CN115663841A - 一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器及其使用方法，包括：通信模块，用于获取当前场景对应的环境信息；控制模块，用于基于电网输入频率和环境信息，利用智慧用能控制策略生成控制电压；变频模块，用于基于控制电压调整输出频率，并将输出频率发送至场景下的负荷；控制电压，通过对变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整变频器的输出频率；在现有变频器的基础上中加入通信模块，获取外部环境信息；设计了控制模块，能够基于外部电网输入频率对变频器进行动态功率控制，基于环境信息对变频器进行功率爬坡速率控制，实现了变频器与负荷和区域控制中台系统间的互动，改变了现有变频器只能利用初始参数实现单一变频的现状。

Description

一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器及其使用方法

技术领域

本发明属于暖通空调、给排水及其他含电机类负荷的电气节能应用领域，具体涉及一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器及其使用方法。

背景技术

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能转换装置，应用变频驱动技术改变交流电动机负荷工作电压的频率和幅度，来调节交流电动机速度及转矩。目前，市面上的变频器产品，在功能方面，主要根据电动机的特性参数及运行要求提供电压、电流、频率，对电动机进行控制来满足负载的要求，通过恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制等常用的控制方式，可广泛应用于风机、泵类等电动机负荷，在恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速领域有很多成功的应用案例；在结构方面，主要由整流、逆变、驱动、制动、滤波、预充电等单元组成，采用“交-直-交”的变频方式，先将电网的工频交流电整流成直流电，再将此直流电逆变成频率可调的交流电，并靠内部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开断来调整输出电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

但是市面上的通用变频器仅作为末端负荷控制的电力电子设备，根据负荷设置初始参数，以实现单一工况下的变频调速功能，缺乏电网与环境信息感知能力，无法直接应用市面变频器产品实现高耗能负荷与电网的互动运行。因此，急需设计一种新型变频器以更好的对末端负荷进行控制。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器，包括：通信模块、控制模块和变频模块；

所述通信模块，用于获取当前场景对应的环境信息；

所述控制模块，用于基于外部电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

所述变频模块，用于基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率。

优选的，所述场景包括中央空调或自来水厂；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种；所述环境信息，由当前场景下的区域中台控制系统或负荷中控系统提供。

优选的，所述控制模块，包括：虚拟惯量单元、功率爬坡速率单元、控制给定频率单元和控制电压单元；

所述虚拟惯量单元，用于基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差；

所述功率爬坡速率单元，用于基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制给定频率单元，用于将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

所述控制电压单元，用于基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；

其中，所述电网输入频率包括电网输入的交流电频率。

优选的，所述虚拟惯量单元，具体用于：

基于外部电网输入的交流电实时频率与交流电历史频率，确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断是否引入虚拟同步电机的转动惯量；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，且频率校正误差为设定值。

优选的，所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

优选的，所述功率爬坡速率单元，具体用于：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

优选的，所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。优选的，所述控制电压，按下式计算：

V_M＝af+b

式中，V_M为控制电压，a和b为设定系数，f为控制给定频率。

优选的，所述通信模块包含有CAN和RS-485中一种或多种通信协议，且支持多种数据收发波特率。

优选的，所述通信模块还用于获取场景下各负荷的上级主网的调控信息，和将变频器状态信息发送至所述上级主网；

所述控制模块还用于基于所述上级主网的调控信息进行需求响应，并生成变频器状态信息；

所述上级主网的调控信息，包括电力主网的电力调控信息。

优选的，所述控制模块还包括：需求响应单元；

所述需求响应单元，具体用于基于所述上级主网的调控信息，控制变频模块改变输出频率；获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的使用方法，包括：

通过通信模块获取当前场景对应的环境信息和外部电网输入频率；

通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

通过变频模块基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息，计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率；

