融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統(tǒng)

楊立偉

（中國人民大學(xué)，北京 100872）

0 引言

空氣源熱泵機組是華北“煤改電”工程的新一代清潔能源，是夏熱冬冷地區(qū)冬季供熱的主要方式。由于冬季室內(nèi)和室外的換熱表面溫度低于0 ℃，所以很容易結(jié)霜。若霜凍較多，容易導(dǎo)致室外熱交換器和空氣之間的熱阻增大，當(dāng)結(jié)霜達到一個臨界值時，會嚴重影響機組的正常運轉(zhuǎn)。在空氣源熱泵機組運行過程中，調(diào)頻響應(yīng)的快慢直接影響著機組的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到機組的安全和可靠運行。因此，控制空氣源熱泵機組頻率成為當(dāng)下研究的熱點。

目前，相關(guān)研究成果為機組頻率控制提供了可能?？紤]最優(yōu)運行點的超速風(fēng)電機組調(diào)頻控制策略[1]，根據(jù)慣性響應(yīng)和調(diào)頻與穩(wěn)態(tài)關(guān)系，將節(jié)流過程中的變頻率劃分為三個階段，對中段和小段分別利用可變的低頻，而對大段則利用改良的短時高頻。改變機組頻率，使其適應(yīng)不同區(qū)間；基于多目標優(yōu)化的機組一次調(diào)頻自抗擾控制[2]構(gòu)建了直接反饋自抗擾動控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合NSGA-Ⅲ多目標遺傳算法，推導(dǎo)參數(shù)穩(wěn)定域，設(shè)計多控制指標的多目標參數(shù)優(yōu)化流程，實現(xiàn)機組的運行頻率控制。由于上述方法均是研究慣性控制角度，而單純依靠機組存儲動能參與，系統(tǒng)調(diào)頻容易受到控制時間的限制，導(dǎo)致機組頻率控制效果不佳。為此，本文設(shè)計融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在融霜工況影響下，為確定系統(tǒng)整體框架和基本控制策略，首先需要設(shè)計PLC 頻率控制結(jié)構(gòu)；設(shè)計頻率控制中央處理器，整定主要控制參數(shù)，并對系統(tǒng)頻率變化作出快速響應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計PID 控制閥門，實現(xiàn)對壓縮機和風(fēng)機的精細控制；通過對融霜工況影響下的PID 控制閥門設(shè)計，實現(xiàn)對機組的自動化控制和優(yōu)化運行，提高整個系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性。

1.1 PLC 頻率控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)對電源工作頻率的實時監(jiān)測和控制，在融霜工況下，空氣源熱泵機組的頻率控制系統(tǒng)以PLC 為核心。PLC 頻率控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PLC 頻率控制結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，PLC 通過繼電器的輸出，按照壓力傳感器、溫度傳感器的指示，對泵1、泵2、空氣源熱泵X1和上水電動閥門X2 實現(xiàn)啟動和關(guān)閉，從而自動調(diào)節(jié)上水、加熱、供水等頻率。

1.2 頻率控制中央處理器設(shè)計

硬件設(shè)計方面，在第一次調(diào)頻快速操作（開環(huán)控制）和第一次調(diào)頻快速穩(wěn)定化負載（閉環(huán)控制）之間，可以用硬接線或通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?；诖?，設(shè)計的頻率控制中央處理器如圖2 所示。

圖2 頻率控制中央處理器

由圖2 可知，頻率控制中央處理器利用指令譯碼器將操作碼與地址碼轉(zhuǎn)譯成時序控制信號，實現(xiàn)頻率數(shù)據(jù)處理。頻率控制中央處理器是一個計算和控制的核心，作為執(zhí)行單位，主要處理與頻率控制有關(guān)的數(shù)據(jù)[3]。

1.3 融霜工況影響下的PID 控制閥門設(shè)計

為達到變頻的作用，通過空氣源熱泵機組的PID 控制和閥門PID 控制聯(lián)合控制熱源側(cè)水泵[4]，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 融霜工況影響下的PID 控制閥門

