CN108954484A - 一种供热管网系统及自适应调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种供热管网系统及自适应调控方法，包括一次侧自补偿回路、换热器、二次侧负荷适应回路和自适应主控系统，二次侧负荷适应回路通过m个相互并联的换热器从一次侧自补偿回路获取所需的热量，并在自适应主控系统的调控下为m个热用户合理分配热量。本发明利用通过树根形分级蓄能装置对供热余热的昼夜周期变化进行“削峰填谷”，提高了系统能量利用效率；通过模型在线辨识获得二次侧负荷适应支路的动态模型，并运用最小方差的原理及自适应控制律对二次侧负荷回路的供热进行最优迭代控制，以保证自适应主控系统的控制参数始终适应二次侧负荷适应回路的实际供热特性，有利于提高系统控制精度，改善管网供热质量，减少系统能源消耗。

Description

一种供热管网系统及自适应调控方法

技术领域

本发明涉及一种供热管网系统及自适应调控方法，具体涉及的是一种为适应室外温度动态变化及供热管网热特性变化而设计的一种具有自适应特性的供热管网系统及自适应调控方法。

背景技术

在相同气候条件下，我国住宅建筑采暖供热能耗约为发达国家的3倍左右，且目前的采暖耗能已占全国能源总能耗的9.6％，我国采暖供热系统节能潜力巨大，且目前我国城市集中供热系统普遍存在供热管网设计不合理、供热管理不科学、调控手段繁杂落后、供热效率低下等问题。传统的供热管网无智能调控，主要依靠供热管理人员的经验判断，调控结果具有较大的随机性和滞后性，而少数系统虽然采用了一些量化运行管理设备和手段，但由于供热管网自身复杂性及所处环境差异性的影响，其调节效果仍然有限。

由于供热管网负荷的60％可认为是受室外温度的影响，室外温度的动态变化将对供热管网的负荷产生较大的干扰，此外，不同所述的热用户的供热需求也各不相同，且由于地理环境区别、供热回路改造施工、供热远近端不均等因素的影响，供热管网的热特性不是一成不变的，所以传统的控制方法很难适应这种具有复杂性和不确定性的供热管网系统。受自适应控制理论可以处理系统不确定的启发，本发明设计一种供热管网系统及自适应调控方法，可根据室外温度动态变化及供热管网热特性变化自动调整控制器参数，有利于提高系统的经济效益，改善热用户供热质量，加快系统响应速率，实现一、二次侧管网回路间的供需平衡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对供热管网调控系统存在的上述不足而提供的一种具有自适应特性的供热管网系统及自适应调控方法，该系统主动适应室外温度动态变化及供热管网热特性变化，有利于加快系统响应速率，提高管网供热质量，减少系统能源消耗。

为实现本发明目的，所采用的技术方案是：

一种供热管网系统，包括一次侧热源回路、换热器、二次侧负荷回路以及主控系统，其特征在于：

所述一次侧热源回路为一次侧自补偿回路，包含自补偿热源、蓄能装置、双向循环泵、及一次侧温度控制单元；

所述自补偿热源的一端为一次侧供水支路，所述自补偿热源的另一端为一次侧回水支路，在一次侧供水支路与一次侧回水支路之间连接有一次侧旁路，在该一次侧旁路上串联所述双向循环泵和蓄能装置，通过所述双向循环泵交替改变所述蓄能装置内的工质流向，实现周期性的蓄热或蓄冷；

所述蓄能装置包括箱体以及位于箱体内的分形换热通道；所述分形换热通道由两个相互对接安装的分叉通道构成；两个所述分叉通道对接处设置有一将所述箱体内部隔开成两个腔体的密封挡板，在两个腔体内分别填充相变温度不同的固液相变蓄能介质；

所述二次侧负荷回路为二次侧负荷适应回路，包括m个供热特性不同的二次侧负荷适应支路，每一个所述的二次侧负荷适应支路包括二次侧管网回路、二次侧混水控制单元及热用户，m个所述二次侧负荷适应支路通过m个相互并联的所述的换热器从所述的一次侧自补偿回路获取所需的热量，并在所述主控系统的调控下为所述的热用户合理分配热量；

所述主控系统包括模型辨识单元、一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元；所述模型辨识单元对各个时间步长下所述二次侧负荷回路的动态模型进行在线辨识；所述二次侧反馈控制单元在辨识结果的基础上按照最小方差的原理及自适应控制律设计控制系统，对m个所述的二次侧混水控制单元进行最优迭代控制；所述一次侧负荷协控单元对m个所述热用户的供热需求进行匹配，然后根据m个所述二次侧负荷适应支路的供热需求自动调整m个所述一次侧温度控制单元的阀门开度。

所述自补偿热源与室外温度关联并反向补偿外温度变化对一次侧供水温度的滞后性影响；所述自补偿热源对于室外温度变化同步变化或者超前响应，所述自补偿热源的热量补偿量ΔQ_p与室外温度T_e的变化关系为其中，…分别为T_e随时间的各阶导数，且温度导数的阶数不小于2，δ₁,δ₂,δ₃,…均为常数；所述自补偿热源的实际产热量为Q_p＝Q_p0+ΔQ_p，其中，Q_p0为所述自补偿热源的稳态产热量。