所述智慧变频器为所述的基于双重优化控制的多场景智慧变频器。

优选的，所述通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压，包括：

通过虚拟惯量单元基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差；

通过功率爬坡速率单元基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率；

通过控制给定频率单元将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

通过控制电压单元基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；

其中，所述电网输入频率包括电网输入的交流电频率；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种。

优选的，所述基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差，包括：

基于外部电网输入的交流电实时频率与交流电历史频率，确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断是否引入虚拟同步电机的转动惯量；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，且频率校正误差为设定值。

优选的，所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

优选的，所述基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率，包括：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率，输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

优选的，所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。

优选的，所述方法还包括：

通过通信模块获取场景下各负荷的上级主网的调控信息；

通过控制模块基于所述调控信息，控制变频模块改变输出频率；

通过控制模块获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息；

通过通信模块将所述变频器状态信息发送至上级主网。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1、本发明提供了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器及其使用方法，包括：通信模块、控制模块和变频模块；所述通信模块，用于获取当前场景对应的环境信息；所述控制模块，用于基于外部电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；所述变频模块，用于基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息计算变频器功率爬坡速率给定频率；所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率；本发明在现有变频器的基础上中加入通信模块，能够从外部获取环境信息；本发明设计了嵌入智慧用能控制策略的控制模块，能够基于外部电网输入频率对变频器进行动态功率控制，基于环境信息对变频器进行功率爬坡速率控制，从而调整变频器的输出频率，有助于实现变频器与负荷和区域控制中台系统间的互动，改变了现有变频器只能利用初始参数实现单一变频的现状；

2、本发明设计的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器，可应用于包括中央空调、自来水厂在内的多种场景；通过本发明提供的通信模块，实现场景下各负荷的上级主网调控信息的获取，并配合控制模块实现调控信息的需求响应。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于中央空调场景的智慧调控策略流程示意图；

图3为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于中央空调场景的信息流示意图；

图4为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于供水系统场景的信息流示意图；

图5为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的使用方法流程示意图。

具体实施方式

本发明设计了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器(以下简称智慧变频器)，该智慧变频器具有通信互动、智能信息感知能力，拥有动态功率控制与功率爬坡速率控制能力，并嵌入计及人流量、舒适度等约束的智慧用能控制策略；利用该智慧变频器，能够实现末端负荷的可调可控及与电网的互动运行，盘活末端负荷用电的可调潜力，有助于进一步实现用电负荷与电网的互动运行与一体化协同控制及应急管理。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器，其结构示意图如图1所示，包括：通信模块、控制模块和变频模块；

所述通信模块，用于获取当前场景对应的环境信息；

所述控制模块，用于基于外部电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

所述变频模块，用于基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率。

所述变频模块为市面上常见的变频器，具体结构、组成器件及连接关系均与现有变频器相同，本领域技术人员应了解；

所述变频模块包括：整流单元、预充电单元、滤波单元、制动单元、逆变单元和驱动板；

所述整流单元、预充电单元、滤波单元、制动单元和逆变单元依次连接；所述整流单元与外部电网连接，所述逆变单元与电机类负荷连接；所述驱动板分别与制动单元和逆变单元连接；

所述驱动板用于接收并基于控制模块提供的控制电压，向制动单元中的IGBT发送制动信号(Brk)，和向逆变单元中各IGBT发送控制信号(S₁—S₆)，通过各IGBT的开断来调整输出频率；

所述滤波单元由两个串联的电容构成，两个电容所在的线路为智慧变频器的直流母线，控制模块从直流母线处获取变频模块的母线电压。

所述通信模块分别与场景下各负荷的上级主网、当前场景下的区域中台控制系统和控制模块通信连接；所述通信模块具有CAN、RS-485等多种通信协议，支持多种数据收发波特率，可通过通信模块的通信接口进行双向数据传输。

所述双向数据传输包括：

接收上级主网的调控信息，并将调控信息传至控制模块，使控制模块可以根据调控信息调整自身工作状态，进而控制变频模块改变输出频率，自适应负荷需求响应；

控制模块将智慧变频器的实时状态信息，经由通信接口反馈至上级主网调控，便于上级电网对智慧变频器的运行状态(包括输出功率)进行监控，实现上级电网与智慧变频器的互动运行；

