CN113359897B - 一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法及系统，所述换流阀水冷却系统包括第一水泵、变频器、加热器与三通机构串联连接，三通机构出水口与板式换热器热侧并联连接，形成内循环；第二水泵、板式换热器冷侧以及冷却水源，形成外循环；还包括功率调节器、电加热器，电源接入功率调节器的输入端，功率调节器的输出端连接电加热器，给加热器供电；本发明通过阀组功率换算出三通调节角度及变频器频率，再结合PID算法修正控制三通机构转动角度及系统流量，三通阀角度用于粗调慢速控制，主泵转速用于微调快速控制，两者结合控制范围大，从而满足各种运行工况下的温度要求，闭环调节的方式保证水温的稳定性。

Description

一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及温度控制领域，尤其是一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法。

背景技术

电力行业目前有诸多大功率电力电子半导体元件组成的电气设备，如晶闸管换流阀、IGBT换流阀等广泛应用于直流输电等工程领域。换流阀内的可控硅元件在运行过程中产生很高的热量，需要通过循环冷却水对其冷却。冷却水流经换流阀，温度上升并将产生的热量带出，与外部系统进行热交换，使冷却水温度降至合理范围再次流回换流阀，形成冷却水的闭式内循环系统。

传统空冷器等的热交换模式可通过控制风机组数和转速的方式控制水温，随着换流阀负荷的变化，只根据冷却水温度的高低来控制外部系统的设备运行状态，存在控制效果滞后，不能达到稳定控制冷却水温度的要求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是传统空冷器等的热交换模式可通过控制风机组数和转速的方式控制水温，随着换流阀负荷的变化，只根据冷却水温度的高低来控制外部系统的设备运行状态，存在控制效果滞后，不能达到稳定控制冷却水温度的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，所述换流阀水冷却系统包括第一水泵、变频器、加热器与三通机构串联连接，三通机构出水口与板式换热器热侧并联连接，形成内循环；第二水泵、板式换热器冷侧以及冷却水源，形成外循环；还包括功率调节器、电加热器，电源接入功率调节器的输入端，功率调节器的输出端连接电加热器，给加热器供电；

所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法包括以下步骤：

S1：得到三通控制比例指令A_thr；

S2：得到变频泵频率指令f_b；

S3：得到调节后的加热器输出功率指令P_heater。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：：所述控制系统采集换流阀输出功率及水温根据PID算法控制电加热器功率。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：所述三通机构具有两条调节水流量的出水支路，流道可通过控制指令在两条出水支路之间平滑切换。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：所述得到三通控制比例指令A_thr包括：

由换流阀运行功率P_v，板式换热器高温侧进水温度T_h，板式换热器低温侧进水温度T_c，通过公式(1)得到比例A_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到三通控制比例指令A_thr；

其中k_v为换流阀损耗系数，由换流阀数据手册或者通过试验取得；c_w为冷却水比热容；Q为水冷却系统额定流量，由水冷却系统设计参数取得；ε为有效度-换热单元法(ε-NTU)中换热器有效度；k_b为修正系数。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：所述得到变频泵频率指令f_b包括：

由换流阀运行功率P_v，通过公式(2)得到频率f_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到变频泵频率指令f_b；

其中f₀为变频器额定频率；k_v为换流阀损耗系数；c_w为冷却水比热容；Q为水冷却系统额定流量，由水冷却系统设计参数取得；ΔT为水冷却系统设计进出水温差，由水冷却系统设计参数取得；k_f为变频修正系数。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：所述得到调节后的加热器输出功率指令P_heater包括：通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到调节后的加热器输出功率指令P_heater。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：当三通控制比例A_thr＝1时，三通机构将水路全部切换至板式换热器回路，即Q_B＝Q；当三通控制比例A_thr＝0时，三通机构将水路全部切换至内循环回路，即Q_B＝0；当三通控制比例0＜A_thr＜1时，三通机构按比例分配板式换热器回路和内循环回路流量，即板式换热器支路流量；

Q_B＝Q×A_thr，A_thr∈[0，1]