所述分叉通道为树根型分叉通道。

所述树根形分叉通道包含K级分叉管道，K为大于等于1的整数，每级管道的分叉数量为2，单个分叉的形状为“T”形或“Y”形；所述分叉管道上、下两级的管道直径的比值为2^{1 /R}，R为大于等于2且小于等于3的实数，所述树根形分叉通道第n级分叉管道的数量为2ⁿ，其中n为大于等于1且小于等于K的整数。

所述模型辨识单元先在线采集m个所述的二次侧混水控制单元的动作数据Data_u(u_s1,u_s2,…,u_sm,t)以及m个所述热用户的室内温度数据Data_T(T₁,T₂,…,T_m,t)，然后预设所述二次侧负荷适应回路的状态空间形式，最后通过模型在线辨识获得状态空间的系数矩阵。

所述的一次侧负荷协控单元根据所述模型辨识单元的辨识结果预先匹配所述热用户的供热需求，并按照关系式u_f(t)＝αQ(t)调整所述一次侧温度控制单元的阀门开度，式中，u_f为所述一次侧温度控制单元的动作输出，α为所述的一次侧温度控制单元的协控系数，Q(t)为所述热用户的供热需求。

基于上述任一所述的供热管网系统的自适应调控方法，其特征在于：所述二次侧反馈控制单元的控制量：

1)预先设定二次侧负荷适应回路的状态空间形式；

2)采集所述的二次侧混水控制单元的动作数据及所述热用户的室内温度数据，并通过模型在线辨识获得状态空间模型的系数矩阵A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)；

2)根据最优d步预测理论对状态空间的室外温度项进行处理，将室外温度项分解为与室内温度T₁相关与不相关的两部分；

3)按照1:U(其中U为大于0且小于等于2的实数)的权重对所述热用户的室内温度偏差及所述二次侧混水控制单元的动作输出进行加权评价；

4)根据最小方差控制原理，运用控制律得到所述二次侧温度控制单元在当前时间步长的最优控制向量u_s(t)＝[u_s1(t),u_s2(t),…,u_sm(t)]；

5)根据热用户供水的进口水温T_in(t)＝[T_in,1(t),T_in,2(t),…,T_in,m(t)]及出口水温T_out(t)＝[T_out,1(t),T_out,2(t),…,T_out,m(t)]进一步计算出热用户的供热需求，即Q(t)＝βu_s(t)[T_in(t)-T_out(t)]

6)采样次数加1，在线更新步骤2)～5)，产生新的最优控制向量[u_s1(t+1),u_s2(t+1),…,u_sm(t+1)]以及下一时刻热用户的供热需求Q(t+1)。

本发明一种供热管网系统及自适应调控方法，包括一次侧自补偿回路、二次侧负荷适应回路和自适应主控系统，所述的一次侧自补偿回路包含自补偿热源、树根形分级蓄能装置及一次侧温度控制单元，所述的二次侧负荷适应回路包含供热特性不同的多个二次侧负荷适应支路，所述的自适应主控系统按照自适应调控方法对所述的二次侧负荷适应回路进行调控，并对一次侧供热负荷进行实时匹配，其特征在于：所述的自补偿热源与室外温度关联并反向补偿室外温度变化对一次侧供水温度的影响，所述的树根形分级蓄能装置箱体为一方形箱体，所述的方形箱体内包含两个相互对接安装的树根形分叉通道，所述的树根形分叉通道与所述的方形箱体所形成的密封空间由一阵列多孔密封挡板平均等分成两部分，并分别填充相变温度不同的固液相变蓄能介质，所述的树根形分级蓄能装置通过一次侧旁路接入所述的一次侧自补偿回路中，并采用双向循环泵交替改变所述的树根形分叉通道内的工质流向，实现周期性的蓄热或蓄冷，从而对供热余热的周期变化产生“削峰填谷”的作用；所述的自适应主控系统同步采集热用户的输入输出参数，对所述的二次侧负荷适应回路进行在线辨识和更新优化，得到该时间步长下所述的二次侧负荷适应回路的动态模型，在此基础上保证控制器的参数始终适应所述二次侧负荷适应回路的时变特性及空间差异，所述的自适应主控系统通过不断的自适应改进，逐步提高控制精度，最终使得所述的二次侧负荷适应回路完全适应所述热用户的供热需求，并协调一、二次侧管网回路间的负荷供求关系，既满足一、二次侧管网回路间热量供需的绝对平衡，又实现m个所述二次侧负荷适应支路间热负荷的相对平衡。