所述上级主网的调控信息包括电力主网、大型交通站区、楼宇的调控信息。

其中，通过控制模块中的需求响应单元进行需求响应，具体为：基于上级主网的调控信息，控制变频模块改变输出频率；获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成智慧变频器的实时状态信息。

通信模块包含通用信息传输接口，具备标准通信协议形式，可与区域中台控制系统、负荷中控系统等直接连接，从区域中台控制系统、负荷中控系统中获取当前场景对应的环境信息；

所述场景包括中央空调系统、供水系统/自来水厂等；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种。

所述控制模块，包括如下4个单元：虚拟惯量单元、功率爬坡速率单元、控制给定频率单元和控制电压单元；

所述虚拟惯量单元，具体用于：

实时检测外部电网输入的交流电频率，并基于交流电历史频率确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断频率波动值是否超过设定的频率波动阈值，选择是否需要引入虚拟同步电机的转动惯量(虚拟惯量)；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，频率校正误差为设定值0，即智慧变频器输出电压的频率只受变频器功率爬坡速率给定频率f_ref控制。

所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

所述功率爬坡速率单元，具体用于：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。

所述控制给定频率单元，用于将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

将引入虚拟惯量产生的频率校正误差Δf，直接加到变频器功率爬坡速率给定频率f_ref上，产生控制给定频率f，如下式所示：

f＝f_ref+Δf

所述控制电压单元，用于基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；在变频器的输出频率从0Hz上升到基本频率的过程中，输出电压(即控制电压)成正比地上升到最大输出电压的V/f线，称为基本V/f线，输出电压和频率呈正比关系，二者特性方程可表示为：

V_M＝af+b

式中，V_M为控制电压，a和b为设定系数，可通过聚合方法求出。

本发明提供了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器，所述智慧变频器包含具CAN、RS-485等多种通信协议的双向数据通信模块，可进行双向数据传输，且支持多种数据收发波特率；实时检测外部电网输入的交流电频率，进行偏差阈值判断，并引入虚拟惯量，实现动态功率控制；智能电网信息、天气情况、日期、人流量等环境信息；将所述环境信息折算成的不同惯量，进行功率爬坡速率惯性控制，实现智慧变频器智慧爬坡运行。本发明设计的智慧变频器具有通信互动需求响应、功率动态控制和计及人流、能耗等约束的智慧功率爬坡控制，可应用于中央空调系统、供水系统/自来水厂等多种场景，能够盘活末端负荷用电的可调潜力，实现对末端用电负荷的智能调控及互动运行，有助于实现“源网荷储”灵活互动。

实施例2：

本实施例对一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的应用进行介绍，本实施例中智慧变频器应用于车站的中央空调场景，该场景的区域中台控制系统为车站中台控制系统，上级主网的调控信息为车站调控信息，负荷为中央空调的冷冻水泵。

所述智慧变频器的控制模块中嵌入有智慧用能控制策略(即智慧调控策略)，如图2所示，为本发明提供的一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于中央空调场景的智慧调控策略流程示意图。图中，通过通信模块从车站中台控制系统处获取天气情况、日期、车次信息、候车室人数等环境信息，并从上级主网获取上级主网的电力调控信息(即图中的电网信息)。通过通信模块实现智慧变频器的外部信息感知，并将获取的信息发送至控制模块。

