CN109814385A - 一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法，其技术特点是将分散式以电供热系统作为被控对象进行分析，确定输入输出量及控制量；通过自抗扰控制中的跟踪微分器对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；通过自抗扰控制中的扩张状态观测器ESO对分散式以电供热系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；通过自抗扰控制中的非线性状态误差反馈控制律来构成系统的控制量，提高控制的抗扰能力；在控制过程中对各部件进行参数整定，实现分散式以电供热系统的自抗扰控制方法。本发明对实施政府电能替代的方针政策有较大的促进作用，显著减少了城市污染物的排放，改善了人民生活环境的质量。

Description

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法

技术领域

本发明属于以电供热系统技术领域，涉及分散式以电供热系统和方法，尤其是一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法。

背景技术

近年来，我国严重雾霾天气频发，PM2.5浓度严重超标。经研究表明燃煤和燃油是造成环境污染的重要因素，而电能则是当前全球公认最清洁、广泛的能源。因此要根治雾霾，关键在于研发出一套抗扰性强的分散式以电供热系统，用以改革煤为主的不合理能源结构，并实施电能替代战略。

以电供热技术利用输入少量电能等高品位能源，实现了热能由低品位向高品位的转移，现已在我国一些地方示范应用。但在现有技术下，分散式以电供热系统存在模型不完整，系统配置和控制方法效果差等问题。而且系统在运行过程中外界干扰因素多、内部工作过程复杂，使得运行工况往往偏离设定值，导致系统的能耗高、效率低，难以大范围应用。

经检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法，其采用自抗扰控制算法来协调系统中多设备的运行，以“观测+补偿”的方法处理系统不确定性，提高了系统的运行效率和总出水温度的控制精度，同时配合非线性反馈方式，提高控制的抗扰能力，在提高用户舒适度的前提下达到节能目的。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统，包括热泵部分、光伏部分、电锅炉部分、测温小室、冷却塔部分、控制柜、电灯、储能电池和市电，热泵部分包括储液罐、冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀和热水循环泵，光伏部分包括太阳能集热器、集热水箱、太阳能循环泵、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6，电锅炉部分包括电锅炉、电磁阀、散热片、电锅炉循环泵、第七开关S7和第八开关S8，测温小室包括风机盘管，冷却塔部分包括冷却塔和冷却塔循环泵，热泵部分中的冷凝器的输出端和太阳能集热器的输出端分别与储能电池的输入端相连接，储能电池的输出端和市电的输出端分别与电灯的输入端、电锅炉的输入端、压缩机的输入端、控制柜的输入端、热水循环泵的输入端、太阳能循环泵的输入端、冷却塔循环泵的输入端和电锅炉循环泵的输入端相连接，控制柜的输出端分别与储能电池的输入端和市电的输入端相连接实现控制储能电池和市电的输出的功能，储液罐依次与冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀相连接，节流阀与储液罐相连接，冷凝器通过热水循环泵、第一开关S1和第二开关S2与集热水箱相连接，太阳能集热器通过太阳能循环泵、第五开关S5和第六开关S6与集热水箱相连接，冷却塔通过冷却塔循环泵、第三开关S3和第四开关S4与集热水箱相连接，电锅炉通过电锅炉循环泵、第七开关S7和第八开关S8与集热水箱相连接，风机盘管与冷却塔相连接。

所述压缩机实现将循环工质从低温低压状态变为高温高压状态的功能，所述蒸发器蒸发经节流阀流入的制冷剂液体，吸收被冷却物体的热量，实现制冷的功能，所述冷凝器包括冷却介质，冷却介质吸取从蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功转化的热量，实现制热的功能，所述节流阀实现对循环工质节流降压的功能，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将分散式以电供热系统作为被控对象进行分析，确定输入输出量及控制量；

步骤2、通过自抗扰控制中的跟踪微分器对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；

步骤3、通过自抗扰控制中的扩张状态观测器ESO对分散式以电供热系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；

