CN107326959B - 一种并联供水系统输出流量均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联供水系统输出流量均衡控制方法,其采样供水系统的水压p_w(t)，获取PWM信号PWM_max，依据获取的PWM_max的导通时间计算最大运行频率f_max和频率偏差量并计算出流量偏差量ΔQ_k(t)＝Q_max(t)‑Q_k(t)，并依据供水系统恒压控制算法和输出流量均衡控制算法，计算输出控制量f_k，并更新U个元素数组获得平均运行频率输出控制量f_k和占空比为的PWM信号实现并联供水系统供水压力控制、输出流量均衡控制和将输出流量的差值转换为两路PWM信号PWM_max和的导通时间差值本发明将输出流量的偏差量ΔQ_k(t)＝Q_max(t)‑Q_k(t)转换为两路PWM信号PWM_max和的导通时间差值避免了模拟信号受干扰，本发明的动态响应速度快；水泵在进行热插拔时，只需一个同步信号Syn的周期即可获得均流量控制偏差量ΔQ_k(t)。

Description

一种并联供水系统输出流量均衡控制方法

技术领域

本发明涉及并联系统均衡控制领域，特别适用于并联变频供水系统中对各台水泵供水流量均衡性能和运行效率性能要求较高的供水场合。

背景技术

目前，自来水厂及小区二次加压供水等场合的变频恒压供水系统通常将多台变频水泵并联起来使用，以增大其供水能力。常用的并联变频恒压供水系统主要实现恒压供水，确保供水压力符合要求。由于每台水泵及变频控制器存在一定差异，如果不对供水系统每台水泵进行均输出流量控制，其必然导致一部分水泵流量过大，而另外一部分水泵过小。极端情况下，水泵流量过大会导致水泵及其变频控制器处于严重超载，损坏设备。同样，流量过小亦即小流量情况下，水泵运行频率过低，导致水泵效率低下和水泵电机发热严重，同样会引起设备故障，降低供水系统可靠性低和寿命。

图1所示为目前常用的并联变频供水系统结构示意图，每个水泵进水口通过进水支管连接到总供水管，每个水泵出水口通过出水支管连接到总出水管供水给用户。每台水泵均配备一台变频恒压控制器用于供水压力控制。实际供水压力由安装于出水管上的压力传感器检测，并将压力信号反馈给每台变频恒压控制器。变频恒压控制器通过运行恒压控制算法，对各台水泵进行变频调速，从而达到恒压供水的目的。

但是，这样的并联变频恒压供水系统都会存在一个非常普遍的问题，即水泵输出流量不平衡问题。

由于水泵，变频器、进出水水管等存在不一致性问题，只对供水压力进行控制，并不能实现各台水泵输出流量均衡调节。采用并联供水方式，因其出水口扬程相同，等效管阻小的水泵流量偏大，导致输出功率负荷偏大。与此同时，等效管阻大的水泵流量偏小，导致输出功率负荷偏小。严重情况下，输出流量的水泵及变频器处于超载工作，导致机械和电气故障几率增大，寿命减短；输出流量小的水泵及变频器工作频率过低，引起水泵的低频发热严重，效率低下，同样导致设备电气故障几率增大，寿命减短。

另一方面，由于并联供水系统用水流量变化会导致每个水泵的输出流量随之变化。输出流量的均衡控制虽然能解决并联供水系统水泵输出流量基本保持一致，也就是流量均衡控制。但却不能保证水泵工作于较高的运行区间。通常而言，设备的高效运行区间一般处于额定工况附近。对于水泵来说，其高效运行区间为水泵电机处在额定转速附近，因而只要保证水泵的运行转速均处于额定转速附近，就能确保并联供水系统的高效运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供了一种结构简单、水泵输出流量均衡效果好、水泵运行效率高的供水系统输出流量均衡控制方法，不但可实现供水范围内泵组输出流量均衡分配，而且能实现供水范围内泵组的高效运行。

本发明提供一种并联供水系统输出流量均衡控制方法，其包括以下步骤：

一、采样供水系统的水压p_w(t)，在确定F_on＝1时，未捕获PWM信号PWM_max以及未获得同步信号Syn的上升沿时，则输出控制量f_k，f_k＝P_control algorithm(e_p)，其中e_p＝P_set+u_Q-p_w(t)，其中P_set为设定的水泵压力值，F_on为运行标志，u_Q为0；并更新U个元素数组并实时获得运行频率的平均值

