冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的負(fù)荷輸出端擾動(dòng)抑制方法

張蒙

摘要：傳統(tǒng)的擾動(dòng)抑制方法在設(shè)置的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)存在數(shù)據(jù)偏離的問(wèn)題，導(dǎo)致抑制負(fù)荷輸出端擾動(dòng)的效果較差，為此提出對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的負(fù)荷輸出端擾動(dòng)抑制方法。該方法利用運(yùn)動(dòng)象函數(shù)確定擾動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)耦合分析理論建立耦合坐標(biāo)系，分析負(fù)荷輸出端擾動(dòng)頻率特性;使用傳遞函數(shù)優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的靈敏度，完善系統(tǒng)的分析反饋能力;通過(guò)了解冷熱電負(fù)荷的不確定性，計(jì)算負(fù)荷在輸出端口的表現(xiàn)形式，以此設(shè)置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端的擾動(dòng)抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)抑制方法相比，在所研究方法的抑制下，負(fù)荷輸出端的擾動(dòng)占比降低了46.83%，對(duì)擾動(dòng)的抑制效果更佳。由此可見，所研究的輸出端擾動(dòng)抑制方法，更適用于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的工作要求。

Abstract： The traditional disturbance rejection method has the problem of data deviation when setting the compensation structure， which leads to the poor effect of load output disturbance rejection. Therefore， the load output disturbance rejection method for CCHP system is proposed. This method uses the motion image function to determine the disturbance data， establishes the coupling coordinate system according to the coupling analysis theory， and analyzes the frequency characteristics of the disturbance at the output end of the load; uses the transfer function to optimize the sensitivity of the CCHP system and improve the analysis feedback ability of the system; through understanding the uncertainty of the CCHP load， calculates the manifestation of the load at the output port， and sets the compensation accordingly Structure， to achieve the output of disturbance suppression. The experimental results show that： compared with the traditional method， the load output disturbance ratio is reduced by 46.83%， and the effect of disturbance suppression is better. It can be seen that the output disturbance rejection method is more suitable for the requirements of the CCHP system.

關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng);負(fù)荷輸出端;擾動(dòng)數(shù)據(jù);補(bǔ)償抑制

Key words： combined cooling heating and power;load output end;disturbed data;compensation inhibition

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）12-0225-05

0? 引言

在城市中對(duì)于能源的供應(yīng)均采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制將天然氣作為主要燃料的燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)等燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備運(yùn)行，并將產(chǎn)生的電力，供應(yīng)給使用用戶，而系統(tǒng)發(fā)電后排出的余熱，通過(guò)余熱回收利用設(shè)備，向用戶供熱、供冷，形成一套完整的冷熱電供應(yīng)體系，但在實(shí)際的使用過(guò)程中，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的負(fù)荷輸出端存在數(shù)據(jù)擾動(dòng)，為此相關(guān)學(xué)者在負(fù)荷輸出與擾動(dòng)抑制方面設(shè)計(jì)出補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷輸出端的擾動(dòng)抑制。文獻(xiàn)[1]針對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度大的問(wèn)題，提出基于云神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電負(fù)荷頻率控制方法，分析并建立電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制模型，減小過(guò)重負(fù)荷引起的擾動(dòng)。文獻(xiàn)[2]探討出一種抑?jǐn)_控制方法，其建立了Z軸升降系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并構(gòu)建出一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)的全閉環(huán)機(jī)電位置伺服系統(tǒng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾能力。

但由于大多研究忽略了系統(tǒng)自身靈敏度、以及擾動(dòng)頻率特性這兩個(gè)關(guān)鍵要素，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)偏離實(shí)際，難以與干擾數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)具有關(guān)聯(lián)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，致使該方法在實(shí)際抑制中的效果并不理想，難以滿足該系統(tǒng)的正常運(yùn)行管理要求。

因此針對(duì)這一問(wèn)題，提出冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在負(fù)荷輸出端的新式擾動(dòng)抑制方法。該方法緩解了傳統(tǒng)方法補(bǔ)償結(jié)構(gòu)偏離實(shí)際擾動(dòng)的問(wèn)題，為冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)提供技術(shù)保障，也為其他系統(tǒng)在負(fù)荷輸出端的擾動(dòng)提供抑制方法的研究思路。

