模糊双闭环电热储能控制方法的电能替代经济性分析

赵庆杞，程亚航，谢　强，杨宝渠，杨东升

（1.辽宁省电力有限公司，沈阳　110006；2.东北大学，沈阳　110819；3.辽宁电力节能服务有限公司，沈阳　110179）

模糊双闭环电热储能控制方法的电能替代经济性分析

赵庆杞1，程亚航2，谢强3，杨宝渠3，杨东升2

（1.辽宁省电力有限公司，沈阳110006；2.东北大学，沈阳110819；3.辽宁电力节能服务有限公司，沈阳110179）

近年来，持续的严重雾霾天气横扫中国北方地区，当地甚至多次出现超过6级的极重度污染天气。经研究表明，燃煤和燃油是造成环境污染的重要因素。目前城市供暖大都采用燃煤锅炉和燃气锅炉，燃煤锅炉的初期投资较低，运行费用低但带来的污染比较严重；燃气锅炉初期投资少，对大气的污染较小，但是运行费用高；电锅炉初期投资低，运行费用集中在电价上。从我国现在的用电情况来看，白天的用电量逐渐增加，白天的用电量和晚间的用电量相差越来越大。为了减少峰谷电差，近年来电力管理部门制定了利用谷电的优惠政策，降低谷电的电价以鼓励用户午夜后用电，充分利用电价优惠政策可有效降低电锅炉的运行费用，又可以起到“移峰填谷”和降低污染的作用。电热储能是一种采暖供热热源，在用电谷时段启动电加热储能体，将电能转化为热能储存起来，并且在用电峰时段将热能释放出来供暖。电热储能利用政府的电价优惠政策可降低其运行费用。因此，电热储能技术取代燃煤、燃气锅炉供热技术具有一定的可行性和实用性。电热储能涉及到供热控制，而供热控制普遍采用传统的PID控制算法「1-6」，由于电热储能中换热器的控制具有时滞性和非线性，传统PID控制往往不能满足电热储能控制的动态特性要求。而模糊PID控制，不需要被控制对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器适应被控对象参数的任何变化，可以在被控对象参数变化时取得较理想的控制效果。因此，本文将模糊控制应用于电热储能的换热控制，与传统的PID控制结合使用，与单纯的PID控制相比，取得了很大的改进。

1　电热储能结构分析

双闭环控制系统要考虑风机转速、水流量、出水温度对系统温度的控制，考虑的控制量比较全面。故本电热储能系统使用双闭环控制实现对温度控制得更快、更准确得调节。

本电热储能装置主要是通过对风机转速和水流量的控制来实现系统的温度控制，其中风机转速通过风机转速环控制，水流量通过水流量环控制。

电热储能装置把电能转换成热能储存起来，储存起来的热量在需求时通过换热器释放出来。电热储能系统中的换热器是一种用来进行热量交换的设备，其作用是通过热流体来加热冷流体。电热储能装置中，风机向蓄热体吹风，冷风被加热后变成热风进入换热器，同时水泵向换热器管道注入冷水，输出的即是所需温度的热水。出水温度的控制也就集中在风机和水泵的控制上。

为实现出口水温度的自动调节，首先要用温度传感器把出水口温度参数测量出来，然后将测得的数值转换成可发送的信号送到控制器和设定的温度值进行比较。若出口水温度比期望的温度值低，就要减小冷水流量，同时增加热风流量；若出口水温度比期望的温度值高，就要增加冷水流量，同时减少热风流量；若出口水温度正好等于期望的温度值，冷水流量和热风流量就可以保持不变。流量的大小可以用流量传感器测得，而对于冷水流量和热风流量的控制，则采用通过控制变频器的方法实现。控制系统采用双闭环设计，控制流程如图1所示。