步骤4、通过自抗扰控制中的非线性状态误差反馈控制律来构成系统的控制量，提高控制的抗扰能力；

步骤5、在控制过程中对各部件进行参数整定，实现分散式以电供热系统的自抗扰控制方法。

所述步骤1中所述输入量为储能电池的输入量，所述输出量为电锅炉的热输出量，所述控制量为储能电池的输出量，所述扰动量为太阳能电源的出力，所述太阳能电源的出力为太阳能电源的额定功率。

所述步骤2中跟踪微分器的控制算法为：

其中非线性函数为：

所述步骤3中扩张状态观测器算法为：

非线性组合为：

所述步骤4中非线性状态误差反馈控制律为：

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明中的分散式以电供热系统改善了不合理的能源结构，利用清洁的电能替代造成环境污染燃煤和燃油，比传统供热系统更清洁、应用更广泛。

2、本发明的分散式以电供热系统是治理雾霾的重要一环，符合政府清洁能源替代的供热系统方针政策，可以显著减少城市污染物排放，改善人民生活环境质量。

3、本发明中在以电供热系统中应用自抗扰控制技术，能显著提高动态响应性能、抑制控制超调、充分发挥系统性能、降低系统能耗，具备大范围应用的潜力。

4、本发明中的控制方法协调以电供热系统中多设备的运行，提高了系统的运行效率、抗扰能力和总出水温度的控制精度，在提高用户舒适度的前提下达到节能减排目的。

附图说明

图1为本发明的控制系统的执行器示意图；

图2为本发明的控制系统的电气简图；

图3为本发明的控制系统的水循环结构图；

图4为本发明的自抗扰控制结构图；

图5为本发明的优化控制方案图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统，如图1至图5所示，包括：

本发明包括热泵部分、光伏部分、电锅炉部分、测温小室、冷却塔部分、控制柜、电灯、储能电池和市电。其中太阳能集热器提供热量，当太阳能能量不足时由空气源热泵补充热量。在极端天气情况时，空气源热泵结霜，由电加热器补充。空气源热泵机组压缩机产生的热量通过套管将水箱中的水加热，水箱中热水通过循环水泵将热水送到散热器中。

根据天气条件不同，系统的运行模式分为太阳能单元单独运行、空气源热泵与太阳能共同运行、空气源热泵单独运行三种情况。晴好天气下，太阳能集热单元单独运行满足在当天任一时刻储热水箱的既定水温，仅使用太阳能单元加热，不开启空气源热泵。在太阳辐射不足的情况下，则采用太阳能单元为主，空气源热泵辅助加热的方式。空气源热泵实质上代替了太阳能热水器中传统的电辅助加热装置，此模式是该系统在全年工况下的主要运行模式。在连续的阴雨雪天气，系统可利用的太阳辐射极少，则使用空气源热泵单独加热储热水箱。该运行模式，优先使用太阳能单元加热，仅在太阳辐射不能满足制热水要求时，开启空气源热泵进行补充，充分利用空气中的低品位热能，既满足了系统在全年不同工况下可靠、稳定的运行，又具有较好的经济性。

本发明的各部分设备具体如下：

1、空气源热泵通过电能做功，将从空气中获取的低位热能抽到高位，整个部分由压缩机、冷凝器、蒸发器、储液罐、节流阀组成。

压缩机将循环工质从低温低压状态压缩变换为到高温高压状态，是热泵系统的心脏；蒸发器使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，吸收被冷却物体的热量达到制冷的目的；冷凝器从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功转化的热量被冷却介质带走，达到制热的目的；节流阀对循环工质节流降压，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸汽通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。

2、太阳能集热器吸收太阳能辐射并产生热能传递给传热工质，是光伏热利用的核心部件；太阳能集热系统热源不稳定，辐射强度与热水供应量随时间变化曲线不吻合，需设置集热水箱将集热系统收集的热量储存起来，保证热水稳定供给及供水温度。