所述的自补偿热源与室外温度关联，并完全跟踪适应室外温度的全时域变化，当室外温度变化时，所述自补偿热源的热量补偿量ΔQ_p与室外温度T_e的变化关系为其中，…分别为T_e随时间的各阶导数，且温度导数的阶数不小于2，δ₁,δ₂,δ₃,…均为常数，因此，所述自补偿热源的实际产热量为Q_p＝Q_p0+ΔQ_p，其中，Q_p0为所述自补偿热源的稳态产热量。当室外温度升高时，所述的自补偿热源在系统温度还未大幅下降时就开始减少产热量，提前抵消室外温度增加对一次侧供水温度的影响，从而维持系统温度基本不变；同理，当室外温度降低时，所述的自补偿热源提前按照前述室外温度的多阶导数关系增加产热量，产热量的增加刚好补偿室外温度引起的一次侧供水温度降低。当提供的数据除了有当前室外温度数据外，还有参考温度信息(包含但不仅限于往年温度变化规律、天气预测信息、经验规律等)时，所述的自补偿热源根据所述的参考温度信息在室外温度即将变化前就开始动作，超前补偿室外温度变化对一次侧供水温度温度的滞后性影响。

所述的树根形分级蓄能装置箱体为一方形箱体，所述的方形箱体上贯穿包含两个相互对接安装的树根形分叉通道，所述的树根形分叉通道内流动工质为一次侧供水或一次侧回水，所述的树根形分叉通道外侧与所述的方形箱体形成用来储存蓄能介质的密封空间，所述的密封空间由一阵列多孔密封挡板等分成一、二两级蓄热空间，为了实现所述树根形分叉通道内不同水温梯度下的能量回收利用，在所述的一、二两级蓄热空间密分别填充固液相变蓄能介质A与固液相变蓄能介质B，且所述的相变蓄能介质A的相变温度比所述的固液相变蓄能介质B高；所述的树根形分叉通道通过逐级分叉的树根构型将一次侧回路中的能量传递至所述的固液相变蓄能介质。由于室外温度昼夜波动显著，而供热系统存在热惯性，因此，所述的一次侧自补偿回路的供热负荷与所述的二次侧负荷适应回路的热量需求匹配时会产生滞后性偏差，该偏差的具体表现形式为供热余热的正弦规律变化。当一次侧供热负荷过于富余时，供热余热为正，此时所述的双向循环泵使得所述的一次侧供水先通过所述的一级蓄热空间，将热量传递给相变温度较高的所述固液相变蓄能介质A，使所述的固液相变蓄能介质A从固态融化成液态；此时，所述的一次侧供水的温度有所降低，再让所述的一次侧供水通过所述的二级蓄热空间，由于所述的固液相变蓄能介质B的相变温度较低，所述的一次侧供水仍然能使得所述的固液相变蓄能介质B发生融化，至此，所述的一次侧自补偿回路中多余热量以相变蓄热的方式大量存储在所述的树根形分级蓄能装置中。反之，当一次侧供热量比较匮乏时，供热余热为负，所述的一次侧回水反向经过所述的一次侧旁路，即先通过所述的二级蓄热空间，再经过所述的一级蓄热空间，温度较低的所述的一次侧回水从相变温度较低的所述固液相变蓄能介质A中吸收热量，使得所述的固液相变蓄能介质B从液态凝固成固态；此时，所述的一次侧回水的温度有所升高，由于所述的固液相变蓄能介质A的相变温度较高，此时所述的一次侧供水仍然能使得所述的固液相变蓄能介质A发生凝固，至此，所述的一次侧自补偿回路从所述的树根形分级蓄能装置中吸收热量，并同时将大量的冷量以相变蓄冷的方式存储在所述的树根形分级蓄能装置中。所述的树根形分级蓄能装置通过所述的一次侧旁路接入所述的一次侧自补偿回路中，通过所述的双向循环泵交替改变所述的树根形分叉通道内的水流方向，实现周期性的蓄热或蓄冷，既能削弱一次侧供热量富余时的峰值，又能填补一次侧供热不足时的波谷，即对热负荷的周期变化产生“削峰填谷”的作用，另外，所述的树根形分级蓄能装置箱体包覆至少50mm的保温材料，以防止在非“峰谷”时间内热量或冷量的耗散。

所述的树根形分叉通道包含K级分叉管道(K为大于等于1的整数)，每级管道的分叉数量为2，单个分叉的形状为“T”形或“Y”形，对于“T”形分叉管道，其上、下两级管道中轴线相互垂直且位于同一平面内，对于“Y”形分叉管道，其上、下两级管道中轴线分别位于互相垂直相交的两个平面上。所述的分叉管道上、下两级的管道直径的比值为2^1/R(其中R为大于等于2且小于等于3的实数)。所述的树根形分叉通道第n级分叉管道的数量为2ⁿ，其中n为大于等于1且小于等于K的整数，两个所述的树根形分叉通道的最后一级管道相互对接安装(对接安装方式包括但不限于焊接、法兰连接、螺纹连接等工艺方式)并穿过所述的阵列多孔密封挡板，所述的树根形分叉通道与所述的阵列多孔密封挡板之间的密封形式可以采用焊接、法兰连接、胶粘、螺纹连接等工艺。

所述的树根形分叉通道由单条管道层层分级，最终形成类似于“树根”的分叉管道，且第n级中2ⁿ条所述的分叉管道中的流量相等，使得热流能够沿着所述的分叉管道均匀地传递给所述的固液相变蓄能介质A及所述的固液相变蓄能介质B。在所述的树根形分级蓄能装置中心区域所述的分叉管道最为密集，有利于蓄热或蓄冷过程从所述的树根形分级蓄能装置的中心区域向外辐射进行，使得相变蓄能过程完全被所述的固液相变蓄能介质A及所述的固液相变蓄能介质B所包裹，有助于热流在所述的方形箱体内充分扩展，并降低相变蓄能量向外界的损耗。

