蓄冰系统优化控制算法

    0 引言

    蓄冰系统常见的控制策略有制冷机优先、蓄冰罐优先、均匀融冰和优化控制等。优化控制是指提出一经济性目标函数,然后在一定的约束条件下求解以使该目标函数达到最小值的方法。

    清华大学建筑技术科学系于1997年推出了一套蓄冰系统优化控制算法,笔者在该算法的基础上作了进一步研究。

    1 优化控制算法基本思路及在工程应用中存在的主要问题

    1.1 基本思路

    ①温度预测:根据历史数据和天气预报(最高温和最低温)预测第二天的24 h温度曲线。

    ②负荷预测:根据历史数据在每日供冷开始前预测当天的负荷曲线。

    ③负荷优化分配:建立负荷优化的数学模型,用单纯型法求解。

    1.2 存在的主要问题

    ①上述优化控制算法给出的逐时负荷分配结果常常使制冷机承担的负荷值逐时变化较大,导致制冷机启停频繁。这不仅造成运行管理不便,而且由于制冷机的启停带来的供冷量突然变化使得控制系统的稳定性下降。

    ②不易准确实测负荷。

    ③负荷预测过程中的大量矩阵运算,影响控制系统的可靠性。

    2 优化控制算法的数学模型的分析和简化

    2.1 负荷优化分配的数学模型

    设用户k时刻的负荷为qk,其中制冷机负担qrk,蓄冰罐负担qik,冷冻机出力qrk的费用为R(qrk),蓄冰罐出力qik的费用为I(qik),则全天的运行费M为

    优化的目标是从经济性考虑使全天的运行费M最小,优化的约束条件是:

    其中 qrkmax为冷冻机k时刻的最大制冷能力;qikmax为蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力。

    进一步分析,按电价结构、用户负荷、系统性能给出具体目标函数:

    假设蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力与剩冰成线性关系:

    其中 ak是制冷机单位供冷负荷的费用;bk是冰罐单位冷负荷的费用;c,d是蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力与剩冰之间的线性关系的两个常量,可根据蓄冰罐的融冰特性曲线求得;常量r是制冷机的最大制冷能力。

    可见,优化负荷分配的数学模型是一个线性规划问题。求解上述线性规划问题的结果即可得到各时刻冷冻机和蓄冰罐分别负担的冷负荷qrk,qik。

    2.2 线性规划问题的多解性

    上述问题为线性规划问题,其经典求解方法是单纯型法。例:某地电价结构如表1所示。

    共3台制冷机,总最大出力1 000 kW,蓄冰总量8 000kWh。

    供冷时间为8:00~17:00,逐时负荷和由单纯型法求得的逐时负荷分配见表2。

    上述给出的解,使制冷机在上午的运行负荷从100kW,变为600 kW,后为300 kW,不断变化。