3、电锅炉部分主要包括电锅炉、电磁阀、散热片及集热水箱，将储存的分布式能源和市电转化成为热能，经过锅炉转换向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

4、冷却塔用水作为循环冷却剂，从系统吸收热量排放至大气中，以降低水温，并接入测温室中的风机盘管，保证系统的正常运行。

受电网稳定性和外部环境影响，以电供热系统外部干扰强、存在非线性不确定因素。针对分散式以电供热系统的这些特点，采用自抗扰控制中的扩张状态观测器，对系统模型中的外扰和不确定因素进行动态观测，使系统对扰动具有更好的适应能力，适应对象模型和周围环境变化的鲁棒性强，体现了良好的控制品质。

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，如图5、图4所示，包括以下步骤：

1、将分散式以电供热系统作为被控对象进行分析，确定输入输出量及控制量。

自抗扰控制器以太阳能电源出力作为扰动量、储能系统的输入输出分别作为输入量和控制量、电锅炉的热输出作为输出量。

2、通过自抗扰控制中的跟踪微分器对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号

跟踪微分器控制算法为：

其中非线性函数为：

3、通过自抗扰控制中的扩张状态观测器ESO对分散式以电供热系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计

扩张状态观测器算法为：

非线性组合为：

4、通过自抗扰控制中的非线性状态误差反馈控制律来构成系统的控制量，提高控制的抗扰能力

非线性状态误差反馈控制律为：而后控制量输出并返回。

5、在控制过程中对各部件进行参数整定，实现分散式以电供热系统的自抗扰控制方法。

反复调试自抗扰控制器参数，选择合适的跟踪微分器过渡过程曲线，使跟踪微分器给出连续无超调的跟踪信号。确保系统稳定的前提下，调整扩张状态观测器参数和非线性误差反馈率参数，实现较满意的控制效果。

本发明的控制系统执行器(包括节流阀、开关)分布如图1所示，通过控制节流阀开度控制该部分是否接入热水循环以及接入处理，控制开关决定该用电器是否运行，控制变频决定水泵运行效率，进而控制水循环流速。

本发明的控制系统电气结构如图2所示

电气控制系统包括分布式能源接入和电能热能转化两部分，系统供电方向如图2所示。第一步先将储能电池接入系统，用于系统分布式能源(包括热泵和太阳能集热器)的储蓄，在非常时期保证设备及时、稳定的电力供应；第二步再将市电引入系统，保证电力供热设备的高质量供电；第三部将储能电池与市电相结合，最终解决了发/用电的时差矛盾及非连续分布式能源直接并网对市电网的冲击，实现了电能向热能转化过程中电锅炉、循环泵、压缩机、控制台稳定连续、高品质的电力供应。

本发明的控制系统水循环结构如图3所示，方框中的T、P等符号表示传感器测量的数据类型，如T表示温度、P表示压力、F表示流量。

本发明的自抗扰控制结构图如图4所示：

本系统以太阳能电源出力作为系统的扰动量，储能电池的输入量作为系统的输入量，储能电池的输出量作为系统的控制量，电锅炉的热输出作为系统的输出量。系统的输入量v通过跟踪微分器得到v₁,v₂，而后分别与扩张状态观测器ESO的输出量z₁,z₂通过减法器得到误差e₁,e₂，误差e₁和e₂通过非线性误差反馈控制律NLSEF得到u₀，u₀与扩张状态观测器ESO的输出量z₃的1/b通过减法器得到u,u与系统的扰动量w(t)通过分散式以电供热系统得到输出量y,u的b倍与y通过扩张状态观测器ESO的得到z₁,z₂。