所述的二次侧负荷适应回路包括二次侧管网回路、二次侧混水控制单元及热用户，所述的二次侧管网回路包含二次侧供水、二次侧回水及二次侧旁路，所述的二次侧旁路中的水流方向为单向，所述的二次侧回水部分经过所述的二次侧旁路与所述的二次侧供水混合。当所述二次侧负荷适应回路的实际供热量高于所述热用户的供热需求时，所述的二次侧混水控制单元增加所述二次侧旁路中的回水比例，使得所述的二次侧回水流向换热器的比例减小，从而降低所述的二次侧负荷适应回路从所述的一次侧自补偿回路中获取的热量；相反，当所述二次侧负荷适应回路的实际供热量低于所述热用户的供热需求时，所述二次侧旁路中的回水比例减小，所述二次侧回水流向所述换热器的比例增加，因此所述的二次侧负荷适应回路能从所述的一次侧自补偿回路中获取更多热量，并满足所述热用户的负荷增加需求。所述二次侧旁路的存在，分担了所述的换热器的流动阻力，从整体上改善了所述的二次侧负荷适应回路的流动结构，提高了所述的二次侧负荷适应支路的水循环流量，有利于缓解因水循环不顺畅所造成了末端水力失调现象。

所述的自适应主控系统包括模型辨识单元、一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元，所述的模型辨识单元在线采集m个所述的二次侧混水控制单元的动作数据Data_u(u_s1,u_s2,…,u_sm,t)以及m个所述热用户的室内温度数据Data_T(T₁,T₂,…,T_m,t)，利用所述模型辨识单元获取的信息可预设所述二次侧负荷适应回路的状态空间形式，通过模型在线辨识获得状态空间的系数矩阵。所述的二次侧反馈控制单元根据最小方差的原理设计最优控制指标，按照1:U(其中U为大于0且小于等于2的实数)的权重对所述热用户的室内温度偏差T(t)-T₀(t)及所述二次侧混水控制单元的动作输出u₁进行加权评价，并进一步运用自适应控制律得到当前时间步长的最优控制向量[u_s1(t),u_s2(t),…,u_sm(t)]。由于所述热用户的供热需求受到人为因素、天气状况及环境因素的影响，所述二次侧负荷适应回路的动态模型是时变的，而且对于不同所述二次侧负荷适应支路，其动态模型也存在明显的地域差异，因此，所述的自适应主控系统在下一时间步长下继续寻找新的最优控制向量[u_s1(t+1),u_s2(t+1),…,u_sm(t+1)]，以保证所述自适应主控系统的控制参数始终适应所述二次侧负荷适应回路的实际供热特性。

所述的一次侧负荷协控单元根据所述模型辨识单元的辨识结果预先匹配所述热用户的供热需求，根据m个所述热用户的供热需求自动调整m个所述的一次侧温度控制单元的阀门开度，所述一次侧温度控制单元的动作输出u_f与所述热用户的供热需求Q之间的关系为u_f＝αQ，式中，α为所述的一次侧温度控制单元的协控系数，该系数由所述的二次侧反馈控制单元反馈迭代确定，且不随所述热用户供热需求的变化而变化。在所述的一次侧负荷协控单元的作用下，所述一次侧自补偿回路的供热负荷自动适应所述二次侧负荷适应回路的热量需求，达到一、二次侧管网间供热的绝对平衡。

有益效果

本发明涉及一种供热管网系统及自适应调控方法，该系统将自补偿热源与室外温度关联并提前补偿室外温度变化对一次侧供水温度的滞后性影响，大幅提高了一次侧自补偿回路抗外界干扰的能力；针对供热需求的昼夜周期性变化，将树根形分级蓄能装置运用于一次侧自补偿回路的一次侧旁路中，在树根形分级蓄能装置中填充A、B两种相变温度不同的固液相变蓄能介质，并通过双向循环泵改变K级分叉的树根形分叉通道内的水流方向，实现高效的周期性蓄热或蓄冷，对热负荷的周期变化产生“削峰填谷”的作用，同时提高了系统供热质量及能量利用效率；二次侧负荷适应回路中二次侧旁路的存在，分担了换热器的流动阻力，从整体上改善了二次侧负荷适应回路的流动结构，有利于缓解因水循环不顺畅所造成了末端水力失调现象；自适应主控系统利用模型辨识单元对二次侧负荷适应支路的动态模型进行在线辨识，根据最小方差的原理确定最优控制指标，并运用自适应控制律设计二次侧温度控制单元的最优控制向量，以保证自适应主控系统的控制策略始终适应二次侧负荷适应回路的实际供热特性，有利于提高系统控制精度，改善管网供热质量，减少系统能源消耗；一次侧负荷协控单元根据模型辨识单元的辨识结果预先匹配热用户的供热需求，提高了系统供热反馈速度，实现了一、二次侧管网间的供需平衡。