图1　双闭环温度控制系统结构原理图

双闭环控制系统中温度控制环为外环，风机转速环和水流量环为内环。温度控制环根据温度当前值与给定值的差值，通过温度调节器给风机转速环和水流量环提供给定风机转速和冷水流量。风机转速环通过控制器控制风机的转速，水流量环通过控制器控制水流量。通过对风机转速环和水流量环的反馈调节最终实现对系统温度的控制。

由于电热储能系统的非线性和时滞性，当控制系统外部参数变化，传统的PID无法满足要求，所以需要采用一种新的控制方法实现对温度、风机速度、水流量的控制，从而使控制系统达到理想的控制效果。

2　控制模型的建立

本电热储能系统中温度控制的实现需要对风机转速和水流量进行控制。风机转速的控制由电储热系统中的风机转速环实现；水流量的控制需要电储热系统中的水流量环实现。所以为了实现对电热储能温度的控制需要对风机转速环和水流量环建立模型。

电热储能系统中的风机转速环建立如下模型。

标准状态下空气流量

式中：Vs为标准状态下的空气流量；Va为换热器进风口处测得的空气体积流量；γs为标准状态下空气密度，γs=1.2 kg/m3；γa为换热器进风口处空气密度；ta1为入风口处温度；P为环境大气压。

电热储能系统中的水流量环建立如下模型。

当不考虑热损失时，热流体放出的热量应该等于冷流体吸收的热量「7」，则

式中：Ga为换热器进风口处测得的空气质量流量；CPa为空气的比热；ta1为进风温度，℃；ta2为出风温度，℃；Gw为换热器进水处测得的水质量流量；Vw为换热器进水处测得的水体积流量；γw为换热器进水处水密度；CPw为水的比热：tw1为进水温度，℃；tw2为出水温度，℃。

热量的传递方向总是由高温物体传向低温物体，2物体之间的温差是传热的推动力，温差越大，传热速率亦越大「8」。

传热速率方程式是

式中：Q为传热速率，kJ/h；K为传热系数，kJ/（℃·m2· h）；F为传热面积，m2；Δtm为对数平均温差，℃。

在大多数情况下，可采用算术平均值代替对数平均值。

由式（5）整理得

因此，控制通道的静特性即换热器的静态放大系数为

分析式（6）可知，换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性，即在冷水流量Gw大时，加热冷水达到规定温度所需的热风流量Ga必然随之增大，则式（6）计算出的放大系数K0减小。

众所周之，传统的PID控制在模型参数不变时可以得到相应的效果，而本电热储能系统中的风机转速和水流量等参数是时变的，使用PID控制技术会使系统的性能变差甚至不稳定。传统的PID用于本文的系统中温度控制很难达到理想效果，所以需要对传统的PID进行改进以达到预期的效果。本文通过对系统使用模糊PID控制来实现温度的控制。

3　控制方案设计

电热储能系统中具有非线性和时滞性，控制系统中风机速度和水流量等外部参数变化时，传统的PID无法满足要求。采用模糊PID控制可以根据现场的情况，采取不同的策略，找到合适的Kp、Ki和Kd参数，从而使控制系统达到理想的控制效果「9」。

模糊PID控制系统如图2，他是在常规PID控制方式的基础上，以水流速度e和水流速度差变化率ec作为输入，采用模糊推理的方法对PID参数Kp、Ki和Kd进行在线自整定。根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响情况，可归纳出在一般情况下，对于不同的e和ec，被控过程对参数ΔKp、ΔKi和ΔKd的调节规则「10-12」。

图2　模糊PID控制系统原理图

模糊PID控制系统在结构上与传统的PID控制系统没有太大的差别，主要不同之处在于控制器使用了模糊控制器，他通过定义模糊变量、模糊集合及相应的隶属度函数，采用一组模糊条件句来描述输入输出之间的映射关系。模糊推理系统主要由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化4部分组成，其工作过程可以描述为：首先将传感器采集到的数值信息转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，然后根据控制规则，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出控制量，最后经清晰化计算得到精确的Kp、Ki和Kd。