二、在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤一中获得的运行频率的平均值跟新M个元素数组并实时获得第k个控制模块的运行频率平均值与最大运行频率f_max(i)偏差量的平均值

三、在捕获到PWM信号PWM_max时，则通过获取最大导通时间获取并通过该最大运行频率更新M个元素数组并实时获取最大运行频率状态参数其中：T为的周期，为参数指标计算函数；

四、在启动阶段时，只运行压力环路控制算法，在判定启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行判定，来进行系统是否处于低频运行状态的判定，并在其处于低频运行状态的时候，通过f_k(M-2)≥f_max(M-2)来决定是否暂停前一时刻输出频率最大的水泵，若暂停，即F_on＝0，则对步骤二和步骤三中的元素数组进行清零

六、在不成立时，则提供流量补偿量u_Q：

七、在获取F_on＝0的标志时，则更新水泵的压力元素数组并从中获取水泵系统运行状态参数Θ＝ψ[p_w(0),p_w(1),…,p_w(W-1)]，，并对获得的Θ进行判定，在Θ≤βP_set则重新启动水泵系统，即重新定义F_{start_stage}＝1，F_on＝1，并获得f_k(i)＝0；i＝0,1,…,U-1，其中，β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数。

步骤三中，采用平均值函数，最小方差函数或概率分布函数获取最大运行频率

本发明具有以下优势：

本发明无需流量传感器即可实现并联供水系统的均流功能。

本发明无需通信总线即可实现并联供水系统输出流量均衡控制，具有结构简单，实用性好。

本发明将输出流量的偏差量ΔQ_k(t)＝Q_max(t)-Q_k(t)转换为两路PWM信号的导通时间差值避免了模拟信号受高频开关信号干扰。

本发明提出的输出流量均衡控制方法动态响应速度快；水泵在进行热插拔时，只需一个同步信号Syn的周期即可获得均流量控制偏差量ΔQ_k(t)。

本发明提出的输出流量均衡控制方法能有效实现并联供水系统在不同用水量情况下系统均能实现恒压、均流量和水泵高效运行。

本发明对开关电源模块控制芯片要求很低，降低了系统成本。

本发明提出的输出流量均衡控制方法具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，为并联供水控制提供了一种新的方案。

附图说明

图1并联变频供水系统结构图。

图2为并联变频供水控制系统电路图。

图3为逆变器输出频率f_k(t)的PWM调制原理图。

图4为PWM_max信号获取电路。

图5为变频恒压供水控制算法框图。

图6为PWM信号产生程序。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

假定并联供水系统采用相同型号的水泵和变频控制器(逆变器)，为不失一般性，本发明用第k台(1≤k≤n)水泵及其变频器作为阐述对象。

图1为并联变频供水系统结构图，该结构图总体上说明了并联变频供水系统组成方式，其包括水源、进水控制阀、稳流调节罐、出水控制阀、排污阀、水泵总进水管、阀门k、变频器k、水泵k、止回阀k、闸阀k、水泵总出水管、压力罐、压力传感器。其中：1≤k≤n。水源主要为江河水库或者自来水管等水源；进水控制阀用于控制水源进水口；稳流调节罐主要用于缓冲进水压力的波动和沉淀泥沙等污物；排污阀用于排除稳流调节罐中泥沙等污垢及清洗稳流调节罐时的污水；水泵总进水管为各台水泵进水来源；阀门k用于控制水泵的进水；水泵k和变频器k用于对进水进行加压控制，从而使输出水压达到设定压力。止回阀k用于防止总出水管的水回流，确保水单向流出；闸阀k用于控制水泵k的出水口；水泵总出水管用于汇集各台水泵的出水，实现水泵并联供水；压力罐用于稳定供水压力，消除供水压力剧烈波动；压力传感器用于实时检测水泵出水压力。

