电加热固体储能供热控制系统优化运行研究

刘春蕾 宋盼想 王 晨 郭丽姣 刘智民

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着雾霾治理攻坚战的打响，结合风电就地消纳的需要，替代燃煤供暖，实现清洁供暖受到了各方的重视[1].我国供暖区域集中于“三北”地区，此地区风能、太阳能丰富，且弃风、弃光现象严重，综合应用清洁能源供暖前景广泛[2].电加热固体储能供热系统作为一种供热行业的新兴蓄热热源形式得到了大力发展，但现已运行的系统中仍存在诸多问题，本文以某商场的电加热固体储能供热系统为研究对象，对系统的优化运行进行了深入研究.

1 电加热固体储能供热系统运行分析

电加热固体储能供热系统作为一种供热行业的新兴供热形式得到了大力发展，但是目前已运行的控制系统仍然存在诸多问题，为更深入的分析电加热固体储能供热系统的运行过程和运行特点，本文采用实验法来进行研究.实验设备具体参数如表1所示：

表1 设备参数

该商场的供热热源为1.6MW电加热固体储能供热系统，该系统配备1个蓄热体，3台变频风机，3台真空相变换热器，循环泵与补水泵均为1用1备.

该设备的触摸屏界面如图1所示:

图1 触摸屏界面

风机的控制方式采取传统的单回路PID控制，风机的频率随供水温度变化而变化，其中供水温度的目标值采用就地分时段设定的方法，将一天分为了10个时段，每个时段对应的供水温度目标值如表2所示：

表2 供水温度目标值设定

该系统的运行调节方式为质调节，循环泵的流量维持不变，频率始终为44Hz.本次实验的时间为1月3日10∶00至1月5日10∶00，时间长度为48小时，每10分钟采集一次数据，数据内容包括：蓄热体内部温度，供回水总管温度，蓄热体耗电量，总耗电量以及各设备的运行状态等参数.其中5∶50至6∶40时段，供水温度随时间的变化如图2所示：

从图中可以看出，在5∶50至6∶00时段内，供水温度趋于稳定，接近45 ℃，6∶00至6∶40时段内，由于供水温度目标值发生改变，风机开始进行PID变频调节，使供水温度发生改变，供水温度不断升高，直至趋近50 ℃，并使其保持稳定.由采集的数据可以得出，系统在PID调节过程中，其超调量为1%，调节时间ts=30min.13∶50至14∶40时段供水温度随时间的变化如图3所示：

图2 供水温度变化图1 图3 供水温度变化图2

从图中可以看出在13∶50至14∶00时间段内，供水温度趋于稳定，接近49 ℃，14∶00至14∶40时段内，由于供水温度目标值发生改变，风机开始进行PID变频调节，使供水温度发生改变，供水温度不断降低，直至趋近50 ℃，并使其保持稳定.由采集的数据可以得出，系统在PID调节过程中，其超调量为1%，调节时间ts=34 min.

通过5∶50至6∶40与13∶50至14∶00两个时间段供水温度数据的对比，可以看出系统在供水温度目标值发生改变时，其超调量较小，但调节时间过长，当供水温度目标值由低变高时，系统的供热量无法满足用户需求，当供水温度目标值由高变低时，会产生过热现象，造成能源浪费.从中可以看出单回路PID控制系统应用于电加热固体储能供热系统时，控制品质较低，系统抗干扰能力较差.

通过对实验数据的分析，现已运行的控制系统主要存在以下两个问题：

(1)系统的稳定性差，运行调节过程缓慢，调节时间过长，导致系统的供水温度无法在短时间内达到稳定的目标值，从一定程度上造成了能源的浪费.

(2)供热系统热源未能随供回水温度的变化及时和有效地调整供热量，且供水温度目标值的设定采用就地分时段设定的方法，使供水温度无法随室外条件的变化而发生改变，从而不能根据室外条件的变化及时调整供热量，导致整个供热系统部分时间段整体过热，造成过量供暖损失，在供暖初期和末期尤为明显.