1? 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的負(fù)荷輸出端擾動(dòng)抑制方法

1.1 耦合分析負(fù)荷輸出端擾動(dòng)頻率特性

當(dāng)前的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，由于負(fù)荷輸出端存在擾動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致該系統(tǒng)在執(zhí)行冷熱電負(fù)荷的輸出上出現(xiàn)波動(dòng)，因此依據(jù)耦合分析方法，研究負(fù)荷輸出端的擾動(dòng)頻率特性。根據(jù)耦合分析函數(shù)特點(diǎn)建立耦合坐標(biāo)系，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)象函數(shù)得出擾動(dòng)數(shù)據(jù)的特性分析函數(shù)：

上述公式中：M表示負(fù)荷輸出端口的輸出數(shù)據(jù)總量;X表示耦合坐標(biāo)系中的水平橫軸坐標(biāo);Y表示耦合坐標(biāo)系中的水平縱軸坐標(biāo);Z表示該坐標(biāo)系的垂直方向坐標(biāo);αM表示輸出端口在一定時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)通過(guò)的角速度;εXM、εYM、εZM表示在不同坐標(biāo)上，經(jīng)由輸出端口輸出的輸出負(fù)荷耦合系數(shù);k表示對(duì)這些數(shù)據(jù)的耦合約束條件;εXk、εYk、εZk表示被約束的負(fù)荷輸出值[3]。建立的耦合坐標(biāo)系如圖1所示。

根據(jù)圖1建立的坐標(biāo)系，得出公式（1）的計(jì)算結(jié)果，同理根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程，建立不同角速度下的輸出端負(fù)荷輸出值，默認(rèn)所有負(fù)荷輸出值為εi，得出輸出端擾動(dòng)頻率特征系數(shù)：

公式中：εi表示頻率特征系數(shù);εmax表示負(fù)荷在輸出端的最大輸出值;p表示一個(gè)描述常量;t表示平緩常量。通過(guò)上述分析，得出負(fù)荷輸出端擾動(dòng)頻率特征系數(shù)，根據(jù)該系數(shù)判斷擾動(dòng)頻率特性，選擇對(duì)應(yīng)參量[4-5]。

1.2 優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)靈敏度

為了降低干擾頻率，在完成上述分析后，優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的靈敏性分析反饋功能。優(yōu)化后的分析反饋運(yùn)行方式，如圖2所示。

根據(jù)圖3可知，當(dāng)補(bǔ)償曲線與擾動(dòng)曲線滿足上述的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)每一數(shù)據(jù)的變化量大小，設(shè)置對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，使補(bǔ)償曲線與擾動(dòng)曲線一一對(duì)應(yīng)，生成可以彌補(bǔ)擾動(dòng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，以此提升對(duì)擾動(dòng)的抑制效果，至此實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，負(fù)荷輸出端擾動(dòng)的抑制方法[10]。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

提出仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比所提出的輸出端擾動(dòng)抑制方法，與文獻(xiàn)[1]，文獻(xiàn)[2]擾動(dòng)抑制方法的區(qū)別，分析導(dǎo)致這一區(qū)別的根本原因，得出所提出方法優(yōu)越于文獻(xiàn)[1]，文獻(xiàn)[2]擾動(dòng)抑制方法的創(chuàng)新之處。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

由于冷熱電負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，會(huì)對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的端口輸出造成影響，因此在實(shí)驗(yàn)開始之前，要正確計(jì)算出該系統(tǒng)的冷熱電負(fù)荷數(shù)值。此次實(shí)驗(yàn)選取某一能源控制中心作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用DeST模擬計(jì)算該建筑物的冷熱負(fù)荷。該控制中心由于地處北方，在冬季時(shí)所需的熱負(fù)荷多，在夏季時(shí)所需要的冷負(fù)荷多，由于過(guò)渡季節(jié)所需的冷熱負(fù)荷較少，因此對(duì)4月1日-5月31日，以及10月份的冷熱負(fù)荷忽略不計(jì)。為了便于分析統(tǒng)計(jì)，模擬所需的冷、熱負(fù)荷時(shí)間為20小時(shí)，對(duì)于電負(fù)荷的需求則設(shè)置為全年24小時(shí)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M的大樓三維平面圖，如圖4所示。

