模糊雙閉環(huán)電熱儲能控制方法的電能替代經(jīng)濟(jì)性分析

趙慶杞，程亞航，謝　強(qiáng)，楊寶渠，楊東升

（1.遼寧省電力有限公司，沈陽　110006；2.東北大學(xué)，沈陽　110819；3.遼寧電力節(jié)能服務(wù)有限公司，沈陽　110179）

模糊雙閉環(huán)電熱儲能控制方法的電能替代經(jīng)濟(jì)性分析

趙慶杞1，程亞航2，謝強(qiáng)3，楊寶渠3，楊東升2

（1.遼寧省電力有限公司，沈陽110006；2.東北大學(xué)，沈陽110819；3.遼寧電力節(jié)能服務(wù)有限公司，沈陽110179）

近年來，持續(xù)的嚴(yán)重霧霾天氣橫掃中國北方地區(qū)，當(dāng)?shù)厣踔炼啻纬霈F(xiàn)超過6級的極重度污染天氣。經(jīng)研究表明，燃煤和燃油是造成環(huán)境污染的重要因素。目前城市供暖大都采用燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t，燃煤鍋爐的初期投資較低，運(yùn)行費(fèi)用低但帶來的污染比較嚴(yán)重；燃?xì)忮仩t初期投資少，對大氣的污染較小，但是運(yùn)行費(fèi)用高；電鍋爐初期投資低，運(yùn)行費(fèi)用集中在電價上。從我國現(xiàn)在的用電情況來看，白天的用電量逐漸增加，白天的用電量和晚間的用電量相差越來越大。為了減少峰谷電差，近年來電力管理部門制定了利用谷電的優(yōu)惠政策，降低谷電的電價以鼓勵用戶午夜后用電，充分利用電價優(yōu)惠政策可有效降低電鍋爐的運(yùn)行費(fèi)用，又可以起到“移峰填谷”和降低污染的作用。電熱儲能是一種采暖供熱熱源，在用電谷時段啟動電加熱儲能體，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來，并且在用電峰時段將熱能釋放出來供暖。電熱儲能利用政府的電價優(yōu)惠政策可降低其運(yùn)行費(fèi)用。因此，電熱儲能技術(shù)取代燃煤、燃?xì)忮仩t供熱技術(shù)具有一定的可行性和實(shí)用性。電熱儲能涉及到供熱控制，而供熱控制普遍采用傳統(tǒng)的PID控制算法「1-6」，由于電熱儲能中換熱器的控制具有時滯性和非線性，傳統(tǒng)PID控制往往不能滿足電熱儲能控制的動態(tài)特性要求。而模糊PID控制，不需要被控制對象的數(shù)學(xué)模型，能夠在線實(shí)時修正參數(shù)，使控制器適應(yīng)被控對象參數(shù)的任何變化，可以在被控對象參數(shù)變化時取得較理想的控制效果。因此，本文將模糊控制應(yīng)用于電熱儲能的換熱控制，與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合使用，與單純的PID控制相比，取得了很大的改進(jìn)。

1　電熱儲能結(jié)構(gòu)分析

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)要考慮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水流量、出水溫度對系統(tǒng)溫度的控制，考慮的控制量比較全面。故本電熱儲能系統(tǒng)使用雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對溫度控制得更快、更準(zhǔn)確得調(diào)節(jié)。

本電熱儲能裝置主要是通過對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水流量的控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制，其中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)控制，水流量通過水流量環(huán)控制。

電熱儲能裝置把電能轉(zhuǎn)換成熱能儲存起來，儲存起來的熱量在需求時通過換熱器釋放出來。電熱儲能系統(tǒng)中的換熱器是一種用來進(jìn)行熱量交換的設(shè)備，其作用是通過熱流體來加熱冷流體。電熱儲能裝置中，風(fēng)機(jī)向蓄熱體吹風(fēng)，冷風(fēng)被加熱后變成熱風(fēng)進(jìn)入換熱器，同時水泵向換熱器管道注入冷水，輸出的即是所需溫度的熱水。出水溫度的控制也就集中在風(fēng)機(jī)和水泵的控制上。

為實(shí)現(xiàn)出口水溫度的自動調(diào)節(jié)，首先要用溫度傳感器把出水口溫度參數(shù)測量出來，然后將測得的數(shù)值轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的信號送到控制器和設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較。若出口水溫度比期望的溫度值低，就要減小冷水流量，同時增加熱風(fēng)流量；若出口水溫度比期望的溫度值高，就要增加冷水流量，同時減少熱風(fēng)流量；若出口水溫度正好等于期望的溫度值，冷水流量和熱風(fēng)流量就可以保持不變。流量的大小可以用流量傳感器測得，而對于冷水流量和熱風(fēng)流量的控制，則采用通過控制變頻器的方法實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)設(shè)計，控制流程如圖1所示。