同时更是为了避免三通机构频繁动作可设置分档输出，一段周期内当三通控制比例指令变化量ΔA_thr小于设定值1/n，保持输出指令不变，反之，更新输出指令，其中n为档位数。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：输出的所述变频器频率f_b上下限限制在对应系统要求流量上下限之间，即f_min≤f_b≤f_max，f_min为系统最小流量下对应的变频器频率，f_max为系统最大流量下对应的变频器频率。

作为本发明所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法的一种优选方案，其中：将所述三通阀的角度设置成粗调慢速调节，水泵转速设置成微调快速调节。

作为本发明所述一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制系统的一种优选方案，其中：包括，

存储模块，用于存储一个或多个程序实现如上所述的控制方法以及存储所述出水温度期望值T_ref，换流阀损耗系数k_v，冷却水比热容c_w，水冷却系统额定流量Q，为换热器换热修正系数k_b，水冷却系统设计进出水温差ΔT，k_f为变频修正系数，以实现如上所述的控制方法；

计算模块，用于根据所述方法计算所述加热器输出功率指令P_heater，三通比例A_s，三通控制比例指令A_thr，变频频率f_s以及变频泵频率指令f_b；

采集模块，用于采集所述换流阀运行功率P_v及所述冷却系统的运行参数；

输出模块，将所述加热器输出功率指令P_heater，三通控制比例指令A_thr以及变频泵频率指令f_b转换成对应设备所能识别的信号量。

本发明的有益效果：本发明通过阀组功率换算出三通调节角度及变频器频率，再结合PID算法修正控制三通机构转动角度及系统流量，三通阀角度用于粗调慢速控制，主泵转速用于微调快速控制，两者结合控制范围大，从而满足各种运行工况下的温度要求，闭环调节的方式保证水温的稳定性。

本发明增加了加热器的功率调节功能，通过PID算法得到系统所需功率，保证在低温条件下出水温度的稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1是换流阀冷却系统的水循环系统连接图；

图2是可调功率的电加热器电气原理图；

图3是变频主泵电机电气原理图；

图4是三通机构控制原理图；

图5是变频器频率调节控制原理图

图6是加热器功率调节控制原理图

图7是控制系统装置示意图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～6，本实施例提供了一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其中，如图1，换流阀水冷却系统包括第一水泵、变频器、加热器与三通机构串联连接，三通机构出水口与板式换热器热侧并联连接，形成内循环，第一水泵提供水循环所需的动力，经过加热器后进入三通机构，三通机构可按照控制指令比例调节出口A和出口B的流量。循环水经过出口B后进入板式换热器高温侧，降温后与经出口A的循环水混合，最后进入换流阀；还包括第二水泵、板式换热器冷侧以及冷却水源，形成外循环，外循环由第二水泵提供动力，冷却水源的水进入板式换热器低温侧后排出。其中在图1中，第一水泵标记为水泵1，第二水泵标记为水泵2。

较佳的，系统设置三个温度测量点，温度测点1为系统出水温度T_out，温度测点2为板式换热器高温侧进水温度T_h，温度测点3为板式换热器低温侧进水温度T_c。

进一步的，还包括功率调节器、电加热器，电源接入功率调节器的输入端，功率调节器的输出端连接电加热器，给加热器供电；如图2所示，加热器电源输入后经过功率调节器给加热器供电，功率调节器接收控制器的指令信号，通过调节晶闸管的导通角，来实现对加热器的输出功率调节。

应当说明的是，控制系统采集换流阀输出功率及水温根据PID算法控制电加热器功率，三通机构具有两条调节水流量的出水支路，流道可通过控制指令在两条出水支路之间平滑切换。

其中，换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法包括以下步骤：

S1：得到三通控制比例指令A_thr；

S2：得到变频泵频率指令f_b；

S3：得到调节后的加热器输出功率指令P_heater。

具体的得到三通控制比例指令A_thr包括：

由换流阀运行功率P_v，板式换热器高温侧进水温度T_h，板式换热器低温侧进水温度T_c，根据热平衡原理及有效度-换热单元法，通过公式(1)得到比例A_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到三通控制比例指令A_thr；