根據(jù)圖3 可知：當(dāng)蓄熱水箱的出水口溫度小于45 ℃時，熱泵循環(huán)泵PID 控制低溫度信號輸出[5]，通過加熱泵流入空氣源熱泵；當(dāng)蓄熱水箱的出水口溫度等于45 ℃時，閥門PID 控制也輸出低溫度信號[6]；當(dāng)蓄熱水箱的出水口溫度大于45 ℃時，輸出閥門將控制信號輸出，用閥門調(diào)整水流量之后流入熱泵，使得蓄熱水箱的溫度慢慢恢復(fù)。

2 基于分段控制思想的頻率控制策略設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計為控制策略的實現(xiàn)提供了必要的支持，可以更加準確地控制機組的運行狀態(tài)[7-8]。由于融霜工況影響下，空氣源熱泵機組需要根據(jù)不同的工作狀態(tài)和環(huán)境條件調(diào)整頻率控制策略。為解決機組能耗和運行穩(wěn)定性問題，采用分段控制思想[9-11]，將機組的運行過程分為兩個階段實現(xiàn)不同控制，以達到最優(yōu)化的運行狀態(tài)。

為了使機組能夠在融霜工況下實現(xiàn)調(diào)頻機組的作用，需先計算機組結(jié)霜量ΔC，公式為：

式中：ga、gb分別表示換熱器的進出濕量；Δt表示換熱時段；m表示質(zhì)量流。

利用溫度變化控制換熱器側(cè)泵的啟動和停止，溫度控制ΔT公式為：

式中：Tb、Td分別表示換熱器出口溫度和水箱底部溫度。

通過以上計算，得到換熱器的有效集熱量Q，可表示為：

式中：S表示換熱器傾斜面上的太陽能輻射量；R表示換熱器透明蓋的熱量；γ表示換熱器透明蓋的透過率；L表示換熱器的總損失系數(shù)。

根據(jù)換熱器的有效集熱量，自動檢測系統(tǒng)頻率并調(diào)整其輸出[12-13]?；诖?，使機組初始運行在最大功率之下，即處于融霜停止?fàn)顟B(tài)。針對空氣源熱泵機組在融霜工況下的特點，采用分段式控制方式實現(xiàn)機組在有功調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)的分段式調(diào)頻。根據(jù)融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率響應(yīng)，設(shè)Pbc表示機組融霜停止?fàn)顟B(tài)下的機組有功出力；ηb、ηc分別表示不調(diào)頻機組頻率上、下限值；ηa、ηd分別表示調(diào)頻機組頻率上、下限值，且各個量為標幺值。融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制分為以下兩個步驟：

1）融霜停止段。此時機組頻率在規(guī)定范圍內(nèi)不會實現(xiàn)調(diào)節(jié)，而是一直在最大容量下工作；

2）融霜啟動段。此時機組頻率超過設(shè)定限值，機組參與調(diào)頻，運行功率由ηa、ηd決定。

對于融霜停止段的機組頻率控制，計算融霜停止時的機組控制負荷側(cè)水泵出水流量me，表達式如下所示：

式中C表示水的定壓比熱容。由于調(diào)頻范圍的變化將會直接影響到調(diào)頻范圍的寬度，從而影響到調(diào)頻效果[12，14]，因此根據(jù)融霜停止段的出水流量計算結(jié)果，計算機組參與的調(diào)頻頻率Δηbc為：

為在機組頻率降低時使機組增加輸出，參與到頻率調(diào)節(jié)中[15]，頻率控制輸出有功低于最大功率，即為融霜啟動狀態(tài)。為了對負載端的側(cè)水泵調(diào)速，達到變頻效果，基于機組參與的調(diào)頻頻率，通過融霜停止段的側(cè)水泵出水流量和額定流量轉(zhuǎn)速之比，表示融霜啟動段轉(zhuǎn)速比的調(diào)節(jié)參量βe，公式為：