圖1　雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中溫度控制環(huán)為外環(huán)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和水流量環(huán)為內(nèi)環(huán)。溫度控制環(huán)根據(jù)溫度當(dāng)前值與給定值的差值，通過溫度調(diào)節(jié)器給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和水流量環(huán)提供給定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和冷水流量。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)通過控制器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，水流量環(huán)通過控制器控制水流量。通過對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和水流量環(huán)的反饋調(diào)節(jié)最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的控制。

由于電熱儲能系統(tǒng)的非線性和時滯性，當(dāng)控制系統(tǒng)外部參數(shù)變化，傳統(tǒng)的PID無法滿足要求，所以需要采用一種新的控制方法實(shí)現(xiàn)對溫度、風(fēng)機(jī)速度、水流量的控制，從而使控制系統(tǒng)達(dá)到理想的控制效果。

2　控制模型的建立

本電熱儲能系統(tǒng)中溫度控制的實(shí)現(xiàn)需要對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水流量進(jìn)行控制。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制由電儲熱系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)實(shí)現(xiàn)；水流量的控制需要電儲熱系統(tǒng)中的水流量環(huán)實(shí)現(xiàn)。所以為了實(shí)現(xiàn)對電熱儲能溫度的控制需要對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和水流量環(huán)建立模型。

電熱儲能系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)建立如下模型。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣流量

式中：Vs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣流量；Va為換熱器進(jìn)風(fēng)口處測得的空氣體積流量；γs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，γs=1.2 kg/m3；γa為換熱器進(jìn)風(fēng)口處空氣密度；ta1為入風(fēng)口處溫度；P為環(huán)境大氣壓。

電熱儲能系統(tǒng)中的水流量環(huán)建立如下模型。

當(dāng)不考慮熱損失時，熱流體放出的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量「7」，則

式中：Ga為換熱器進(jìn)風(fēng)口處測得的空氣質(zhì)量流量；CPa為空氣的比熱；ta1為進(jìn)風(fēng)溫度，℃；ta2為出風(fēng)溫度，℃；Gw為換熱器進(jìn)水處測得的水質(zhì)量流量；Vw為換熱器進(jìn)水處測得的水體積流量；γw為換熱器進(jìn)水處水密度；CPw為水的比熱：tw1為進(jìn)水溫度，℃；tw2為出水溫度，℃。

熱量的傳遞方向總是由高溫物體傳向低溫物體，2物體之間的溫差是傳熱的推動力，溫差越大，傳熱速率亦越大「8」。

傳熱速率方程式是

式中：Q為傳熱速率，kJ/h；K為傳熱系數(shù)，kJ/（℃·m2· h）；F為傳熱面積，m2；Δtm為對數(shù)平均溫差，℃。

在大多數(shù)情況下，可采用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。

由式（5）整理得

因此，控制通道的靜特性即換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)為

分析式（6）可知，換熱器對象的放大系數(shù)存在嚴(yán)重飽和非線性，即在冷水流量Gw大時，加熱冷水達(dá)到規(guī)定溫度所需的熱風(fēng)流量Ga必然隨之增大，則式（6）計算出的放大系數(shù)K0減小。

眾所周之，傳統(tǒng)的PID控制在模型參數(shù)不變時可以得到相應(yīng)的效果，而本電熱儲能系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水流量等參數(shù)是時變的，使用PID控制技術(shù)會使系統(tǒng)的性能變差甚至不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的PID用于本文的系統(tǒng)中溫度控制很難達(dá)到理想效果，所以需要對傳統(tǒng)的PID進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到預(yù)期的效果。本文通過對系統(tǒng)使用模糊PID控制來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

3　控制方案設(shè)計

電熱儲能系統(tǒng)中具有非線性和時滯性，控制系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)速度和水流量等外部參數(shù)變化時，傳統(tǒng)的PID無法滿足要求。采用模糊PID控制可以根據(jù)現(xiàn)場的情況，采取不同的策略，找到合適的Kp、Ki和Kd參數(shù)，從而使控制系統(tǒng)達(dá)到理想的控制效果「9」。

模糊PID控制系統(tǒng)如圖2，他是在常規(guī)PID控制方式的基礎(chǔ)上，以水流速度e和水流速度差變化率ec作為輸入，采用模糊推理的方法對PID參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行在線自整定。根據(jù)參數(shù)Kp、Ki和Kd對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可歸納出在一般情況下，對于不同的e和ec，被控過程對參數(shù)ΔKp、ΔKi和ΔKd的調(diào)節(jié)規(guī)則「10-12」。

圖2　模糊PID控制系統(tǒng)原理圖

模糊PID控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)沒有太大的差別，主要不同之處在于控制器使用了模糊控制器，他通過定義模糊變量、模糊集合及相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，采用一組模糊條件句來描述輸入輸出之間的映射關(guān)系。模糊推理系統(tǒng)主要由模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化4部分組成，其工作過程可以描述為：首先將傳感器采集到的數(shù)值信息轉(zhuǎn)化為模糊量供模糊邏輯決策系統(tǒng)用，然后根據(jù)控制規(guī)則，應(yīng)用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量，最后經(jīng)清晰化計算得到精確的Kp、Ki和Kd。