附图说明

图1为供热管网及其自适应系统示意图。

图2为自补偿热源产热量补偿室外温度变化曲线图。

图3为树根形分级蓄能装置结构示意图。

图4为树根形分级蓄能装置箱体内部结构示意图。

图5为树根型分叉通道对接示意图。

图6为“T”形分叉管道示意图。

图7为“Y”形分叉管道示意图。

图8为树根形分叉通道俯视图。

图9为系统自适应控制原理图。

图10为模型在线辨识流程图。

图11为调控前后仿真效果对比图。

图中，1.树根形分级蓄能装置箱体；2.树根形分叉通道；3.阵列多孔密封挡板；4.固液相变蓄能介质A；5.固液相变蓄能介质B；6.箱体密封盖板；7.流道进口；8.流道出口；9.“T”形分叉管道；10.“Y”形分叉管道。

具体实施方式

下面结合附图对本说明作进一步的描述：

本发明提出一种供热管网系统及自适应调控方法，供热管网及其自适应系统结构如图1所示，供热管网系统由一次侧自补偿回路、二次侧负荷适应回路和自适应主控系统三部分构成。图1中，一次侧自补偿回路包含自补偿热源、树根形分级蓄能装置、双向循环泵、一次侧温度控制单元及换热器。二次侧负荷适应回路包含m个供热特性不同的二次侧负荷适应支路，m个二次侧负荷适应支路通过m个相互并联的换热器从一次侧自补偿回路获取所需的热量，并在自适应主控系统的调控下为热用户合理分配热量。自适应主控系统包括模型辨识单元、一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元。由于热用户的供热需求受到人为因素、天气状况及环境因素的影响，而且二次侧负荷适应回路的动态特性在管网改造、用户结构调整等工程实践中也会发生较大改变，所以不能将二次侧负荷适应回路假设成为时不变的控制对象。因此，本发明利用模型辨识单元对各个时间步长下二次侧负荷适应回路的动态模型进行在线辨识，按照最小方差的原理及自适应控制律设计控制系统，并通过二次侧反馈控制单元对m个二次侧温度控制单元进行最优迭代控制，提高了控制精度及控制效率，大大改善了用户供热质量；另外，自适应主控系统还采用一次侧负荷协控单元对热用户的供热需求进行匹配，然后根据m个、热用户的供热需求自动调整m个一次侧温度控制单元的阀门开度，避免一、二次侧热量“供大于求”或“供小于求”的现象，减小了系统能量消耗，实现了一、二次侧管网供热的绝对平衡。

在图1中，二次侧负荷适应支路采用旁通管路的设计方式，部分二次侧回水不进入换热器而经二次侧旁路直接进入换热器的下游，二次侧旁路对于二次侧负荷适应支路来说，既减少了换热器的流动阻力，又从整体上改善了二次侧负荷适应支路的流动结构，从而提高了二次侧负荷适应支路的水循环流量(检测报告显示水循环流量增加约5～30％)，减小了供回水的温差，有效缓解因水循环不顺畅所造成了末端水力失调现象。

自补偿热源产热量补偿室外温度变化的曲线如图2所示，以哈尔滨十月下旬某一MW级自补偿热源的产热量调控策略为例，图2中十天内室外温度平均值为-5℃，室外温度昼夜温差在10℃以上，且具有明显的昼夜周期性变化规律。自补偿热源将依据室外温度的变化规律实时调整自身产热量，补偿室外温度变化对系统温度的时滞性影响，以自补偿热源的热量补偿量ΔQ_p为例，热量补偿量ΔQ_p与室外温度T_e的变化关系为 取δ₁＝0,δ₂＝-0.1,δ₃＝-0.01,δ₄＝δ₅＝…＝0，自补偿热源的实际产热量为Q_p＝Q_p0+ΔQ_p，其中，Q_p0为自补偿热源的稳态产热量。图2中自补偿热源在Q_p0＝7.5MW的基础上进行周期性的热量自补偿，热量补偿量ΔQ_p在±1MW左右，随着季节及天气的变化，自补偿热源的稳态产热量Q_p0也相应升高或降价，以避免热量补偿量ΔQ_p的值过大造成补偿响应时间过长。

树根形分级蓄能装置的结构示意如图3所示，树根形分级蓄能装置箱体1外形为长方体，内部贯穿包含两个相互对接安装的树根形分叉通道2。树根形分级蓄能装置箱体1与两个树根形分叉通道2(级数为K)之间形成密封空间，密封空间由一块阵列多孔密封挡板3分成一、二两级蓄热空间，在一、二两级蓄热空间内分别填充固液相变蓄能介质A4(例如石蜡，相变温度为47～64℃)与固液相变蓄能介质B5(例如月桂酸，相变温度为44℃)。相变蓄能介质A4的相变温度比固液相变蓄能介质B5高，图3中箱体密封盖板6为树根形分级蓄能装置箱体1的一部分，其作用为方便填充或更换树根形分级蓄能装置中的相变蓄能介质A4及固液相变蓄能介质B5。树根形分级蓄能装置一端与双向循环泵连接，通过双向循环泵交替改变树根形分叉通道内的水流方向，在蓄热时，一次侧供水通过流道进口7进入树根形分叉通道，并从流道出口8流至一次侧回水管道；在蓄冷时，一次侧回水通过流道出口8进入树根形分叉通道，并从流道入口7流至一次侧供水管道，在昼夜交替中实现周期性的蓄热或蓄冷，有利于减小室外温度昼夜交替变化对一次侧自补偿回路的热平衡的干扰，即对供热余热的周期变化产生“削峰填谷”的作用。

