融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統

楊立偉

（中國人民大學，北京 100872）

0 引言

空氣源熱泵機組是華北“煤改電”工程的新一代清潔能源，是夏熱冬冷地區冬季供熱的主要方式。由于冬季室內和室外的換熱表面溫度低于0 ℃，所以很容易結霜。若霜凍較多，容易導致室外熱交換器和空氣之間的熱阻增大，當結霜達到一個臨界值時，會嚴重影響機組的正常運轉。在空氣源熱泵機組運行過程中，調頻響應的快慢直接影響著機組的穩定性，直接關系到機組的安全和可靠運行。因此，控制空氣源熱泵機組頻率成為當下研究的熱點。

目前，相關研究成果為機組頻率控制提供了可能。考慮最優運行點的超速風電機組調頻控制策略[1]，根據慣性響應和調頻與穩態關系，將節流過程中的變頻率劃分為三個階段，對中段和小段分別利用可變的低頻，而對大段則利用改良的短時高頻。改變機組頻率，使其適應不同區間；基于多目標優化的機組一次調頻自抗擾控制[2]構建了直接反饋自抗擾動控制結構，結合NSGA-Ⅲ多目標遺傳算法，推導參數穩定域，設計多控制指標的多目標參數優化流程，實現機組的運行頻率控制。由于上述方法均是研究慣性控制角度，而單純依靠機組存儲動能參與，系統調頻容易受到控制時間的限制，導致機組頻率控制效果不佳。為此，本文設計融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統。

1 系統硬件結構設計

在融霜工況影響下，為確定系統整體框架和基本控制策略，首先需要設計PLC 頻率控制結構；設計頻率控制中央處理器，整定主要控制參數，并對系統頻率變化作出快速響應；在此基礎上，設計PID 控制閥門，實現對壓縮機和風機的精細控制；通過對融霜工況影響下的PID 控制閥門設計，實現對機組的自動化控制和優化運行，提高整個系統的能效和穩定性。

1.1 PLC 頻率控制結構設計

為了實現對電源工作頻率的實時監測和控制，在融霜工況下，空氣源熱泵機組的頻率控制系統以PLC 為核心。PLC 頻率控制結構如圖1 所示。

圖1 PLC 頻率控制結構

由圖1 可知，PLC 通過繼電器的輸出，按照壓力傳感器、溫度傳感器的指示，對泵1、泵2、空氣源熱泵X1和上水電動閥門X2 實現啟動和關閉，從而自動調節上水、加熱、供水等頻率。

1.2 頻率控制中央處理器設計

硬件設計方面，在第一次調頻快速操作（開環控制）和第一次調頻快速穩定化負載（閉環控制）之間，可以用硬接線或通信方式實現數據的傳輸。基于此，設計的頻率控制中央處理器如圖2 所示。

圖2 頻率控制中央處理器

由圖2 可知，頻率控制中央處理器利用指令譯碼器將操作碼與地址碼轉譯成時序控制信號，實現頻率數據處理。頻率控制中央處理器是一個計算和控制的核心，作為執行單位，主要處理與頻率控制有關的數據[3]。

1.3 融霜工況影響下的PID 控制閥門設計

為達到變頻的作用，通過空氣源熱泵機組的PID 控制和閥門PID 控制聯合控制熱源側水泵[4]，設計的結構如圖3 所示。

圖3 融霜工況影響下的PID 控制閥門

根據圖3 可知：當蓄熱水箱的出水口溫度小于45 ℃時，熱泵循環泵PID 控制低溫度信號輸出[5]，通過加熱泵流入空氣源熱泵；當蓄熱水箱的出水口溫度等于45 ℃時，閥門PID 控制也輸出低溫度信號[6]；當蓄熱水箱的出水口溫度大于45 ℃時，輸出閥門將控制信號輸出，用閥門調整水流量之后流入熱泵，使得蓄熱水箱的溫度慢慢恢復。

2 基于分段控制思想的頻率控制策略設計

系統硬件結構設計為控制策略的實現提供了必要的支持，可以更加準確地控制機組的運行狀態[7-8]。由于融霜工況影響下，空氣源熱泵機組需要根據不同的工作狀態和環境條件調整頻率控制策略。為解決機組能耗和運行穩定性問題，采用分段控制思想[9-11]，將機組的運行過程分為兩個階段實現不同控制，以達到最優化的運行狀態。

