[发明专利]一种基于反求法的高效变频恒压供水系统控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机电设备控制领域，具体涉及一种基于反求法的高效变频恒压供水系统控制方法。

背景技术

水泵作为一种高耗能通用机械，广泛应用于工农业生产和居民生活的各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国总电耗的21%以上，在供水企业中占生产成本的30%～60%。水泵以及水泵系统的效率哪怕仅仅提高1%，都会对全球的节能和环保带来了巨大的利益，而水泵消耗的电能的30%～50%都是可以节约。通过采用变频控制技术能有效地降低水泵的能耗，每年可节电282亿kWh，实现节能减排目标。但变频控制技术实现节能前提是水泵始终运行于高效率区间。然而，供水用户的用水量在空间和时间上具有随机性和不确定性，不能保证水泵始终运行在高效率区间。特别是在用水低谷时间段，由于用水量很小，变频器和水泵工作于低频状态。此时，电机热损耗和低频振动严重，整个变频恒压供水系统能耗急剧增大，系统效率低下。这种工况下不但不能实现节能减排，而且水泵电机因为长期低频运行导致机械振动和电机定子绕组发热严重，降低系统的安全可靠性和使用寿命，对供水的安全可靠性和生产成本产生不利影响，更为严重的甚至导致安全事故的发生。因而，必须解决小流量情况下变频供水系统的效率问题。

变频恒压供水系统高效率运行是供水系统实现节能减排、安全可靠供水需要重点解决的关键技术问题。传统的供水方案采用变频电机构成主泵和工频运行电机构成辅泵并联运行。通常情况下，由变频主泵电机供水。当变频主泵全速运行仍不能满足恒压供水时，此时启动辅泵并联运行，满足大流量恒压供水需求。但上述方案存在以下问题：①如何检测水泵输出的机械功率P_out(t)。由于水泵输出机械功率为P_out(t)＝p(t)×q(t)(其中：在t时刻，P_out(t)为输出机械功率，p(t)为水压，q(t)为流量)，因而必须增加流量传感器，这样将导致系统结构复杂，成本增加。②主泵辅泵并联运行时，并不能一定保证其方案的高效率运行。并且主泵有可能工作于低频状态，导致主泵热损耗和低频振动严重；③在小流量情况下，主泵处于低频运行状态，导致电机效率低下及低频噪声严重，降低电机及变频器的使用寿命及性能，对供水的安全可靠性和生产成本产生不利影响。因而，高效变频恒压供水系统在国内冶金、钢铁、石油、化工、水处理、矿山以及居民生活用水等领域具有非常广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，该控制方法无需流量传感器、成本低、通用性好。

一种基于反求法的高效变频恒压供水系统的控制方法，包括如下步骤：

（1）以采样周期Ts为间隔对供水系统管网的水压值进行采样，将第一次采样值标记为p(1)；标记当前采样次数为k；

定义压力误差e(k)＝P_set-p(k)；其中，e(i)|_i＜＝0＝0；P_set为预先设定的水压值；p(k)为采样次数为k时的压力值，f(k)为采样次数为k时逆变电路的输出频率值；f(i)|_i＜＝0＝0；

令k=1；

（2）由恒压PID控制算法求出t＝kT_s时刻逆变电路的输出频率值f(k)＝f(k-1)+K_pe(k)+K_ie(k-1)+K_pe(k-2)；

其中，e(k-1)、f(k-1)分别为t＝(k-1)T_s时刻的压力误差和逆变电路的输出频率；e(k-2)为t＝(k-2)T_s时刻的压力误差；

K_p、K_i和K_d分别为预先设定的PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数；

更新变量，令e(k-2)＝e(k-1)，e(k-1)＝e(k)，f(k-1)＝f(k)；

（3）建立由M个元素构成的水压值数组{p(ψ)}和逆变电路的输出频率数组{f(ψ)}；其中ψ＝{k-M+1,k-M+2,...k}，M为预先设定的大于1的正整数；p(ψ)|_ψ＜＝0＝0，f(ψ)|_ψ＜＝0＝0；

（4）判断供水系统是否处于稳定恒压供水状态，如果是，进入步骤（5）；否则，进入步骤(6)；

（5）求解逆变电路输出频率的平均值进入步骤(8)；