其中，环境信息对中央空调功率的影响：

天气情况，根据温度情况及阴晴雨雪，控制中央空调制冷/供暖功率；

日期，日期不同，中央空调的工作模式也不同，如日期为1月则需要供暖，日期为7月则需要制冷，另外周末/节假日与工作日的人流量不同，因此中央空调的输出功率也不一样；

车次信息，包括车次的正晚点情况，如车辆晚点则需要中央空调延时工作，保证候车室温度的适宜，无车次时适当降低中央空调的功率或停止工作，以节能降耗；

候车室人数，候车室人多时需要增大中央空调的功率，反之降低。

图2中，通过控制模块中功率爬坡速率单元，实现功率爬坡速率控制的计算，并生成变频器功率爬坡速率给定频率f_ref；

具体的，功率爬坡速率单元基于通信模块提供的环境信息，根据将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中(本实施例场景为车站的中央空调，即根据天气情况、日期、车次信息、候车室人数等环境信息计算人体舒适度，将不同的人体舒适度折算成不同的惯量，根据惯量计算变频器功率爬坡速率)；随后将得到的变频器功率爬坡速率利用爬坡环节的计算公式计算得到变频器实际给定功率P_ref；最后通过P/f控制，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率f_ref。变频器功率爬坡速率给定频率f_ref的计算式如下：

基于天气情况、日期、车次信息、候车室人数等信息，将不同的人体舒适度折算成不同的惯量，人体舒适度可按下式计算：

式中，PMV为人体热反应的评价指标(人体舒适度)，T_sk为皮肤平均温度，本实施例取306.65K，D₁、D₂分别为第一、第二面积系数，T_z为室内温度，T_m为热物质表面温度，T_z和T_m与建筑的冷/热功率流动有关，可由等效建筑热模型求得，M₀为新陈代谢率，本实施例取70.6W/m²，I_cl为服装基本热阻，本实施例取0.113m²K/W，I_a/f_cl为空气层热阻与服装面积系数的比值，本实施例取值为0.1m²K/W。

在智慧变频器切换功率的过程中，将根据不同人体舒适度折算成的不同惯量，进行功率爬坡速率惯性控制，变频器实际给定功率P_ref如下式：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，I_PMV为环境信息的惯量(本实施例中代表人体舒适度惯量)，s为拉布拉斯算子。

根据目前市场上同类型变频器的运行特征，采用聚合的方式获得智慧变频器原始运行的P_ref-f特性曲线。考虑功率爬坡速率惯性控制，可得到计及人体舒适度的P_ref-f特性方程，根据不同的实际功率给定P_ref可获得变频器功率爬坡速率给定频率f_ref：

f_ref＝50±k_pP_ref＝50±k_pGP_refo

式中，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率。

图2中，通过控制模块中虚拟惯量单元，实现虚拟惯量前馈的动态功率控制的计算，并生成频率校正误差Δf；

具体的，虚拟惯量单元基于外部电网输入的交流电频率f_g，首先通过逻辑判断，判断频率波动值(交流电实时频率与交流电历史频率的差值)是否超过设定的频率波动阈值，选择是否需要引入虚拟同步电机的转动惯量(虚拟惯量)；当频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，即频率校正误差Δf为0。

图2中，通过控制模块中控制给定频率单元，将变频器功率爬坡速率给定频率f_ref和频率校正误差Δf相加，得到控制给定频率f：

f＝f_ref+Δf。

图2中，通过控制模块中控制电压单元，基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略V/f计算控制电压；在变频器的输出频率从0Hz上升到基本频率的过程中，输出电压(即控制电压)成正比地上升到最大输出电压的V/f线，称为基本V/f线，输出电压和频率呈正比关系，二者特性方程可表示为：

V_M＝af+b

式中，参数a和b为待定系数，可通过聚合方法求出，V_M为控制电压。

利用V/f控制策略中输出电压和频率的特性方程，由给定频率f_ref得出对应的电压V_M，图2中AC/AC代表变频模块，M为电机类负荷(中央空调的冷冻水泵)通过控制模块中控制电压单元将生成的控制电压V_M发送至变频模块，进行智慧变频器的动态功率控制和智慧爬坡运行。通过变频模块，基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至中央空调的冷冻水泵。