4　案例分析

將該電熱儲能裝置應(yīng)用于供暖系統(tǒng)中，設(shè)計該供暖系統(tǒng)的日總負(fù)荷為5 640 kWh，供暖系統(tǒng)設(shè)計尖峰負(fù)荷為600 kW，出水溫度為50℃，回水溫度為45℃。供暖系統(tǒng)可運(yùn)行在3種模式下：①供暖系統(tǒng)工作在加熱模式；②供暖系統(tǒng)工作在保熱模式；③供暖系統(tǒng)工作在加熱、放熱模式。

該供暖系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，經(jīng)過一個采暖供熱周期的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定?，F(xiàn)在取供暖系統(tǒng)一個運(yùn)行日的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用來觀察該雙閉環(huán)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)而判斷該供暖系統(tǒng)的性能。表1為儲熱采暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行日數(shù)據(jù)表。

表1　儲熱采暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行日數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，該供暖系統(tǒng)24：00～次日7：00和22：00～23：00這2個時間段對采暖系統(tǒng)供熱的同時也對電熱儲能裝置儲存熱量，在6：00～22：00和23：00～24：00這2個時間段利用電熱儲能裝置儲存的熱量對采暖系統(tǒng)供熱。該電熱儲能裝置將谷時電量以熱能的形式儲存起來用于峰時段對采暖系統(tǒng)供熱，在平衡用電量的同時也降低了電熱儲能裝置的運(yùn)行費(fèi)用。

該雙閉環(huán)的采暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時采用較低的末端供水溫度，所以實(shí)際儲熱溫差較大，故儲熱量也比較大。當(dāng)負(fù)荷較小時，系統(tǒng)運(yùn)行在全量儲熱模式。日運(yùn)行費(fèi)用為1 777.685元。經(jīng)簡化計算，儲熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為燃?xì)怆姛崴畽C(jī)組系統(tǒng)的67%。

5　結(jié)束語

采用雙閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)出口溫度的快速調(diào)節(jié)，抗擾動能力強(qiáng)，而且可以取得比較理想的控制效果。模糊PID控制具有更好的動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)精度且計算量小，易于實(shí)現(xiàn)，便于工程應(yīng)用。較之常規(guī)PID控制，不僅對被控參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下也能獲得較好的控制效果。D

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（本欄責(zé)任編輯袁飛孫晶）

The economy analysis of energy alternative of electric power heating storage control method based on fuzzy double closed-loop

ZHAO Qing-qi1，CHENG Ya-hang2，XIE Qiang3，YANG Bao-qu3，YANG Dong-sheng2
（1.Liaoning Province Electric Power Co.Ltd.，Shenyang 110006，China；2.Northeastern University，Shenyang
110819，China；3.Liaoning Electric Energy Conservation Service Co.Ltd.，Shenyang 110179，China）

結(jié)合供熱過程的特性，提出了一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)以溫度調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)和水流量調(diào)節(jié)環(huán)為內(nèi)環(huán)。溫度調(diào)節(jié)環(huán)根據(jù)當(dāng)前溫度和給定溫度的差通過溫度調(diào)節(jié)器給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)和水流量調(diào)節(jié)環(huán)設(shè)定風(fēng)機(jī)頻率、水流量。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)通過模糊PID控制器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，水流量調(diào)節(jié)環(huán)通過模糊PID控制器調(diào)節(jié)冷水的流量，最終可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的控制。提出的模糊PID控制技術(shù)用于參數(shù)時變的加熱器模型時可以取得良好的動態(tài)控制性能，較高的控制精度和溫度調(diào)節(jié)能力。

雙閉環(huán)；電熱儲能；溫度控制；模糊PID控制；削峰填谷

Combined with the characteristics of heating process，this paper presents a double closed-loop control system.The temperature control loop is as external loop，fan rotating speed adjusting loop and the water flow regulation loop is as internal loop. The temperature adjusting loop sets fan frequency and water flows for fan rotating speed adjusting loop and the water flow regulation loop according to difference between the current temperature and the given temperature by the regulator to the fan speed adjusting loop and the water flow regulation loop.Fan rotation regulation loop controls the speed through the fuzzy PID controller.Water flow regulation loop regulate the cold water flow through the fuzzy PID controller，finally can to achieve the control of the system temperature.Fuzzy PID control technology proposed in this paper for time-varying parameters can obtain good dynamic control performance，perfect control precision and high temperature adjustment ability.

double closed-loop；electric power heating storage；temperature control；fuzzy PID control；peak load shifting

F407.61；TK018

C

2015-03-06