CN110360719B - 一种中央空调紧急控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中央空调紧急控制方法,包括以下步骤:建立时域仿真数学模型;实时采集时域仿真数学模型中涉及到的参数;电力系统发生故障时断开空调主机断路器;利用电力系统发生故障时采集参数求解时域仿真数学模型,得出不影响末端房间舒适度的断路器允许最大断开时间;经过断路器允许最大断开时间后闭合主机断路器,并限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比。本发明通过对空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水、风机盘管以及末端进行建模以及参数辨识并提出了响应电网控制的紧急控制策略,在电力系统发生故障时对中央空调机组进行紧急控制,提高了效率,满足用户需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种中央空调紧急控制方法,属于空调控制技术领域。
背景技术
中央空调的主机可以通过冷媒将电能转换成数倍的制冷量,冷却水在冷凝器中,通过冷却水泵对冷媒进行降温,冷冻水在蒸发器中,通过冷冻水泵将主机的制冷量传递给末端用户。
目前已经实现了通过计算机远程监控中央空调机组的运行状态。但是,随着中央空调机组的数量日益增加,对中央空调机组的控制也越来越复杂,特别是在电力系统发生故障时,传统的监控方式已经无法满足当前的需求。
因此,需要研究一种中央空调发生电力系统故障时的紧急控制措施。
发明内容
针对以上方法存在的不足,本发明提出了一种中央空调紧急控制方法,其能够在电力系统发生故障时对中央空调机组进行紧急控制。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是:
本发明实施例提供的一种中央空调紧急控制方法,包括以下步骤:
建立时域仿真数学模型;
实时采集时域仿真数学模型中涉及到的参数;
电力系统发生故障时断开空调主机断路器;
利用电力系统发生故障时采集参数求解时域仿真数学模型,得出不影响末端房间舒适度的断路器允许最大断开时间;
经过断路器允许最大断开时间后闭合主机断路器,并限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述时域仿真数学模型包括:
空调主机的制冷效率,即主机电功率和主机制冷量的关系:
根据热力学第一定律得出冷冻水的进出水温度变化模型分别为:
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量需满足:
Qexchange=α(Ti-Tw,l)Kair-water (5-4)
室内平均温度的变化用热空间模型来描述:
处于开状态的末端设备占的比例:
其中,Qe表示空调主机的电功率,Qchiller表示空调主机的制冷量a0、a1、a2和a3是曲线参数,α是处于开状态的末端设备占的比例,Kair-water是热交换热导,Kair表示末端空间热导,Ph表示中央空调空调制冷量,To和Ti表示室外和室内温度,Tw,e和Tw,l表示冷冻水的进、出水温度,Kex表示热导率系数。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述参数包括末端房间参数、风机盘管参数、冷冻水参数和空调主机参数。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述末端房间参数:
采用公式(2-1)得到末端空间热导:
Kair=Ph/(To-Ti) (2-1)
采用公式(3-4)得到末端房间热容参数
其中,Kair表示末端热导;Ph表示中央空调空调制冷量;To和Ti表示室外和室内温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述风机盘管参数:
根据典型房间的监控,得出室内温度上变化的平均占空比pT,采用公式(2-2)得到风机盘管热导:
Kair-water=Ph/(Ti-Tw,l)/pT (2-2)
Kair-water表示末端热导;Tw,l表示冷冻水出水温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述冷冻水参数:
采用公式(3-1)得到冷冻水的热导:
Kwater=vc (3-1)
v表示水流量(kg/s);c表示水的比热容;
采用公式(3-2)和(3-3)得到冷冻水的出水和回水热容:
其中,Kair表示末端空间热导,To和Ti分别表示室外和室内温度,Tw,e和Tw,l表示冷冻水的进、出水温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述空调主机参数:
主机制冷量和电功率的关系利用如公式(4-1)所示的三次多项式进行拟合:
Qe和Qchiller分别表示主机电功率和制冷量;Qe,max和Qchiller,max分别表示主机电功率和制冷量的最大值;a0、a1、a2和a3是需要辨识的曲线参数。
作为本实施例一种可能的实现方式,本实施例的一种中央空调紧急控制方法还包括以下步骤:
限定主机电流百分比一段时间后,解除对主机电流百分比的限定。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下:
本发明实施例的技术方案的一种中央空调紧急控制方法,包括以下步骤:建立时域仿真数学模型;实时采集时域仿真数学模型中涉及到的参数;电力系统发生故障时断开空调主机断路器;利用电力系统发生故障时采集参数求解时域仿真数学模型,得出不影响末端房间舒适度的断路器允许最大断开时间;经过断路器允许最大断开时间后闭合主机断路器,并限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比。本发明实施例的技术方案通过对空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水、风机盘管以及末端进行建模以及参数辨识并提出了响应电网控制的紧急控制策略,在电力系统发生故障时对中央空调机组进行紧急控制,提高了效率,满足用户需求。
附图说明:
图1是根据一示例性实施例示出的一种中央空调紧急控制方法的流程图;
图2是根据一示例性实施例示出的一种室内温度示意图;
图3-1根据一示例性实施例示出的室内温度量测示意图;
图3-2根据一示例性实施例示出的一种冷冻水温度量测示意图;
图3-3根据一示例性实施例示出的一种主机功率量测示意图;
图3-4根据一示例性实施例示出的一种室内温度的预测结果示意图;
图3-5根据一示例性实施例示出的一种冷冻水回水温度的预测结果示意图;
图3-6根据一示例性实施例示出的一种冷冻水出水温度的预测结果示意图;
图4根据一示例性实施例示出的一种主机参数辨识结果示意图;
图5-1根据一示例性实施例示出的一种电流百分比限值示意图;
图5-2根据一示例性实施例示出的一种主机功率示意图;
图5-3根据一示例性实施例示出的一种室内温度示意图;
图5-4根据一示例性实施例示出的一种冷冻水温度示意图;
图5-5根据一示例性实施例示出的一种冷冻水出水温度的预测结果示意图;
图5-7根据一示例性实施例示出的一种室内温度的预测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明:
为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意,在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
图1是根据一示例性实施例示出的一种中央空调紧急控制方法的流程图。如图1所述,本发明实施例提供的一种中央空调紧急控制方法,包括以下步骤:
建立时域仿真数学模型;
实时采集时域仿真数学模型中涉及到的参数;
电力系统发生故障时断开空调主机断路器;
利用电力系统发生故障时采集参数求解时域仿真数学模型,得出不影响末端房间舒适度的断路器允许最大断开时间;
经过断路器允许最大断开时间后闭合主机断路器,并限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述时域仿真数学模型包括:
空调主机的制冷效率,即主机电功率和主机制冷量的关系:
根据热力学第一定律得出冷冻水的进出水温度变化模型分别为:
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量需满足:
Qexchange=α(Ti-Tw,l)Kair-water (5-4)
室内平均温度的变化用热空间模型来描述:
处于开状态的末端设备占的比例:
其中,Qe表示空调主机的电功率,Qchiller表示空调主机的制冷量a0、a1、a2和a3是曲线参数,α是处于开状态的末端设备占的比例,Kair-water是热交换热导,Kair表示末端空间热导,Ph表示中央空调空调制冷量,To和Ti表示室外和室内温度,Tw,e和Tw,l表示冷冻水的进、出水温度,Kex表示热导率系数。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述参数包括末端房间参数、风机盘管参数、冷冻水参数和空调主机参数。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述末端房间参数:
采用公式(2-1)得到末端空间热导:
Kair=Ph/(To-Ti) (2-1)
采用公式(3-4)得到末端房间热容参数
其中,Kair表示末端热导;Ph表示中央空调空调制冷量;To和Ti表示室外和室内温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述风机盘管参数:
根据典型房间的监控,得出室内温度上变化的平均占空比pT,采用公式(2-2)得到风机盘管热导:
Kair-water=Ph/(Ti-Tw,l)/pT (2-2)
Kair-water表示末端热导;Tw,l表示冷冻水出水温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述冷冻水参数:
采用公式(3-1)得到冷冻水的热导:
Kwater=vc (3-1)
v表示水流量(kg/s);c表示水的比热容;
采用公式(3-2)和(3-3)得到冷冻水的出水和回水热容:
其中,Kair表示末端空间热导,To和Ti分别表示室外和室内温度,Tw,e和Tw,l表示冷冻水的进、出水温度。
作为本实施例一种可能的实现方式,所述空调主机参数:
主机制冷量和电功率的关系利用如公式(4-1)所示的三次多项式进行拟合:
Qe和Qchiller分别表示主机电功率和制冷量;Qe,max和Qchiller,max分别表示主机电功率和制冷量的最大值;a0、a1、a2和a3是需要辨识的曲线参数。
作为本实施例一种可能的实现方式,本实施例的一种中央空调紧急控制方法还包括以下步骤:
限定主机电流百分比一段时间后,解除对主机电流百分比的限定。
本实施例通过对空调主机的制冷效率(COP)、冷冻水、风机盘管以及末端进行建模以及参数辨识并提出了响应电网控制的紧急控制策略,在电力系统发生故障时对中央空调机组进行紧急控制,提高了效率,满足用户需求。
结合具体算例对本发明的技术方案进行验证。
为验证所建中央空调模型以及所提中央空调控制策略的合理性,在目前搭建的中央空调试验硬件平台基础上,对中央空调进行了参数辨识和控制试验。参数辨识包括末端房间、风机盘管、冷冻水以及主机参数,为进一步控制做准备。
对办公区中央空调进行改造,并搭建了硬件平台,能够实现对中央空调以及加装的断路器进行遥测遥信,并能遥控遥调空调设备以及断路器设备。中央空调试验平台,试验平台位于中心机房内;末端房间温度量测置于一办公室房间,可以用来量测房间的温度变化;中央空调主机、冷冻水泵和冷却水泵置于地下中央空调室;控制主站置于监控室,切负荷子站和断路器置于配电室;温度传感器和控制主站之间采用串口通信,控制主站和切负荷子站之间采用IEC104规约;空调主机和切负荷子站之间采用MODBUS协议。
为保证紧急控制不损坏中央空调,需要加装旁路开关将空调主机供电和空调油泵供电分开,在紧急切负荷时,只需要切除空调主机,油泵可以继续为中央空调系统润滑保证空调主机安全,此时冷冻水泵仍然正常工作,可以继续为末端房间提供冷量。断路器置于配电室,通过电缆控制空调主机开断,断路器与切负荷子站之间使用次级电缆进行连接,以保证切负荷子站对断路器开断的控制。
在此硬件平台基础上,需要对主机的制冷效率(COP)、冷冻水、风机盘管以及末端进行建模以及参数辨识并提出响应电网控制的紧急控制策略。
1.1调试范围
本次试验在4#中央空调主机上进行,试验对象包括:
(1)主机断路器开合;
(2)主机电流百分比限定值设定。
1.2测试项目
本试验方案的试验项目包括:
(1)末端房间参数辨识;
(2)风机盘管参数辨识;
(3)冷冻水参数辨识;
(4)主机参数辨识;
(5)空调控制试验。
1.3试验前具备的条件
试验前具备的条件:
(1)空调断路器的断开不会对空调系统造成损害,闭合后空调系统仍能够正常运行;
(2)空调厂家给出了中央空调的最短断开时间,空调恢复运行后的最短运行持续时间;
(3)空调厂家给出了主机电流百分比限定值在设定时的最小值、最大值、调节间隔以及调节精度。
2末端房间和风机盘管参数辨识
2.1试验目的
对末端房间热导参数以及风机盘管的热导参数进行辨识。
2.2试验原理
将所有末端房间视为一个很大的末端,只有一组参数(热容、热导),这样可以认为中央空调的制冷量都在为这个末端制冷。末端房间的参数辨识均在中央空调稳态情况下进行辨识。
采用公式(2-1)得到末端空间热导:
Kair=Ph/(To-Ti) (2-1)
Kair表示末端热导;Ph表示中央空调空调制冷量;To和Ti表示室外和室内温度。
根据典型房间的监控,得出室内温度上变化的平均占空比pT,采用公式(2-2)得到风机盘管热导:
Kair-water=Ph/(Ti-Tw,l)/pT (2-2)
Kair-water表示末端热导;Tw,l表示冷冻水出水温度。
2.3试验内容
试验房间室内温度的量测
2.4试验步骤