其中k_v为换流阀损耗系数，由换流阀数据手册或者通过试验取得；c_w为冷却水比热容，由水冷却系统设计参数取得；Q为水冷却系统额定流量，由水冷却系统设计参数取得；ε为有效度-换热单元法(ε-NTU)中换热器有效度，和从板式换热器手册的参数及ε-NTU曲线中得到；k_b为修正系数，通常设为1，可用于工程中修正。

再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到调节后的三通控制比例指令A_thr，调节输出被限值在[0,1]区间上。

当三通控制比例A_thr＝1时，三通机构将水路全部切换至板式换热器回路，即Q_B＝Q；当三通控制比例A_thr＝0时，三通机构将水路全部切换至内循环回路，即Q_B＝0；当三通控制比例0＜A_thr＜1时，三通机构按比例分配板式换热器回路和内循环回路流量，即板式换热器支路流量；

Q_B＝Q×A_thr，A_thr∈[0，1]

同时更是为了避免三通机构频繁动作可设置分档输出，一段周期内当三通控制比例指令变化量ΔA_thr小于设定值1/n，保持输出指令不变，反之，更新输出指令，其中n为档位数。

三通机构出口B的流量比例与三通机构的转动角度比例分配允许存在一定的偏差，因控制器采用了PID调节故，最终可通过控制进行自动修正。

进一步的，得到变频泵频率指令f_b包括：

如图4～5所示，由换流阀运行功率P_v，通过公式(2)得到频率f_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到变频泵频率指令f_b；

其中f₀为变频器额定频率；k_v为换流阀损耗系数，由换流阀数据手册或者通过试验取得；c_w为冷却水比热容；Q为水冷却系统额定流量，由水冷却系统设计参数取得；ΔT为水冷却系统设计进出水温差，由水冷却系统设计参数取得；k_f为变频修正系数，通常设为1，可用于工程中修正。图3为变频器频率调节控制原理图。

输出的变频器频率f_b上下限限制在对应系统要求流量上下限之间，即f_min≤f_b≤f_max，f_min为系统最小流量下对应的变频器频率，f_max为系统最大流量下对应的变频器频率，图5是变频器频率调节控制原理图。

进一步的，得到调节后的加热器输出功率指令P_heater包括：若内循环水冷低于期望值，如图6所示，可通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到加热器输出功率指令P_heater，控制加热器加热水温。最终使得出水温度稳定在期望值，输出功率指令P_heater。为调节后的加热器输出功率。

实际应用中，根据需要调节各环节的PID参数，满足不同的系统配置，可将三通阀的角度设置成粗调慢速调节，水泵转速设置成微调快速调节，最终达到稳定的控制效果。

实施例2

参照图7，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制系统包括存储模块101、计算模块102、采集模块103、显示单元104以及输出模块105。

具体的，存储模块101，用于存储一个或多个程序实现如上的控制方法以及存储出水温度期望值T_ref，换流阀损耗系数k_v，冷却水比热容c_w，水冷却系统额定流量Q，为换热器换热修正系数k_b，水冷却系统设计进出水温差ΔT，k_f为变频修正系数，以实现如上的控制方法；其中存储模块101还用于存储一个或多个程序模块如上所述的三通控制程序模块1011，所述的加热器功率控制程序模块1012，所述的变频器控制程序模块1013。

采集模块103，用于采集换流阀运行功率P_v及冷却系统的运行参数，具体的为，采集模块103从换流阀控制器接收换流阀运行功率P_v，从温度测点1温度传感器采集系统出水温度T_out，从温度测点2温度传感器采集板式换热器高温侧进水温度T_h，从温度测点3温度传感器采集板式换热器低温侧进水温度Tc。

计算模块102，用于根据方法计算加热器输出功率指令P_heater，三通比例A_s，三通控制比例指令A_thr，变频频率f_s以及变频泵频率指令f_b；

输出模块105，将加热器输出功率指令P_heater，三通控制比例指令A_thr以及变频泵频率指令f_b转换成对应设备所能识别的信号量。即输出模块105加热器输出功率指令P_heater转换成功率调节器210所能识别的信号量，将三通控制比例指令A_thr转换成三通机构控制器220所能识别的信号量以及将变频泵频率指令f_b转换成水泵变频器230所能识别的信号量，其中显示单元用于显示控制系统各项运行数据。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：所述换流阀水冷却系统包括依次串联连接的第一水泵、变频器、加热器和三通机构，三通机构出水口与板式换热器热侧并联连接，形成内循环；第二水泵、板式换热器冷侧以及冷却水源，形成外循环；还包括功率调节器和电加热器，电源接入功率调节器的输入端，功率调节器的输出端连接电加热器，给加热器供电；所述三通机构具有出口A和出口B，循环水经过出口B后进入板式换热器高温侧，降温后与经出口A的循环水混合，最后进入换流阀；