控制模块中具有需求响应单元，可根据电网信息进行需求响应，控制变频模块改变输出频率；以及获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息。通信模块可进行双向数据传输，不仅可以进行信息感知，为控制模块提供外部信息；还可以向上级主网反馈变频器状态信息，便于上级电网对智慧变频器的运行状态进行监控，实现上级电网与智慧变频器的互动运行。

以上是对智慧变频器应用于车站中央空调场景工作步骤的分析。如图3为一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于中央空调场景的信息流示意图。

图中所述智慧变频器与中央空调的冷冻水泵相连；

具体的，所述变频模块与中央空调的冷冻水泵相连；智慧变频器中通信模块通过通信母线从车站中台控制系统获取车站人流量、天气、车站时刻和车辆晚点信息，通过通信母线从车站中台控制系统或直接从中央空调处获取中央空调末端设备的温度、中央空调压缩机的加减载工况、中央空调冷凝器的进水温度、中央空调冷凝器的回水温度，通过通信母线获取上级主网的调控信息。

通过通信模块将上述信息传输至控制模块；由控制模块生成控制电压，并发送至变频模块；通过变频模块将工频交流电变换为可供中央空调冷冻水泵工作的频率。

本实施例针对中央空调冷却水、冷冻水系统运行效率低，能耗较大且需要长期运行的问题，通过对冷冻水泵、冷却水泵配套安装智慧变频器可实现中央空调的节能降耗。在中央空调的冷冻水泵和冷却水泵中加入本发明所设计的智慧变频器，可实现中央空调与电网的互动响应。智慧变频器作为水泵负荷控制的电力电子设备，根据负荷的实时参数，自适应智慧调控，进行实时变频调速，同时实现高耗能负荷与电网的互动运行。

实施例3：

本实施例对一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的应用进行介绍，本实施例中智慧变频器应用于供水系统场景，该场景的区域中台控制系统为市政供水区域中台控制系统，上级主网的调控信息为市政供水系统调控信息，负荷为供水系统的水泵机组。

本发明设计的智慧变频器应用于供水系统场景的工作步骤与应用于车站中央空调场景的工作步骤类似，故不再对智慧变频器的智慧调控策略流程进行详细解释。

通过通信模块从市政供水区域中台控制系统处获取用能信息、人流量、用水量等环境信息，并从上级主网获取主网调控信息或站区光储充用调控信息。通过通信模块实现智慧变频器的外部信息感知，并将获取的信息发送至控制模块。

其中，环境信息对中央空调功率的影响：

用能信息，为其他能量(如电能等)的用能信息，一般情况下，其他能量的用能量与供水量呈正相关，其他能量的用能量大时，需要增加供水量；

人流量，人流量与供水量呈正相关，人流量大时，需要增加供水量；

用水量，用水量多，则需要增加供水量。

需要注意的是，不同于中央空调场景，供水系统场景不使用舒适度PMV计算惯量，仅需要结合用能信息、人流量、用水量等环境信息，即可直接转换为对应的供水系统惯量。

除供水系统惯量的计算外，智慧变频器应用于供水系统场景的工作步骤与应用于中央空调场景的工作步骤相同。如图4为一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器应用于供水系统场景的信息流示意图。

图中所述变频器与供水系统的水泵机组相连；具体的，所述变频模块与供水系统的水泵机组相连；

所述变频器中的通信模块从上级主网获取主网调控信息或站区光储充用调控信息；通过通信模块从供水系统的水泵机组获取流量、从供水系统的蓄水池获取水位、从供水系统的压力传感器获取管网压力、从供水系统中用户处获取用能信息、人流量和用水量(流量、水位、管网压力、用能信息、人流量、用水量也可从市政供水区域中台控制系统获取)。

通过通信模块将上述信息传输至控制模块；由控制模块生成控制电压，并发送至变频模块；通过变频模块将工频交流电变换为可供供水系统水泵机组工作的频率。

在日常的市政供水系统运行时，为了保证用户端供水压力达到标准值，常以能保证最大流量用水高峰时压力进行恒压供水。在非用水高峰用水状态时，随着流量降低，供水管网的压力开始逐步上升，远离标准值，造成了非高峰用水时管网过压供水的现象。在供水系统水泵处安装智慧变频器，通过检测用户用水情况、水房人流量、水管压力等用能相关信息，实现供水系统供水压力的优化控制，盘活供水水泵的可调容量，实现负荷的需求响应并实现与电网的互动运行，达到供水系统的供水压力的智慧调控。

