负荷为输入变量进行仿真模拟，虽然地源热泵能效较高，但其投资成本较大，因此无法单方面配置热泵系统。需要热泵、冰蓄冷、电锅炉协调规划。因本文提出的综合能源系统各设备间耦合特性较强，冰蓄冷设备的装机容量同时影响着热泵以及电锅炉的装机容量。根据本文的仿真模型，自动选择以方案一模式运行。表4为方案一运行模式下的综合能源系统园区规划结果。

　　冰蓄冷设备的装机容量不仅与负荷量的大小有关，同时与园区负荷的波动趋势有较大的关系。本案例中负荷波动较为平缓，根据数学模型仿真后得到结果：按照冰蓄冷方案一运行工况更适合与该园区，初始投资为7839 万元。因方案一配置冰蓄冷容量较大，在实际运行过程中可以利用大量的低谷电价制冰，既能保证了冰蓄冷削峰填谷量增加，又保障了园区的用能稳定性。

　　按照方案一规划结果可以看出，夏季供冷主要由热泵及冰蓄冷融冰制冷而来。冰蓄冷设备起到较大的削峰填谷作用，冰蓄冷设备全年共消耗电费1009283元。

　　根据图 5 该系统全年出力状况，全年热泵利用率较高。冰蓄冷系统蓄冰槽容量波动较大，持续进行充放，冰蓄冷能够最大程度上利用其“储能特性”实现削峰填谷，可充分利用峰谷价赚取利润。

　　在满足冷负荷的前提下，园区供冷设备主要由热泵供能，蓄冰槽储存冷量作为补充供能设备。用能高峰期，蓄冰槽储存冷量进行融冰释冷，当蓄冰槽中冷量储存不够时，冰蓄冷主机进行供冷。如图6、图7所示。

　　4.3 敏感性分析

　　因冰蓄冷容量的规划过程中系统相互耦合，冰蓄冷的容量受峰谷电价差的影响较大。本文缩短峰谷电价差后再次利用模型求解。

　　平段电价保持不变，缩短峰谷电价差值，分别缩小10%， 20%，30%，40%进行计算，如表5所示，得到以下结果。

　　由表5可知，当峰谷电价差较小时，按照冰蓄冷方案二运行能够以全寿命周期内最小的成本进行配置。当峰谷电价缩短40%时，若要求其按照方案一运行，年化投资为86562528元，相比于方案二年化投资较高。

　　5 结束语

　　本文建立一种含有冰蓄冷的综合能源系统园区规划方法。结果表明：

　　(1) 冰蓄冷两种不同的工况对综合能源系统进行规划，对初始投资影响巨大。同时，为冰蓄冷设备配置合适的装机容量能够为综合能源系统减少耗电费用。

　　(2) 电价对冰蓄冷的工况方案选择有明显影响。不同的负荷趋势与峰谷电价差对冰蓄冷运行方案选择以及容量配置有较大的影响。在本文案例中，峰谷电价差缩小为原有的 40%时，自动选择冰蓄冷方案二运行模式进行规划。