树根形分级蓄能装置箱体1的内部结构如图4所示，阵列多孔密封挡板3将树根形分级蓄能装置箱体1的密封空间平均等分为体积相等的两部分，阵列多孔密封挡板3上含有2^K个阵列布置的通孔，与树根形分叉通道2通过焊接、法兰连接、胶粘、螺纹连接等工艺连接，以防止树根形分叉通道2内的流体工质窜入树根形分级蓄能装置箱体1与两个树根形分叉通道2之间形成的密封空间中。

本发明建立了多级分叉的树根形分叉通道，树根形分叉通道的结构如图5所示，树根形分叉通道包含K级分叉管道(K为大于等于1的整数)，每级管道的分叉数量为2，单个分叉的形状为“T”形或“Y”形，参见图6和图7。对于“T”形分叉管道9，其上、下两级管道中轴线相互垂直且位于同一平面内。对于“Y”形分叉管道10，其上、下两级管道中轴线分别位于互相垂直相交的两个平面上。树根形分叉通道上、下两级的管道直径的比值为2^1/R(其中R为大于等于2且小于等于3的实数)。树根形分叉通道2第n级分叉管道的数量为2ⁿ，两个树根形分叉通道2的最后一级管道相互对接安装(对接安装方式包括但不限于焊接、法兰连接、螺纹连接等工艺方式)并穿过阵列多孔密封挡板3。树根形分叉通道的俯视图如图5所示，树根形分叉通道由单条管道层层分级，最终形成类似于“树根”的分叉管道，且第n级分叉中2ⁿ条分叉管道中的流量相等，使得热流能够沿着分叉管道均匀高效地传递给固液相变蓄能介质A4及固液相变蓄能介质B5。

系统自适应控制原理如图9所示，本发明将自适应的思想运用到供热管网的控制中，使得供热管网能够及时修正自身的控制参数以适应室外温度及供热需求的动态变化，从而保证整个系统始终处于满意的工作状态。控制系统以室外温度T_e为输入，以热用户为被控对象，以热用户的室内温度为输出，以一次侧温度控制单元及二次侧混水控制单元为执行元件。一次侧温度控制单元的动作输出为u_f1,u_f2,…,u_fm，二次侧混水控制单元的动作输出为u_s1,u_s2,…,u_sm，自适应主控系统利用模型辨识单元同步采集二次侧混水控制单元的动作数据Data_u(u_s1,u_s2,…,u_sm,t)及热用户的室内温度数据Data_T(T₁,T₂,…,T_m,t)，通过模型在线辨识对二次侧负荷适应回路的动态模型进行在线辨识，辨识结果将分别反馈至一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元；二次侧反馈控制单元根据最小方差原理及自适应控制律获得不断迭代更新的最优控制向量[u_s1(t),u_s2(t),…,u_sm(t)]，以保证热用户的室内温度始终稳定在室内温度设定值T₀附近；一次侧负荷协控单元根据模型辨识单元的辨识结果预先匹配热用户的供热需求，并按照关系式u_f＝αQ调整一次侧温度控制单元的阀门开度，式中，u_f为一次侧温度控制单元的动作输出，α为一次侧温度控制单元的协控系数，Q为热用户的供热需求。

在一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元的联合作用下，一次侧自补偿回路的供热负荷自动匹配所述二次侧负荷适应回路的供热需求，达到一、二次侧管网间供热的绝对平衡；当热用户或二次侧负荷适应回路的供热特性发生变化后，主控系统仍能自动适应其变化，保证系统的经济性及供热质量基本不受影响。

下面以热用户1所在控制回路为例说明控制器的设计流程：

对于热用户1对应的二次侧负荷适应支路，热用户1供水的进、出口水温分别为T_in,1(t)、T_out,1(t)，以热用户1的室内温度序列T₁(t)作为控制系统的输出，二次侧混水控制单元的动作u_s1作为系统的控制器输出，并以室外温度序列T_e(t)作为系统的干扰，对于一般二次侧管网，可设该支路的动态模型阶次为三阶，本控制系统的模型表达式为：

A(q^-1)T₁(t)＝B(q^-1)u_s1(t)+C(q^-1)T_e(t) (1)

其中

且

E[ζ(t)]＝0 (3)

式中，A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)为系数矩阵；q^-1为后向位移算子，例如：q^-1T₁₍t)＝T₁(t-1)。

在获取二次侧混水控制单元1的动作数据Data_u(u_s1,t)及热用户1的室内温度数据Data_T(T₁,t)后，利用MATLAB中的tfest函数对二次侧负荷适应支路的动态模型进行初步辨识，初步得到模型的系数矩阵A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)的具体形式为：