由论文《光伏扬水系统的优化设计》可知，对于在一定范围内调速运行的离心水泵，其流量Q与运行速度n之间满足：

由于离心水泵使用的是交流异步电机，根据《机电传动控制》(邓星钟等，华中科技大学出版社，第五版)交流电动机章节内容可知，水泵转速n满足：

其中：f为水泵运行频率，亦为变频器输出频率；S为转差率；P为水泵极对数；

由于水泵采用的变频调速控制，所以S基本保持不变，并且各台水泵电机的型号相同，所以P相同。联立公式(1)、(2)可得：

图1所示并联变频供水系统中水泵和变频器均为相同型号，因而其n台水泵扬程特性和变频器输出特性可认为一致，所以对于运行的第k台水泵和第j台水泵在t时刻的输出流量与运行频率f_k(t)、f_j(t)满足：

由公式(4)可知，第k台水泵的输出流量与第j台水泵的输出流量的比值为第k台水泵运行频率f_k(t)与第j台水泵运行频率f_j(t)的比值。由于水泵并联方式供水，其水泵出水口压力几乎形同。因而最大流量水泵即为最大功率的水泵，其对应着最大的运行频率。令：f_max(t)＝max{f₁(t),…,f_n(t)}，则有：

由公式(5)可得：

令水泵k的输出流量与最大输出流量偏差为则：

令水泵k的运行频率f_k(t)与最大运行频率f_max(t)偏差为Δf_k(t)，则：

Δf_k(t)＝f_max(t)-f_k(t) (8)

联立方程(6),(7),(8)可得：

从水泵铭牌上可以获得数据计算出工频情况下即f_N＝50Hz的额定扬程P_N，额定流量Q_N。由于并联供水系统的水泵为相同型号，依据水泵相似定理和公式(3)可得：

联立公式(9)，(10)可得：

借鉴最大电流均流法的思想，将输出流量最大的水泵上的输出流量作为整个并联供水系统的流量基准，其余水泵以它为基准来调整自身的输出流量，从而达到均流量的目标。所以，为以最大输出流量为基准的偏差量。

为克服模拟均流量总线信号易受干扰和数字均流量总线需要复杂的通信接口和通信协议等不足，我们可将表征水泵运行输出流量的水泵运行频率f_k(t)调制为导通时间为的PWM信号确定的周期为T，其调制原理图如图3所示，可知：

其中：F_max为变频器输出频率上限，一般情况下为工频，即F_max＝50；所以可得：

同理，满足的PWM信号有：

其中：f_max(t)＝max{f₁(t),f₂(t),…,f_n(t)}，

联立方程(11)，(12)，(13)，(14)，可得：

其中：Q_N为水泵的在额定情况下的输出流量。

由公式(15)可知，只要获取到与PWM_max的导通时间差即可得到流量差进而实现均输出流量控制。

图2所示为并联变频供水系统电路图，该电路图说明了并联供水系统控制电路(包括控制算法和接口电路)、逆变单元、压力传感器、同步信号Syn、均流量总线、水泵等连接示意图。从图中可以直观了解系统的内部功能结构和组成。相应功能为：①控制算法主要包含恒压控制算法、均流量补偿算法、矢量变频控制、SVPWM、捕获的导通时间和计算流量偏差量等模块组成，通过调节水泵运行频率f实现高效恒压供水和均流量功能。变频矢量控制和SVPWM将频率f逆变为六路PWM信号PWM₁～PWM₆；②逆变单元将PWM₁～PWM₆进行隔离放大，用于驱动6个功率管(MOSFET、IGBT)将高压直流电逆变为三相对称交流电用于驱动水泵工作；③压力传感器用于实时检测输出供水压力，并反馈给变频恒压均流量控制单元；④同步信号Syn：提供/接收同步时钟信号，用于进行同步输出控制，即具有相同时刻的上升沿；⑤均流量总线：提供最大运行频率水泵对应的PWM信号PWM_max。

图3所示为将水泵运行频率f_k(t)调制为的原理，其将水泵运行频率f_k(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM波

图4为最大导通时间PWM信号获取电路，由于具有相同的周期T并且进行了同步，使所有PWM信号上升沿出现在同一时刻。由《电工电子学》知识可知：二极管D的共阴极输出信号为导通时间最长的PWM信号，即PWM_max，其导通时间为其数学关系满足公式(12)。