4　案例分析

将该电热储能装置应用于供暖系统中，设计该供暖系统的日总负荷为5 640 kWh，供暖系统设计尖峰负荷为600 kW，出水温度为50℃，回水温度为45℃。供暖系统可运行在3种模式下：①供暖系统工作在加热模式；②供暖系统工作在保热模式；③供暖系统工作在加热、放热模式。

该供暖系统安装调试完毕后，经过一个采暖供热周期的实际运行，系统工作稳定。现在取供暖系统一个运行日的记录数据进行分析，用来观察该双闭环供暖系统的运行情况，进而判断该供暖系统的性能。表1为储热采暖系统实际运行日数据表。

表1　储热采暖系统实际运行日数据表

从表1可以看出，该供暖系统24：00～次日7：00和22：00～23：00这2个时间段对采暖系统供热的同时也对电热储能装置储存热量，在6：00～22：00和23：00～24：00这2个时间段利用电热储能装置储存的热量对采暖系统供热。该电热储能装置将谷时电量以热能的形式储存起来用于峰时段对采暖系统供热，在平衡用电量的同时也降低了电热储能装置的运行费用。

该双闭环的采暖系统实际运行时采用较低的末端供水温度，所以实际储热温差较大，故储热量也比较大。当负荷较小时，系统运行在全量储热模式。日运行费用为1 777.685元。经简化计算，储热系统运行费用为燃气电热水机组系统的67%。

5　结束语

采用双闭环控制可以实现出口温度的快速调节，抗扰动能力强，而且可以取得比较理想的控制效果。模糊PID控制具有更好的动态特性、稳态精度且计算量小，易于实现，便于工程应用。较之常规PID控制，不仅对被控参数变化适应能力强，而且在对象模型结构发生较大改变的情况下也能获得较好的控制效果。D

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（本栏责任编辑袁飞孙晶）

The economy analysis of energy alternative of electric power heating storage control method based on fuzzy double closed-loop

ZHAO Qing-qi1，CHENG Ya-hang2，XIE Qiang3，YANG Bao-qu3，YANG Dong-sheng2
（1.Liaoning Province Electric Power Co.Ltd.，Shenyang 110006，China；2.Northeastern University，Shenyang
110819，China；3.Liaoning Electric Energy Conservation Service Co.Ltd.，Shenyang 110179，China）

结合供热过程的特性，提出了一种双闭环控制系统。这种控制系统以温度调节环为外环，风机转速调节环和水流量调节环为内环。温度调节环根据当前温度和给定温度的差通过温度调节器给风机转速调节环和水流量调节环设定风机频率、水流量。风机转速调节环通过模糊PID控制器控制风机的转速，水流量调节环通过模糊PID控制器调节冷水的流量，最终可以实现对系统温度的控制。提出的模糊PID控制技术用于参数时变的加热器模型时可以取得良好的动态控制性能，较高的控制精度和温度调节能力。

双闭环；电热储能；温度控制；模糊PID控制；削峰填谷

Combined with the characteristics of heating process，this paper presents a double closed-loop control system.The temperature control loop is as external loop，fan rotating speed adjusting loop and the water flow regulation loop is as internal loop. The temperature adjusting loop sets fan frequency and water flows for fan rotating speed adjusting loop and the water flow regulation loop according to difference between the current temperature and the given temperature by the regulator to the fan speed adjusting loop and the water flow regulation loop.Fan rotation regulation loop controls the speed through the fuzzy PID controller.Water flow regulation loop regulate the cold water flow through the fuzzy PID controller，finally can to achieve the control of the system temperature.Fuzzy PID control technology proposed in this paper for time-varying parameters can obtain good dynamic control performance，perfect control precision and high temperature adjustment ability.

double closed-loop；electric power heating storage；temperature control；fuzzy PID control；peak load shifting

F407.61；TK018

C

2015-03-06