根据最优d步预测理论，由式(1)可以得到：

其中，T₁(t+d)为T₁(t)的d步预测。

将分解为与室内温度T₁相关与不相关的两部分，即

上式右边第一项与室内温度T₁不相关，右边第二项与室内温度T₁相关，式中F(q^-1)，G(q^-1)的值可由长除法求出，则由式(5)及式(7)可得到

在自适应控制系统中，除了保证热用户1的室内温度值T₁(t)跟踪室内温度设定值T₀(t)，还应限制控制器频繁动作，为了使得该二次侧混水控制单元动作更为平稳，在设置控制指标不仅考虑室内温度的控制效果，还按照1:1的权重对该二次侧混水控制单元的动作输出u_s1进行加权评价，控制指标函数为：

J＝E{[T₁(t)-T₀(t)]²+u_s1 ²(t)} (9)

根据最小方差控制原理，使得上式取得最小值的最优控制为

根据式(5)(8)(10)，对应的二次侧混水控制单元最优控制为

由于温度为T_in,1(t)的供水经热用户1放热后温度降低到T_out,1(t)，跟据能量守恒，供水的热量基本转移到热用户1，而流向热用户1的热量与控制器的动作输出u_s1(t)有明显的线性关系，因此热用户1的供热需求可由以下公式得到：

Q₁(t)＝β₁u_s1(t)[T_in,1(t)-T_out,1(t)] (12)

其中，u_s1(t)可为阀门开度、供水质量流量、供水流速等物理参数，β₁为对应于物理量u_s1(t)的比例系数。

由式(11)可计算出当前时间步长下执行器的最优控制参数，由式(12)可计算出热用户1的供热需求，随着时间的递进，自适应主控系统不断迭代更新计算，控制效果及控制精度逐步提高，自适应控制系统的算法步骤如下：

①读取热用户室内温度初始数据T₁(t)和u_s1(t)；

②辨识系数矩阵A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)；

③由式(7)解出F和G；

④根据最优控制律(10)及所求参数求出u_s1(t)；

⑤热用户1的供热需求Q₁(t)＝β₁u_s1(t)[T_in,1(t)-T_out,1(t)]；

⑥采样次数加1，在线更新步骤①～⑤，产生下一时间步长的控制量u_s1(t+1)及新的供热需求Q₁(t+1)。

下面结合热用户1的模型辨识过程，对模型在线辨识的原理进一步说明，模型在线辨识流程图如图10所示。图10中先验规律指关于热用户需求规律、供热特性以及其他方面的已有规律，这些规律是选取模型结构、确定辨识方法及设计模型参数等的首要参考依据。为确定热用户的供热需求及供热响应特性，可将热用户看成一个“黑箱”，而不用知道热用户的内部具体结构及传热特征等详细信息，规避了热用户内部不确定性及复杂性对预测结果准确度的影响。模型辨识单元从已知的辨识目的及先验规律的基础出发，利用二次侧混水控制单元的动作数据Data_u(u_s1,u_s2,…,u_sm,t)及热用户的室内温度数据Data_T(T₁,T₂,…,T_m,t)，对模型的结构及参数等进行初次预测，然后利用已获得的初始模型对预测热用户的状态空间进行预估，得到热用户1的状态空间系数A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)，最后再将该预测结果与热用户的实际状态相比较，若二者误差小于阈值ε，则认为该次预测精度达到要求，该预估模型即为最终模型；若误差大于阈值ε，则需重复上述步骤，对前一次得到的预估模型进行迭代更新计算，以此往复，最终得到符合精度要求的最终模型。

在自适应调控方法的作用下，供热管网系统能够自动适应二次侧负荷适应回路热特性的变化，自适应调控前后仿真效果对比如图11所示。图11中显示经自适应调控后，热用户1的室内温度的范围从18±2℃精确调控至18±1℃，控制效果显著改善，且当第50h在二次侧负荷适应支路1中并入一条小型供热回路，加入该干扰后，由于二次侧负荷适应支路1中的供热量还未来得及跟上，故回路中供水水温有所下降。由于二次侧负荷适应支路1的动态模型发生变化，在未采用自适应控制系统时，热用户1的室内温度虽然也能恢复至接近于原先的水平，但由于未考虑模型变化过程中所积累的偏差，故室内温度恢复稳态后其温度水平略低于规定的18℃；而在采用自适应主控系统后，不仅室内温度全时域波动更小，且抗干扰能力更强，遇到干扰后恢复更快，在管网结构发生变化后仍能热用户1将室内温度的平均值控制在18℃左右，证明供热管网系统及自适应调控方法具有很好的应用前景及实践价值。

Claims (7)

1.一种供热管网系统，包括一次侧热源回路、换热器、二次侧负荷回路以及主控系统，其特征在于：

所述一次侧热源回路为一次侧自补偿回路，包含自补偿热源、蓄能装置、双向循环泵、及一次侧温度控制单元；

所述自补偿热源的一端为一次侧供水支路，所述自补偿热源的另一端为一次侧回水支路，在一次侧供水支路与一次侧回水支路之间连接有一次侧旁路，在该一次侧旁路上串联所述双向循环泵和蓄能装置，通过所述双向循环泵交替改变所述蓄能装置内的工质流向，实现周期性的蓄热或蓄冷；