实施例4：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的使用方法，如图5所示，包括：

步骤1：通过通信模块获取当前场景对应的环境信息和外部电网输入频率；

步骤2：通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

步骤3：通过变频模块基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息，计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率；

所述智慧变频器为所述的基于双重优化控制的多场景智慧变频器。

优选的，所述通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压，包括：

通过虚拟惯量单元基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差；

通过功率爬坡速率单元基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率；

通过控制给定频率单元将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

通过控制电压单元基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；

其中，所述电网输入频率包括电网输入的交流电频率；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种。

优选的，所述基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差，包括：

基于外部电网输入的交流电实时频率与交流电历史频率，确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断是否引入虚拟同步电机的转动惯量；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，且频率校正误差为设定值。

优选的，所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

优选的，所述基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率，包括：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率，输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

优选的，所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。

优选的，所述方法还包括：

通过通信模块获取场景下各负荷的上级主网的调控信息；

通过控制模块基于所述调控信息，控制变频模块改变输出频率；

通过控制模块获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息；

通过通信模块将所述变频器状态信息发送至上级主网。

本发明通过通信模块从外部获取环境信息；通过嵌入智慧用能控制策略的控制模块，基于外部电网输入频率对变频器进行动态功率控制，基于环境信息对变频器进行功率爬坡速率控制，从而调整变频器的输出频率，有助于实现变频器与负荷和区域控制中台系统间的互动，改变了现有变频器只能利用初始参数实现单一变频的现状；可应用于包括中央空调、自来水厂在内的多种场景；通过通信模块，实现场景下各负荷的上级主网调控信息的获取，并配合控制模块实现调控信息的需求响应。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (18)

1.一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器，其特征在于，包括：通信模块、控制模块和变频模块；

所述通信模块，用于获取当前场景对应的环境信息；

所述控制模块，用于基于外部电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

所述变频模块，用于基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率。

2.如权利要求1所述的智慧变频器，其特征在于，所述场景包括中央空调或自来水厂；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种；所述环境信息，由当前场景下的区域中台控制系统或负荷中控系统提供。

3.如权利要求1所述的智慧变频器，其特征在于，所述控制模块，包括：虚拟惯量单元、功率爬坡速率单元、控制给定频率单元和控制电压单元；

所述虚拟惯量单元，用于基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差；

所述功率爬坡速率单元，用于基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制给定频率单元，用于将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

所述控制电压单元，用于基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；

其中，所述电网输入频率包括电网输入的交流电频率。

4.如权利要求3所述的智慧变频器，其特征在于，所述虚拟惯量单元，具体用于：

基于外部电网输入的交流电实时频率与交流电历史频率，确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断是否引入虚拟同步电机的转动惯量；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，且频率校正误差为设定值。

5.如权利要求4所述的智慧变频器，其特征在于，所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

6.如权利要求3所述的智慧变频器，其特征在于，所述功率爬坡速率单元，具体用于：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

7.如权利要求6所述的智慧变频器，其特征在于，所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。

8.如权利要求3所述的智慧变频器，其特征在于，所述控制电压，按下式计算：

V_M＝af+b

式中，V_M为控制电压，a和b为设定系数，f为控制给定频率。

9.如权利要求1所述的智慧变频器，其特征在于，所述通信模块包含有CAN和RS-485中一种或多种通信协议，且支持多种数据收发波特率。

10.如权利要求1所述的智慧变频器，其特征在于，所述通信模块还用于获取场景下各负荷的上级主网的调控信息，和将变频器状态信息发送至所述上级主网；

所述控制模块还用于基于所述上级主网的调控信息进行需求响应，并生成变频器状态信息；

所述上级主网的调控信息，包括电力主网的电力调控信息。

11.如权利要求10所述的智慧变频器，其特征在于，所述控制模块还包括：需求响应单元；

所述需求响应单元，具体用于基于所述上级主网的调控信息，控制变频模块改变输出频率；获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息。