本发明的优化控制图如图5所示：

(1)采用自抗扰算法，克服气候条件、人员分布、使用需求造成的负荷波动，配合非线性反馈方式，提高控制的抗扰能力，在提高用户舒适度的前提下达到节能目的。

(2)通过蓄电池、储水箱的配合管理，充分利用太阳能发电和谷电蓄能技术，以运行费用最少、能源利用率最高为多重控制目标，建立多重目标下的优化控制模型。

(3)调节太阳能电源的出力、储能系统的输入输出、电锅炉的热输出等变量，在满足系统运行约束的前提下，实现系统的优化运行，保证最大限度地利用可再生能源，降低系统网损。同时以全系统能源利用效率的最大化和经济效益最大化为多重目标，研究系统的优化控制方法。

进行分散式以电供热系统应用测试验证，供热面积100平米，供热温度18℃，实际应用效果良好。

一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统及其方法有助于改革现有不合理的能源结构，实现供热系统的高品位能源替代。并且针对传统以电供热系统模型不完整、参数配置难、外扰导致运行工况偏离、控制效果差的问题，引入自抗扰控制技术提高了系统动态性能、抑制了控制超调、降低了系统能耗。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统，其特征在于：包括热泵部分、光伏部分、电锅炉部分、测温小室、冷却塔部分、控制柜、电灯、储能电池和市电，热泵部分包括储液罐、冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀和热水循环泵，光伏部分包括太阳能集热器、集热水箱、太阳能循环泵、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6，电锅炉部分包括电锅炉、电磁阀、散热片、电锅炉循环泵、第七开关S7和第八开关S8，测温小室包括风机盘管，冷却塔部分包括冷却塔和冷却塔循环泵，热泵部分中的冷凝器的输出端和太阳能集热器的输出端分别与储能电池的输入端相连接，储能电池的输出端和市电的输出端分别与电灯的输入端、电锅炉的输入端、压缩机的输入端、控制柜的输入端、热水循环泵的输入端、太阳能循环泵的输入端、冷却塔循环泵的输入端和电锅炉循环泵的输入端相连接，控制柜的输出端分别与储能电池的输入端和市电的输入端相连接实现控制储能电池和市电的输出的功能，储液罐依次与冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀相连接，节流阀与储液罐相连接，冷凝器通过热水循环泵、第一开关S1和第二开关S2与集热水箱相连接，太阳能集热器通过太阳能循环泵、第五开关S5和第六开关S6与集热水箱相连接，冷却塔通过冷却塔循环泵、第三开关S3和第四开关S4与集热水箱相连接，电锅炉通过电锅炉循环泵、第七开关S7和第八开关S8与集热水箱相连接，风机盘管与冷却塔相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统，其特征在于：所述压缩机实现将循环工质从低温低压状态变为高温高压状态的功能，所述蒸发器蒸发经节流阀流入的制冷剂液体，吸收被冷却物体的热量，实现制冷的功能，所述冷凝器包括冷却介质，冷却介质吸取从蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功转化的热量，实现制热的功能，所述节流阀实现对循环工质节流降压的功能，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

3.一种如权利要求1或2所述基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将分散式以电供热系统作为被控对象进行分析，确定输入输出量及控制量；

步骤2、通过自抗扰控制中的跟踪微分器对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；

步骤3、通过自抗扰控制中的扩张状态观测器ESO对分散式以电供热系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；

步骤4、通过自抗扰控制中的非线性状态误差反馈控制律来构成系统的控制量，提高控制的抗扰能力；

步骤5、在控制过程中对各部件进行参数整定，实现分散式以电供热系统的自抗扰控制方法。

4.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1中所述输入量为储能电池的输入量，所述输出量为电锅炉的热输出量，所述控制量为储能电池的输出量，所述扰动量为太阳能电源的出力，所述太阳能电源的出力为太阳能电源的额定功率。

5.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中跟踪微分器的控制算法为：

其中非线性函数为：

6.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中扩张状态观测器算法为：

非线性组合为：

7.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的分散式以电供热系统的控制方法，其特征在于：所述步骤4中非线性状态误差反馈控制律为：