图5为变频恒压供水控制算法框图，以第k台水泵及其变频器，其包括以下步骤：

一、采样供水系统的水压p_w(t)，在确定F_on＝1时，未捕获PWM信号PWM_max以及未获得同步信号Syn的上升沿时，则输出控制量f_k，f_k＝P_control algorithm(e_p)，其中e_p＝P_set+u_Q-p_w(t)，其中P_set为设定的水泵压力值，F_on为运行标志，u_Q为0；并更新U个元素数组并实时获得运行频率的平均值

二、在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤一中获得的运行频率的平均值跟新M个元素数组并实时获得第k个控制模块的运行频率平均值与最大运行频率f_max(i)偏差量的平均值

三、在捕获到PWM信号PWM_max时，则通过获取最大导通时间获取并通过该最大运行频率更新M个元素数组并实时获取最大运行频率状态参数其中，为参数指标计算函数；可以是平均值函数，最小方差函数，概率分布函数或其他函数等；

四、在启动阶段时，只运行压力环路控制算法，其中压力环路控制算法为第步骤一，在判定启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行判定，来进行系统是否处于低频运行状态的判定，并在其处于低频运行状态的时候，通过f_k(M-2)≥f_max(M-2)来决定是否暂停前一时刻输出频率最大的水泵，若暂停，即F_on＝0，则对步骤二和步骤三中的元素数组进行清零可以通过设定一定的时间，当运行时间达到设定的值时，则判定启动阶段结束，或通过获取所有的数据，进行判定启动阶段结束，或通过判定水泵系统达到一定的压力值，进行判定启动阶段结束。

六、在不成立时，则提供流量补偿量u_Q：

七、在获取F_on＝0的标志时，则更新水泵的压力元素数组并从中获取Θ＝ψ[p_w(0),p_w(1),…,p_w(W-1)]，其中Θ为水泵系统运行状态参数，并对获得的Θ进行判定，在Θ≤βP_set则重新启动水泵系统，即重新定义F_{start_stage}＝1，F_on＝1，并获得f_k(i)＝0；i＝0,1,…,U-1，β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数。

图6为PWM信号产生程序，以第k台水泵及其变频器，其包括以下步骤：

一、由同步信号SYN的上升沿触发进入程序；

二、设置PWM模块的周期为T；

三、依据图5计算出来的设置PWM的占空比为

四、是能PWM模块，发出PWM信号

五、程序结束，退出。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种并联供水系统输出流量均衡控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

一、采样供水系统的水压p_w(t)，在确定F_on＝1时，未捕获PWM信号PWM_max以及未获得同步信号Syn的上升沿时，则输出控制量f_k，f_k＝P_control algorithm(e_p)，其中e_p＝P_set+u_Q-p_w(t)，其中P_set为设定的水泵压力值，F_on为运行标志，u_Q为0；并更新U个元素数组并实时获得运行频率的平均值

二、在获得同步信号Syn的上升沿时，则通过步骤一中获得的运行频率的平均值更新M个元素数组并实时获得第k个控制模块的运行频率平均值与最大运行频率f_max(i)偏差量的平均值

三、在捕获到PWM信号PWM_max时，则通过获取最大导通时间获取并通过该最大运行频率更新M个元素数组并实时获取最大运行频率状态参数其中：T为的周期，为参数指标计算函数；

四、在启动阶段时，只运行压力环路控制算法，在判定启动阶段结束之后，即F_{start_stage}＝1不成立时，则进行判定，来进行系统是否处于低频运行状态的判定，并在其处于低频运行状态的时候，通过f_k(M-2)≥f_max(M-2)来决定是否暂停前一时刻输出频率最大的水泵，若暂停，即F_on＝0，则对步骤二和步骤三中的元素数组进行清零

五、在不成立时，则提供流量补偿量u_Q：

六、在获取F_on＝0的标志时，则更新水泵的压力元素数组并从中获取水泵系统运行状态参数Θ＝ψ[p_w(0),p_w(1),…,p_w(W-1)]，并对获得的Θ进行判定，在Θ≤βP_set则重新启动水泵系统，即重新定义F_{start_stage}＝1，F_on＝1，并获得f_k(i)＝0；i＝0,1,…,U-1，其中，β为正系数；ψ为状态参数Θ计算函数。

2.根据权利要求1所述的一种并联供水系统输出流量均衡控制方法，其特征在于，步骤三中，采用平均值函数，最小方差函数或概率分布函数获取最大运行频率