将温度传感器置于试验房间,待冷冻水出水温度和回水温度趋于稳定,量测试验房间的室内温度。
2.5测试内容
测试内容为室内温度。
2.6安全措施
需要保证监测中设备的安全。
2.7试验结果
室内温度如图2所示,这段时间内室外温度为27℃,冷冻水出水温度7℃,制冷功率251.0kW,制冷量1564.3kW,此时占空比为1。
根据试验原理,可以得出
Kair-water=9.4×104W/℃
Kair=5.2×105W/℃
3冷冻水参数辨识
3.1试验目的
对末端房间热容以及冷冻水参数进行辨识。
3.2试验原理
冷冻水的热导参数可以直接根据中央空调出厂参数给出;末端房间热容参数以及冷冻水热容参数需要对中央空调做实验,在暂态情况下得出。做的实验可以是将正在稳定运行的中央空调的主机关闭不同的一段时间,之后开启并限制不同的电流比例。
采用公式(3-1)得到冷冻水的热导:
Kwater=vc (3-1)
v表示水流量(kg/s);c表示水的比热容。
采用公式(3-2)和(3-3)得到冷冻水出水和回水热容
采用公式(3-4)得到末端房间热容参数
多做几组实验,方便辨识以及修正模型以及参数。
3.3试验内容
空调主机断路器的断开和闭合
3.4试验步骤
1)设定冷冻水出水温度为7℃,待冷冻水出水温度和回水温度趋于稳定,将空调主机断路器断开;
2)经过2h后,闭合断路器。
3.5测试内容
测试内容为冷冻水进出水温度、室内温度。
3.6安全措施
需要保证主机断路器的断开和闭合不会损坏空调设备。
3.7试验结果
图3-1、3-2和3-3分别为室内温度、冷冻水温度和主机功率的量测结果,根据试验原理,可以得出冷冻水热导、冷冻水热容以及末端房间热容的辨识结果:
Kw=2.8×105
Cw,l=6.7×108
Cair=2.6×109
将参数代回模型对冷冻水温度和室内温度进行预测,进而验证模型和参数是否合理,图3-4、3-5和3-6分别为室内温度、冷冻水回水和出水温度的预测结果,以量测量与对应的预测对象的RMSE(Root mean square error)作为指标检验预测是否合理。
表3-1量测量与对应的预测对象的RMSE
预测对象 | 冷冻水回水温度 | 冷冻水出水温度 | 室内温度 |
RMSE | 0.3451℃ | 0.6023℃ | 0.1002℃ |
从图中可以看出冷冻水和室内温度量测值和预测值的变化趋势一致,通过上面的RMSE的计算可以看出量测值和预测值的吻合度很高,验证了模型和所辨识参数的合理性。
4主机参数辨识
4.1试验目的
对主机制冷量和电功率的拟合曲线参数进行辨识。
4.2试验原理
主机制冷量和电功率的关系可以利用如公式(4-1)所示的三次多项式进行拟合:
Qe和Qchiller分别表示主机电功率和制冷量;Qe,max和Qchiller,max分别表示主机电功率和制冷量的最大值;a0、a1、a2和a3是需要辨识的曲线参数。
4.3测试内容
测试内容为不同主机制冷量下对应的主机电功率。
4.4试验结果
表4-1主机制冷量和电功率数据
a3=0.7039
a2=-0.8664
a1=1.1050
a0=0.0564
将辨识结果与出厂结果做对比,对比图如图4所示。从图4中可见辨识结果基本与出厂结果重合,拟合结果和出厂数据的RMSE为0.001029,表明所辨识主机参数的正确性。
5中央空调控制试验
5.1试验目的
验证所提出的控制策略能够在事故后有效减少负荷
验证所提出的控制策略在恢复时不会产生功率冲击
验证所提控制策略不会影响用户舒适度
5.2试验原理
主站可以下发控制命令(遥控、遥调)至子站,子站再和中央空调进行通信,完成对中央空调的控制。遥控量有空调主机断路器的开合,遥调量有冷冻水设定温度以及主机电流百分比限定值。
利用所辨识的参数,通过时域仿真,预测末端舒适度不受影响下的主机关断最大时长,决定关主机的持续时间,保证室内温度的平均值上升不会超过设定值。空调开启后通过限制主机电流百分比限制主机避免对系统造成二次功率冲击,同时考虑用户舒适度,决定闭合主机后的最小的电流百分比的限定值,使得室内温度平均值至少不会继续上升。整个控制预测过程为时域仿真,决定关主机的持续时间以及闭合主机后电流备份比限定值,之后通过量测验证所给的控制策略。
如下为时域仿真需要采用的数学模型。
主机的制冷效率即主机电功率和主机制冷量的关系
根据热力学第一定律可以近似得出冷冻水的进出水温度变化模型
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量满足
Qexchange=α(Ti-Tw,l)Kair-water (5-4)
其中Ti是室内平均温度(℃);α是处于开状态的末端设备占的比例;Kair-water是热交换热导(W/℃)。
室内平均温度的变化可以用热空间模型描述
处于开状态的末端设备占的比例
