一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方法，包括：建立輸出功率、頻率擾動量和水壓變化量之間的數(shù)學(xué)模型及約束條件，形成供水系統(tǒng)輸出功率在線檢測需要的數(shù)學(xué)模型；在穩(wěn)態(tài)工況下進行頻率小信號擾動，采樣管網(wǎng)壓力值，根據(jù)輸出功率數(shù)學(xué)模型迭代計算出穩(wěn)態(tài)時軸輸出功率，根據(jù)軸輸出功率的值自動選擇不同功率的水泵電機工作。本發(fā)明可確保系統(tǒng)高效運行，從而顯著提高變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作效率。本發(fā)明可有效保護電機和變頻器低頻運行引起的效率低下故障，提高系統(tǒng)的壽命和可靠性，為水泵電機安全、高效運行提供可靠保證。
【專利說明】一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機電設(shè)備控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水泵作為一種高耗能通用機械，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的各個領(lǐng)域，每年消耗在水泵機組上的電能占全國總電耗的21%以上，在供水企業(yè)中占生產(chǎn)成本的30%?60%。水泵以及水泵系統(tǒng)的效率哪怕僅僅提高1%，都會對全球的節(jié)能和環(huán)保帶來了巨大的利益，而水泵消耗的電能的30%?50%都是可以節(jié)約。通過采用變頻控制技術(shù)能有效地降低水泵的能耗，每年可節(jié)電282億kWh,實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。但變頻控制技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能前提是水泵始終運行于高效率區(qū)間。然而，供水用戶的用水量在空間和時間上具有隨機性和不確定性，不能保證水泵始終運行在高效率區(qū)間。特別是在用水低谷時間段，由于用水量很小，變頻器和水泵工作于低頻狀態(tài)。此時，電機熱損耗和低頻振動嚴(yán)重，整個變頻恒壓供水系統(tǒng)能耗急劇增大，系統(tǒng)效率低下。這種工況下不但不能實現(xiàn)節(jié)能減排，而且水泵電機因為長期低頻運行導(dǎo)致機械振動和電機定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重，降低系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命，對供水的安全可靠性和生產(chǎn)成本產(chǎn)生不利影響，更為嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因而，必須解決小流量情況下變頻供水系統(tǒng)的效率問題。
[0003]變頻恒壓供水系統(tǒng)高效率運行是供水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能減排、安全可靠供水需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。傳統(tǒng)的供水方案采用變頻電機構(gòu)成主泵和工頻運行電機構(gòu)成輔泵并聯(lián)運行。通常情況下，由變頻主泵電機供水。當(dāng)變頻主泵全速運行仍不能滿足恒壓供水時，此時啟動輔泵并聯(lián)運行，滿足大流量恒壓供水需求。但上述方案存在以下問題:①如何檢測水泵輸出的機械功率Pwt⑴。由于水泵輸出機械功率為Pwt⑴=p(t) Xq(t)(其中:在t時刻，Pwt⑴為輸出機械功率，P⑴為水壓，q(t)為流量)，因而必須增加流量傳感器，這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。②主泵輔泵并聯(lián)運行時，并不能一定保證其方案的高效率運行。并且主泵有可能工作于低頻狀態(tài)，導(dǎo)致主泵熱損耗和低頻振動嚴(yán)重在小流量情況下，主泵處于低頻運行狀態(tài)，導(dǎo)致電機效率低下及低頻噪聲嚴(yán)重，降低電機及變頻器的使用壽命及性能，對供水的安全可靠性和生產(chǎn)成本產(chǎn)生不利影響。因而，高效變頻恒壓供水系統(tǒng)在國內(nèi)冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理、礦山以及居民生活用水等領(lǐng)域具有非常廣闊的市場前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方法，該控制方法無需流量傳感器、成本低、通用性好。
[0005]一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟:
[0006](I)以采樣周期Ts為間隔對供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值進行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為P (I);標(biāo)記當(dāng)前采樣次數(shù)為k;[0007]定義壓力誤差e(k) = Pset-P (k);其中，6(1)|1< =。= 0屮-為預(yù)先設(shè)定的水壓值；p(k)為采樣次數(shù)為k時的壓力值，f(k)為采樣次數(shù)為k時逆變電路的輸出頻率值；f(i) Ii
<=o = O ;
[0008]令k=l ;
[0009](2)由恒壓PID控制算法求出t = kTs時刻逆變電路的輸出頻率值f(k) = f(k-l)+Kpe (k)+Kie(k-l)+Kpe(k-2)；
[0010]其中，e(k-l)、f(k-l)分別為t = (k-l)Ts時刻的壓力誤差和逆變電路的輸出頻率；e(k-2)為t = (k-2) Ts時刻的壓力誤差；
[0011]Kp、Ki和Kd分別為預(yù)先設(shè)定的PID算法中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；
[0012]更新變量，令e (k-2) = e (k_l), e (k_l) = e (k), f (k~l) = f (k)；
[0013](3)建立由M個元素構(gòu)成的水壓值數(shù)組{ρ(Ψ)}和逆變電路的輸出頻率數(shù)組{f(￥)l ;其中Ψ = {k-M+1，k-M+2，...k}，M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)；ρ(Ψ)| ψ<=。=O, f (ψ) ψ<=0 = O ；
[0014](4)判斷供水系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定恒壓供水狀態(tài)，如果是，進入步驟(5);否則，進入步驟⑶;
[0015](5)求解逆變電路輸出頻率的平均值
【權(quán)利要求】
1.一種基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (O以采樣周期Ts為間隔對供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值進行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為P(I);標(biāo)記當(dāng)前采樣次數(shù)為k;定義壓力誤差e(k) = Pset-p (k);其中，e(i) |i< = (l = O ;Pset為預(yù)先設(shè)定的水壓值；p(k)為采樣次數(shù)為k時的壓力值，f (k)為采樣次數(shù)為k時逆變電路的輸出頻率值；f (i) I K = C1 =O；
令 k=l ； (2)由恒壓PID控制算法求出t= kTs時刻逆變電路的輸出頻率值f(k) = f(k-l)+Kpe (k) +Kje (k~l) +Kpe (k~2)； 其中，e(k-l)、f(k-l)分別為t = (k-l)Ts時刻的壓力誤差和逆變電路的輸出頻率；e (k-2)為t = (k-2)Ts時刻的壓力誤差； Kp、Ki和Kd分別為預(yù)先設(shè)定的PID算法中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；
更新變量，令 e (k-2) = e (k_l), e (k_l) = e (k), f (k_l) = f (k)； (3)建立由M個元素構(gòu)成的水壓值數(shù)組{ρ(Ψ)}和逆變電路的輸出頻率數(shù)組{f(uO}；其中Ψ = {k-M+1, k-M+2,...k}, M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)；ρ(Ψ) I ψ< =。= O，f(ψ)IΨ<=ο = O； (4)判斷供水系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定恒壓供水狀態(tài)，如果是，進入步驟(5);否則，進入步驟(6)； (5)求解逆變電路輸出頻率的平均值F= | Σ I'G//)，進入步驟(8);