所述换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法包括以下步骤：

得到三通控制比例指令A_thr；

得到变频泵频率指令f_b；

得到调节后的加热器输出功率指令P_heater；

控制系统采集换流阀输出功率及水温根据PID算法控制电加热器功率；

所述三通机构具有两条调节水流量的出水支路，流道可通过控制指令在两条出水支路之间平滑切换；

所述得到三通控制比例指令A_thr包括：

由换流阀运行功率P_v，板式换热器高温侧进水温度T_h，板式换热器低温侧进水温度T_c，通过公式(1)得到比例A_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到三通控制比例指令A_thr；

其中k_v为换流阀损耗系数，由换流阀数据手册或者通过试验取得；c_w为冷却水比热容；Q为水冷却系统额定流量；ε为有效度-换热单元法中换热器有效度；k_b为修正系数。

2.根据权利要求1所述的换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：所述得到变频泵频率指令f_b包括：

由换流阀运行功率P_v，通过公式(2)得到频率f_s，再通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到变频泵频率指令f_b；

其中f₀为变频器额定频率；k_v为换流阀损耗系数；c_w为冷却水比热容；Q为水冷却系统额定流量，由水冷却系统设计参数取得；ΔT为水冷却系统设计进出水温差，由水冷却系统设计参数取得；k_f为变频修正系数。

3.根据权利要求2所述的换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：所述得到调节后的加热器输出功率指令P_heater包括：通过测量系统出水温度T_out与出水温度期望值T_ref进行PID偏差调节，得到调节后的加热器输出功率指令P_heater。

4.根据权利要求1～3任一所述的换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：当三通控制比例A_thr＝1时，三通机构将水路全部切换至板式换热器回路，即Q_B＝Q；当三通控制比例A_thr＝0时，三通机构将水路全部切换至内循环回路，即Q_B＝0；当三通控制比例0＜A_thr＜1时，三通机构按比例分配板式换热器回路和内循环回路流量，即板式换热器支路流量；

Q_B＝Q×A_thr，A_thr∈[0，1]

同时更是为了避免三通机构频繁动作可设置分档输出，一段周期内当三通控制比例指令变化量ΔA_thr小于设定值1/n，保持输出指令不变，反之，更新输出指令，其中n为档位数。

5.根据权利要求4所述的换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：输出的所述变频泵频率指令f_b上下限限制在对应系统要求流量上下限之间，即f_min≤f_b≤f_max，f_min为系统最小流量下对应的变频器频率，f_max为系统最大流量下对应的变频器频率。

6.根据权利要求5所述的换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制方法，其特征在于：将所述三通机构的角度设置成粗调慢速调节，水泵转速设置成微调快速调节。

7.一种换流阀水冷却系统内循环水出水温度控制系统，其特征在于：包括，

存储模块(101)，用于存储一个或多个程序实现如上述权利要求1～6任一项所述的控制方法以及存储所述出水温度期望值T_ref，换流阀损耗系数k_v，冷却水比热容c_w，水冷却系统额定流量Q，为换热器换热修正系数k_b，水冷却系统设计进出水温差ΔT，k_f为变频修正系数，以实现如上所述的控制方法；

采集模块(103)，用于采集所述换流阀运行功率P_v及所述冷却系统的运行参数；

计算模块(102)，用于根据所述方法计算所述加热器输出功率指令P_heater，三通比例A_s，三通控制比例指令A_thr，变频频率f_s以及变频泵频率指令f_b；

输出模块(105)，将所述加热器输出功率指令P_heater，三通控制比例指令A_thr以及变频泵频率指令f_b转换成对应设备所能识别的信号量。

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