所述蓄能装置包括箱体以及位于箱体内的分形换热通道；所述分形换热通道由两个相互对接安装的分叉通道构成；两个所述分叉通道对接处设置有一将所述箱体内部隔开成两个腔体的密封挡板，在两个腔体内分别填充相变温度不同的固液相变蓄能介质；

所述二次侧负荷回路为二次侧负荷适应回路，包括m个供热特性不同的二次侧负荷适应支路，每一个所述的二次侧负荷适应支路包括二次侧管网回路、二次侧混水控制单元及热用户，m个所述二次侧负荷适应支路通过m个相互并联的所述的换热器从所述的一次侧自补偿回路获取所需的热量，并在所述主控系统的调控下为所述的热用户合理分配热量；

所述主控系统包括模型辨识单元、一次侧负荷协控单元及二次侧反馈控制单元；所述模型辨识单元对各个时间步长下所述二次侧负荷回路的动态模型进行在线辨识；所述二次侧反馈控制单元在辨识结果的基础上按照最小方差的原理及自适应控制律设计控制系统，对m个所述的二次侧混水控制单元进行最优迭代控制；所述一次侧负荷协控单元对m个所述热用户的供热需求进行匹配，然后根据m个所述二次侧负荷适应支路的供热需求自动调整m个所述一次侧温度控制单元的阀门开度。

2.根据权利要求1所述的供热管网系统，其特征在于：所述自补偿热源与室外温度关联并反向补偿外温度变化对一次侧供水温度的滞后性影响；所述自补偿热源对于室外温度变化同步变化或者超前响应，所述自补偿热源的热量补偿量ΔQ_p与室外温度T_e的变化关系为其中，…分别为T_e随时间的各阶导数，且温度导数的阶数不小于2，δ₁,δ₂,δ₃,…均为常数；所述自补偿热源的实际产热量为Q_p＝Q_p0+ΔQ_p，其中，Q_p0为所述自补偿热源的稳态产热量。

3.根据权利要求1所述的供热管网系统，其特征在于：所述分叉通道为树根型分叉通道。

4.根据权利要求1所述的供热管网系统，其特征在于：所述树根形分叉通道包含K级分叉管道，K为大于等于1的整数，每级管道的分叉数量为2，单个分叉的形状为“T”形或“Y”形；所述分叉管道上、下两级的管道直径的比值为2^1/R，R为大于等于2且小于等于3的实数，所述树根形分叉通道第n级分叉管道的数量为2ⁿ，其中n为大于等于1且小于等于K的整数。

5.根据权利要求1所述的供热管网系统，其特征在于：所述模型辨识单元先在线采集m个所述的二次侧混水控制单元的动作数据Data_u(u_s1,u_s2,…,u_sm,t)以及m个所述热用户的室内温度数据Data_T(T₁,T₂,…,T_m,t)，然后预设所述二次侧负荷适应回路的状态空间形式，最后通过模型在线辨识获得状态空间的系数矩阵。

6.根据权利要求1所述的供热管网系统，其特征在于：所述的一次侧负荷协控单元根据所述模型辨识单元的辨识结果预先匹配所述热用户的供热需求，并按照关系式u_f(t)＝αQ(t)调整所述一次侧温度控制单元的阀门开度，式中，u_f为所述一次侧温度控制单元的动作输出，α为所述的一次侧温度控制单元的协控系数，Q(t)为所述热用户的供热需求。

7.基于权利要求1-6任一所述的供热管网系统的自适应调控方法，其特征在于：所述二次侧反馈控制单元的控制量：

1)预先设定二次侧负荷适应回路的状态空间形式；

2)采集所述的二次侧混水控制单元的动作数据及所述热用户的室内温度数据，并通过模型在线辨识获得状态空间模型的系数矩阵A(q^-1)，B(q^-1)和C(q^-1)；

2)根据最优d步预测理论对状态空间的室外温度项进行处理，将室外温度项分解为与室内温度T₁相关与不相关的两部分；

3)按照1:U(其中U为大于0且小于等于2的实数)的权重对所述热用户的室内温度偏差及所述二次侧混水控制单元的动作输出进行加权评价；

4)根据最小方差控制原理，运用控制律得到所述二次侧温度控制单元在当前时间步长的最优控制向量u_s(t)＝[u_s1(t),u_s2(t),…,u_sm(t)]；

5)根据热用户供水的进口水温T_in(t)＝[T_in,1(t),T_in,2(t),…,T_in,m(t)]及出口水温T_out(t)＝[T_out,1(t),T_out,2(t),…,T_out,m(t)]进一步计算出热用户的供热需求，即Q(t)＝βu_s(t)[T_in(t)-T_out(t)]

6)采样次数加1，在线更新步骤2)～5)，产生新的最优控制向量[u_s1(t+1),u_s2(t+1),…,u_sm(t+1)]以及下一时刻热用户的供热需求Q(t+1)。