為了使機組能夠在融霜工況下實現調頻機組的作用，需先計算機組結霜量ΔC，公式為：

式中：ga、gb分別表示換熱器的進出濕量；Δt表示換熱時段；m表示質量流。

利用溫度變化控制換熱器側泵的啟動和停止，溫度控制ΔT公式為：

式中：Tb、Td分別表示換熱器出口溫度和水箱底部溫度。

通過以上計算，得到換熱器的有效集熱量Q，可表示為：

式中：S表示換熱器傾斜面上的太陽能輻射量；R表示換熱器透明蓋的熱量；γ表示換熱器透明蓋的透過率；L表示換熱器的總損失系數。

根據換熱器的有效集熱量，自動檢測系統頻率并調整其輸出[12-13]。基于此，使機組初始運行在最大功率之下，即處于融霜停止狀態。針對空氣源熱泵機組在融霜工況下的特點，采用分段式控制方式實現機組在有功調節區間內的分段式調頻。根據融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率響應，設Pbc表示機組融霜停止狀態下的機組有功出力；ηb、ηc分別表示不調頻機組頻率上、下限值；ηa、ηd分別表示調頻機組頻率上、下限值，且各個量為標幺值。融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制分為以下兩個步驟：

1）融霜停止段。此時機組頻率在規定范圍內不會實現調節，而是一直在最大容量下工作；

2）融霜啟動段。此時機組頻率超過設定限值，機組參與調頻，運行功率由ηa、ηd決定。

對于融霜停止段的機組頻率控制，計算融霜停止時的機組控制負荷側水泵出水流量me，表達式如下所示：

式中C表示水的定壓比熱容。由于調頻范圍的變化將會直接影響到調頻范圍的寬度，從而影響到調頻效果[12，14]，因此根據融霜停止段的出水流量計算結果，計算機組參與的調頻頻率Δηbc為：

為在機組頻率降低時使機組增加輸出，參與到頻率調節中[15]，頻率控制輸出有功低于最大功率，即為融霜啟動狀態。為了對負載端的側水泵調速，達到變頻效果，基于機組參與的調頻頻率，通過融霜停止段的側水泵出水流量和額定流量轉速之比，表示融霜啟動段轉速比的調節參量βe，公式為：

式中mr表示額定流量。

在融霜啟動段，機組的最大功率和有功功率之間的差異被稱為機組的啟動調頻速度，公式如下：

式中：Vmax表示調頻速度最大值；V'a表示融霜啟動段的有功出力產生的速度。

在融霜啟動過程中，選取適當的調頻區間以實現在系統升頻和降頻過程中獲得最佳的調頻效果。

3 實驗

為驗證所設計融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統的有效性，實驗環境選擇在空氣源熱泵實驗室，選取一臺特制的原型機作為實驗裝置。在空氣源熱泵機組的制熱工況下，設置熱量為15 000 W，額定頻率是80 Hz，選取的空氣源熱泵機組如圖4 所示。

圖4 空氣源熱泵機組

3.1 測試條件設置

在融霜時，將壓縮機的工作頻率設定在45 Hz，使PID 控制閥門斷開，讓整個系統處于冷卻狀態。融霜開始與結束條件設置如圖5 所示。

圖5 機組融霜流程

在融霜工況下，由于熱泵機組中的傳熱溫差隨霜層厚度的增大而減小，所以利用汽化溫度和霜層厚度的差值來啟動融霜裝置。

3.2 不同融霜工況下機組實際頻率分析

根據機組融霜流程，將融霜分為4 個工況，分別是：最小間隔時間融霜U1、達到盤管表面溫度融霜U2、達到上限溫度融霜U3、達到最大除霜時間上限U4。在不同工況下分析機組實際頻率，如圖6 所示。

圖6 不同融霜工況下的機組實際頻率

由圖6 可知：U1 工況時，時間為0.4 s 時的頻率達到最大為34.5 Hz，機組消耗功率最大；U2 工況在時間為0.7 s 時的頻率達到最大為34 Hz；由于U3 工況下突然終止融霜盤管工作，所以出現兩個波峰，以緩解突然停止工作負荷給機組帶來的負面影響，在時間為1.2 s 時的頻率達到最大為33.5 Hz；U4 工況在時間為2.2 s時，頻率達到最大為31.9 Hz。

3.3 實驗結果與分析

為驗證所設計系統的可靠性，分別在4 種工況下將所設計系統與考慮最優運行點的控制策略、基于多目標優化的控制方法的控制效果進行對比，結果如圖7所示。

圖7 不同方法在不同工況下的控制效果

由圖7a）可知：其他兩種方法均在時間0.7 s 時的頻率達到最大，分別為33.8 Hz 和34.4 Hz，與實際值不一致；本文設計系統在時間0.4 s 時的頻率達到最大，為34.5 Hz，與實際值一致。由圖7b）與圖7c）可知，三種方法控制效果相似，但本文設計系統控制結果與實際結果最接近，圖7b）在時間為0.7 s 時頻率達到最大為33.9 Hz，與實際結果僅存在0.1 Hz 誤差。由圖7d）可知，對比三種方法，只有本文設計系統控制結果與實際一致，其余兩種方法均不一致。

4 結語

為實現機組的正常運轉，提高機組頻率控制效果，本文設計了融霜工況影響下空氣源熱泵機組頻率控制系統。結合融霜工況，根據融霜運行條件設計PLC 的硬件控制結構，并對其實現了分段控制。該系統可使設備達到全自動化、高效率運轉，滿足節能要求，且工作穩定、可靠，可供其他控制系統設計時借鑒。