12.一种基于双重优化控制的多场景智慧变频器的使用方法，其特征在于，包括：

通过通信模块获取当前场景对应的环境信息和外部电网输入频率；

通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压；

通过变频模块基于所述控制电压调整输出频率，并将所述输出频率发送至所述场景下的各负荷；

所述智慧用能控制策略，基于所述电网输入频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量确定频率校正误差；和基于所述环境信息，计算变频器功率爬坡速率给定频率；

所述控制电压，基于所述频率校正误差和功率爬坡速率给定频率生成，用于通过对智慧变频器进行动态功率控制和功率爬坡速率控制，调整智慧变频器的输出频率；

所述智慧变频器为权利要求1-11任意项所述的基于双重优化控制的多场景智慧变频器。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述通过控制模块基于所述电网输入频率和所述环境信息，利用嵌入的智慧用能控制策略生成控制电压，包括：

通过虚拟惯量单元基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差；

通过功率爬坡速率单元基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率；

通过控制给定频率单元将所述频率校正误差和变频器功率爬坡速率给定频率相加，得到控制给定频率；

通过控制电压单元基于所述控制给定频率，采用电压频率变换控制策略计算控制电压；

其中，所述电网输入频率包括电网输入的交流电频率；所述环境信息包括场景下的：各负荷信息、各负荷特征、用能信息、天气情况、日期和人流量中的一种或多种。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基于外部电网输入频率与设定阈值，判断是否引入虚拟惯量并确定频率校正误差，包括：

基于外部电网输入的交流电实时频率与交流电历史频率，确定频率波动值；

将所述频率波动值与设定的频率波动阈值进行对比，判断是否引入虚拟同步电机的转动惯量；

若频率波动值超过频率波动阈值，则基于所述交流电实时频率，通过引入虚拟同步电机的转动惯量计算频率校正误差；否则，不引入虚拟同步电机的转动惯量，且频率校正误差为设定值。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述频率校正误差，按下式计算：

式中，Δf为频率校正误差，Δω为角频率差值；

所述角频率差值Δω，按下式计算：

式中，J为引入的虚拟同步电机的转动惯量，J₀为虚拟同步电机的转动惯量初始值，k_a为角频率变化系数。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基于所述环境信息，采用功率频率变换控制策略计算变频器功率爬坡速率给定频率，包括：

将环境信息作为惯量输入到爬坡速率的计算式中，得到变频器功率爬坡速率；

将所述变频器功率爬坡速率，输入到变频器给定功率的计算式中，得到变频器实际给定功率；

基于所述变频器实际给定功率，利用功率频率变换控制策略，计算得到变频器功率爬坡速率给定频率。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述变频器功率爬坡速率给定频率，按下式计算：

f_ref＝x₁±k_pP_ref

式中，f_ref为变频器功率爬坡速率给定频率，x₁为第一计算系数，k_p为功率系数，P_ref为变频器实际给定功率；

其中，所述变频器实际给定功率P_ref，按下式计算：

P_ref＝GP_ref0

式中，G为变频器功率爬坡速率，P_ref0为变频器初始给定功率；

所述变频器功率爬坡速率G，按下式计算：

式中，k为比例系数，x₂为第二计算系数，I_PMV为环境信息的惯量，s为拉布拉斯算子。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过通信模块获取场景下各负荷的上级主网的调控信息；

通过控制模块基于所述调控信息，控制变频模块改变输出频率；

通过控制模块获取并基于变频模块的输出频率和母线电压，生成变频器状态信息；

通过通信模块将所述变频器状态信息发送至上级主网。

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