已知該控制中心共10層，建筑面積達(dá)到28650m2，空調(diào)面積為25504m2。控制中心所處城市的冬季采暖時(shí)間為11月1日-3月31日;夏季制冷時(shí)間為6月1日-9月30日;其他時(shí)間為過(guò)渡期，使用產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷不計(jì)入此次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)該城市的具體實(shí)況，統(tǒng)計(jì)該控制中心上一年的負(fù)荷實(shí)際數(shù)據(jù)，如表1所示。

將上一年度的冷熱電負(fù)荷，作為此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上傳到實(shí)驗(yàn)用的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。所選取的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)型號(hào)為ASUS-5300，該計(jì)算機(jī)的硬盤容量為256GB，運(yùn)行內(nèi)存為16GB，操作系統(tǒng)為Windows xp，滿足此次實(shí)驗(yàn)規(guī)格。利用MATLAB軟件模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)模擬設(shè)置影響冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的輸出端擾動(dòng)數(shù)據(jù)，模擬值如表2所示。

表2中為強(qiáng)度不同的擾動(dòng)數(shù)據(jù)值，將數(shù)據(jù)值投入到實(shí)驗(yàn)中，模擬冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，負(fù)荷輸出端的擾動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置理想狀態(tài)下的擾動(dòng)占比為40%。分別用三種抑制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)得出的測(cè)試結(jié)果，分析三個(gè)個(gè)方法的優(yōu)劣程度。

2.2 結(jié)果分析

此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，并以曲線圖的形式呈現(xiàn)，如圖5所示，其中圖（a）是所研究方法下的測(cè)試結(jié)果，圖（b）、圖（c）分別是文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法下的對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

分析上述兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，圖（a）中的擾動(dòng)曲線，在所提出方法的抑制下，在第0.5s左右，做出抑制反應(yīng)，將四個(gè)類型不同的擾動(dòng)曲線，有效抑制在安全標(biāo)準(zhǔn)線以下，使該輸出端受到的擾動(dòng)強(qiáng)度變低。經(jīng)計(jì)算可知，該方法抑制下的輸出端平均擾動(dòng)占比為38.3%，低于理想標(biāo)準(zhǔn)值1.7%。而圖（b）中的擾動(dòng)曲線，雖然在文獻(xiàn)[1]方法的抑制下，在第5s作出抑制反應(yīng)，但根據(jù)曲線的走向可知，該方法并沒(méi)有將擾動(dòng)抑制在合理范圍內(nèi)，只對(duì)擾動(dòng)數(shù)值較小的曲線，起到了微弱抑制效果，計(jì)算可知該方法抑制下的平均擾動(dòng)占比為85.13%，遠(yuǎn)高于理想標(biāo)準(zhǔn)值，超出結(jié)果為45.13%。而圖（c）的測(cè)試結(jié)果在文獻(xiàn)[2]方法的抑制下，在第0.8秒開始擾動(dòng)，依舊只擾動(dòng)較小數(shù)值曲線，擾動(dòng)結(jié)果不明顯。

綜合上述分析，所提出的抑制方法下的輸出端擾動(dòng)占比，比文獻(xiàn)[1]方法下的測(cè)試結(jié)果低了46.83%，比文獻(xiàn)[2]方法下的測(cè)試結(jié)果低了43.60%可見所提出方法對(duì)擾動(dòng)的抑制效果能力更強(qiáng)，符合研究要求。

3? 結(jié)束語(yǔ)

此次研究參考傳統(tǒng)抑制方法中存在的問(wèn)題，提出通過(guò)耦合分析方法，設(shè)置冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的靈敏度參數(shù)，設(shè)計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷輸出端擾動(dòng)的抑制，緩解了傳統(tǒng)系統(tǒng)抑制效果差這一問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的抑制能力，該方法不僅僅可以抑制低頻率的擾動(dòng)，同時(shí)對(duì)高頻率擾動(dòng)也同樣具有理想的抑制效果。但此次實(shí)驗(yàn)還存在一定局限性，沒(méi)有考慮冷熱電負(fù)荷用量較少時(shí)輸出端的擾動(dòng)問(wèn)題，因此今后的實(shí)驗(yàn)還要詳細(xì)分析這一方面的數(shù)據(jù)變化情況。

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