上述方程可以计算响应中央空调控制后末端房间的平均温度,从而给出中央空调参与控制后对用户舒适度的影响,也可以用于确定中央空调切除时间、恢复时的电流百分比以及解除电流百分比限制时间等控制量。
5.3试验内容
空调主机断路器的断开和闭合、主机电流百分比的设定
5.4试验步骤
1)假定某一时刻电力系统发生故障,系统下发指令,断开空调主机断路器;
2)通过时域仿真计算得出不影响末端房间舒适度的断路器的最大断开时间;
3)经过所设定的断开时间后闭合主机断路器,限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比;
4)一段时间后,解除对主机电流百分比的限定。
5.5测试内容
测试内容为冷冻水进出水温度、室内温度以及主机电流百分比。
5.6安全措施
需要保证主机断路器的断开和闭合不会损坏空调设备。
5.7试验结果
具体控制流程如下:
试验前,空调打到远方;
12:03:37远程断开断路器;
12:05:37远程设置RLA限值40%;
12:44:04闭合断路器,复位空调警告;
12:45:24下发远程开机命令,防止空调没能自己启机;
12:49:04远程设置RLA限值45%;
之后每5分钟上调5%,直至95%。
图5-1为主机电流百分比限值的控制结果;图5-2为主机功率的控制效果;图5-3为室内温度;图5-4为冷冻水温度。从这些图中可以看出:
1.所提出的控制策略能够在事故后有效减少负荷
2.所提出的控制策略在恢复时不会产生功率冲击
3.所提控制策略不会影响用户舒适度
将之前辨识的参数带入控制过程中,进一步验证辨识参数的有效性,图5-5、5-6和5-7分别为冷冻水出水、冷冻水回水和室内温度的预测结果,以量测量与对应的预测对象的RMSE(Root mean square error)作为指标检验预测是否合理。
表5-1量测量与对应的预测对象的RMSE
预测对象 | 冷冻水回水温度 | 冷冻水出水温度 | 室内温度 |
RMSE | 0.3274℃ | 0.3501℃ | 0.5969℃ |
从图5-5、5-6和5-7中可以看出冷冻水和室内温度量测值和预测值的变化趋势一致,通过上面的RMSE的计算可以看出量测值和预测值的吻合度很高,验证了模型和所辨识参数的合理性。
综上,试验结果验证了所建中央空调模型的正确性以及所提控制策略的有效性。
以上所述只是本发明的优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种中央空调紧急控制方法,其特征是,包括以下步骤:
建立时域仿真数学模型;
实时采集时域仿真数学模型中涉及到的参数;
电力系统发生故障时断开空调主机断路器;
利用电力系统发生故障时采集参数求解时域仿真数学模型,得出不影响末端房间舒适度的断路器允许最大断开时间;
经过断路器允许最大断开时间后闭合主机断路器,并限定主机电流百分比为控制前的主机电流百分比。
2.根据权利要求1所述的一种中央空调紧急控制方法,其特征是,所述时域仿真数学模型包括:
空调主机的制冷效率,即主机电功率和主机制冷量的关系:
根据热力学第一定律得出冷冻水的进出水温度变化模型分别为:
风机盘管用于冷冻水和末端交换热量需满足:
Qexchange=α(Ti-Tw,l)Kair-water (5-4)
室内平均温度的变化用热空间模型来描述:
处于开状态的末端设备占的比例:
其中,Qe表示空调主机的电功率,Qchiller表示空调主机的制冷量a0、a1、a2和a3是曲线参数,α是处于开状态的末端设备占的比例,Kair-water是热交换热导,Kair表示末端空间热导,Ph表示中央空调空调制冷量,To和Ti表示室外和室内温度,Tw,e和Tw,l表示冷冻水的进、出水温度,Kex表示热导率系数;Cw,l和Cw,e分别为冷冻水出水和回水热容;Kw为冷冻水热导;Qexchange为冷冻水和末端交换热量;Cair为末端房间热容。
3.根据权利要求2所述的一种中央空调紧急控制方法,其特征是,所述参数包括末端房间参数、风机盘管参数、冷冻水参数和空调主机参数。
5.根据权利要求3所述的一种中央空调紧急控制方法,其特征是,所述风机盘管参数:
根据典型房间的监控,得出室内温度上变化的平均占空比pT,采用公式(2-2)得到风机盘管热导:
Kair-water=Ph/(Ti-Tw,l)/pT (2-2)
Kair-water表示末端热导;Tw,l表示冷冻水出水温度。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种中央空调紧急控制方法,其特征是,还包括以下步骤:
限定主机电流百分比一段时间后,解除对主机电流百分比的限定。
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