式中mr表示額定流量。

在融霜啟動段，機組的最大功率和有功功率之間的差異被稱為機組的啟動調(diào)頻速度，公式如下：

式中：Vmax表示調(diào)頻速度最大值；V'a表示融霜啟動段的有功出力產(chǎn)生的速度。

在融霜啟動過程中，選取適當(dāng)?shù)恼{(diào)頻區(qū)間以實現(xiàn)在系統(tǒng)升頻和降頻過程中獲得最佳的調(diào)頻效果。

3 實驗

為驗證所設(shè)計融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統(tǒng)的有效性，實驗環(huán)境選擇在空氣源熱泵實驗室，選取一臺特制的原型機作為實驗裝置。在空氣源熱泵機組的制熱工況下，設(shè)置熱量為15 000 W，額定頻率是80 Hz，選取的空氣源熱泵機組如圖4 所示。

圖4 空氣源熱泵機組

3.1 測試條件設(shè)置

在融霜時，將壓縮機的工作頻率設(shè)定在45 Hz，使PID 控制閥門斷開，讓整個系統(tǒng)處于冷卻狀態(tài)。融霜開始與結(jié)束條件設(shè)置如圖5 所示。

圖5 機組融霜流程

在融霜工況下，由于熱泵機組中的傳熱溫差隨霜層厚度的增大而減小，所以利用汽化溫度和霜層厚度的差值來啟動融霜裝置。

3.2 不同融霜工況下機組實際頻率分析

根據(jù)機組融霜流程，將融霜分為4 個工況，分別是：最小間隔時間融霜U1、達到盤管表面溫度融霜U2、達到上限溫度融霜U3、達到最大除霜時間上限U4。在不同工況下分析機組實際頻率，如圖6 所示。

圖6 不同融霜工況下的機組實際頻率

由圖6 可知：U1 工況時，時間為0.4 s 時的頻率達到最大為34.5 Hz，機組消耗功率最大；U2 工況在時間為0.7 s 時的頻率達到最大為34 Hz；由于U3 工況下突然終止融霜盤管工作，所以出現(xiàn)兩個波峰，以緩解突然停止工作負荷給機組帶來的負面影響，在時間為1.2 s 時的頻率達到最大為33.5 Hz；U4 工況在時間為2.2 s時，頻率達到最大為31.9 Hz。

3.3 實驗結(jié)果與分析

為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可靠性，分別在4 種工況下將所設(shè)計系統(tǒng)與考慮最優(yōu)運行點的控制策略、基于多目標優(yōu)化的控制方法的控制效果進行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法在不同工況下的控制效果

由圖7a）可知：其他兩種方法均在時間0.7 s 時的頻率達到最大，分別為33.8 Hz 和34.4 Hz，與實際值不一致；本文設(shè)計系統(tǒng)在時間0.4 s 時的頻率達到最大，為34.5 Hz，與實際值一致。由圖7b）與圖7c）可知，三種方法控制效果相似，但本文設(shè)計系統(tǒng)控制結(jié)果與實際結(jié)果最接近，圖7b）在時間為0.7 s 時頻率達到最大為33.9 Hz，與實際結(jié)果僅存在0.1 Hz 誤差。由圖7d）可知，對比三種方法，只有本文設(shè)計系統(tǒng)控制結(jié)果與實際一致，其余兩種方法均不一致。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)機組的正常運轉(zhuǎn)，提高機組頻率控制效果，本文設(shè)計了融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統(tǒng)。結(jié)合融霜工況，根據(jù)融霜運行條件設(shè)計PLC 的硬件控制結(jié)構(gòu)，并對其實現(xiàn)了分段控制。該系統(tǒng)可使設(shè)備達到全自動化、高效率運轉(zhuǎn)，滿足節(jié)能要求，且工作穩(wěn)定、可靠，可供其他控制系統(tǒng)設(shè)計時借鑒。