丄Vl ψ-k-Mλ-\(6)判斷是否滿足il^x_%<=3%，如果是，轉(zhuǎn)入步驟(18);否則，進入步驟(7)； (7)控制當(dāng)前運行的水泵電機Md亭止運行，同時控制功率大一級的水泵電機Mp1工作，轉(zhuǎn)入步驟(18)； (8)令n=lTd為預(yù)先定義的觀測時間長度； (9)標(biāo)記當(dāng)前時刻為t=0時刻，給輸出頻率一個固定的任意擾動AFn；
(10)令m=l ； (11)判斷mTs> Td是否成立；如果成立，則進入步驟(13);否則，在t = mTs時刻，采樣管網(wǎng)壓力值 Pn (m),得到 Δ pn (m) = P (m) -Pset ； (12)判斷<=0.05是否成立；如果不成立，則標(biāo)記Nn= m，進入步
H

set驟(14)；否貝 1J，將 Apn(m)、Pset, F、AFn、Tb、P、g、Pb、Vb、T 和 t = mTs 代入公式 (X yr, 7, J7Foutim]TbtXA_"2Aff)(l-e婦)，求解得出其中，Pb為供水系統(tǒng)氣壓罐額定x(丨1FO];壓力值，Vb為供水系統(tǒng)氣壓罐氣室額定體積，Tb為供水系統(tǒng)氣壓罐額定溫度；τ為環(huán)境溫度，P為液體密度；g為重力加速度； 更新變量，令m = m+1;返回步驟(11)； (13)計算平均值Z5，進入步驟(15);


JSI (丄^計算平均值巧廣+ ^^⑴’進入步驟(15);

丄 N /=1 (15)更新變量，令n=n+l; 判斷η >5是否成立，如果是，進入步驟(16);否則，進入步驟(9)；
(16)計算標(biāo)準(zhǔn)差4 5ΣΡ- -CLpLf判斷。pout < 0.5是否成立，如果是，則
rr - 4 _ιξΙ_.U Pout —、52，進入步驟(17);否則，轉(zhuǎn)入步驟(18)； (17)令=]-ZP:ut，計算實際流 量1今，判斷Qwt < = Qfflin是否滿足，其中Qmin
)?-1set為預(yù)先設(shè)定的最小流量值；如果是，則說明系統(tǒng)處于小流量工作狀態(tài)，逆變器輸出關(guān)閉，進入步驟(18)； 否則，計算4、4和4，其中巧、C、if分別為水泵電機MpMyM3的額定功率； 比較S、P和K，將K、P和 < 中正的最小值所對應(yīng)的水泵電機記為Mu，u=l、2或;控制器控制水泵電機Mu開始工作，并關(guān)閉其余的水泵電機，進入步驟(18)； (18)令k=k+l;在本次采樣周期結(jié)束后，進行下一次采樣，并標(biāo)記水壓值的采樣值為P(k);返回步驟(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反求法的高效變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，穩(wěn)定恒壓供水狀態(tài)的定義為:計算M個采樣周期壓力值的平均值P=; Σ P(V)和






k k _一M V ρ(?//)2 -( V ρ(?//))」ρ -P標(biāo)準(zhǔn)差-M +1I// =k~M +I判斷是否同時滿足:sri— 1ΛΑ0/ ^和σρ<=0.3，若是，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定恒壓供水狀態(tài)；否則，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定恒壓供水狀態(tài)。
【文檔編號】E03B11/16GK103488082SQ201310409469
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】彭志輝, 李峰平, 趙軍平, 付培紅, 胡雪林 申請人:溫州大學(xué)