2 控制系统优化运行方案

根据实验分析得出的结论，可以看出现已运行的电加热固体储能供热控制系统的主要问题在供水温度的控制无法达到高效稳定的运行状态，所以本文采用分级量调节控制的方式.

循环泵的工作频率根据室外温度的变化和设计热负荷采用分级量调节控制，在整个供暖期中根据室外温度分成4个阶段，每个阶段对应一个室外温度区间，且在每个温度区间内，循环泵的流量保持不变，调节方式为逐渐改变二次供水温度的质调节.在调节过程中，需要保证水力工况，流量比应高于0.6，如果室外温度较高，流量比应保持0.6不变，即系统中的循环水流量为设计流量的0.6倍.考虑到循环泵的使用寿命以及性能问题，其工作频率范围应保持在额定功率的70%-105%之间[3]，所以在实际运行调节中，在保证水力工况的情况下，循环泵的最低运行频率应为额定工作频率的70%.

根据实际运行情况循环泵的运行频率的设定值随室外温度的变化应该如表3所示：

表3 循环泵频率值设定

风机采用串级PID调节控制，通过变频器的PID程序，控制风机的转速.如图4所示，将风机风量作为副被控量，组成一级闭环系统，将二次供水温度作为主被控量，组成二级闭环系统，将这两个闭环系统组成温度控制的串级控制系统.

图4 风机控制方框图

对于供水温度目标值的设定，则按照质调节计算公式，计算在不同室外温度下所需要达到的供水温度，其中室内温度为18 ℃，室外计算温度为-13.6 ℃，设计供水温度为70 ℃，设计回水温度为50 ℃，β取0.34，可得以下计算公式：

(1)

(2)

根据公式计算所得结果，考虑到控制系统中，当供水温度的目标值发生改变的时候，系统会做出相应的调整，风机的运行频率也会发生改变，所以系统需要一定的调整时间，供水温度目标值根据室外温度的变化发生改变的频率不应过高，综上所述，结合实际运行情况，供水温度目标值的设定如表4所示：

表4 供水温度目标值设定表

3 SIMULINK仿真实现

本文核心控制方案为串级PID控制，即将风机风量作为副被控量，组成一级闭环系统，将二次供水温度作为主被控量，组成二级闭环系统，将这两个闭环系统组成温度控制的串级PID控制系统，根据上文中的控制方案，可将图4等效转化为图5的形式：

图5 串级PID控制等效结构图

由图可得副回路的传递函数为：

(3)

主回路的传递函数为：

(4)

其中主调节器函数为Gc1(s)，副调节器函数为Gc2(s)，主控对象函数为G1(s)，副控对象函数为G2(s)，采用Simulink进行编程，其仿真程序如图6所示：

图6 Simulink仿真程序

将Simulink仿真程序中的转换开关切换到传统单回路PID控制回路，设置运行时间为100 s，给定值为1，运行结束后其仿真结果如图7所示：

图7 单回路PID控制仿真

由图可知，单回路PID控制在外加干扰信号后，其响应时间ts=1s，超调量为75%，稳态误差为0.

将Simulink仿真程序中的转换开关切换到串级PID控制回路，设置运行时间为10 s，给定值为1，其仿真结果如图8所示：

图8 串级PID控制仿真

由图可知，串级PID控制在外加干扰信号后，其响应时间ts=1s，超调量为0%，稳态误差为0.相比于传统单回路PID控制，串级PID控制响应时间减少了94 s，超调量降低了75%，可以更快地到达稳定状态.

对比传统单回路PID控制和串级PID控制，可以看出串级PID控制在受到外界干扰后可以更快速的到达稳定状态，其超调量和响应时间明显低于传统单回路PID控制.超调量的降低可以有效地避免电加热固体储能供热控制系统在运行过程中出现整体过热或过冷的问题，并且可以有效的节约能源；响应时间的降低可以提高系统的供热效率.

综上所述，串级PID控制相比于传统单回路PID控制，抗干扰能力强，可以快速稳定的到达系统的目标值，串级PID控制可以有效的解决现已运行电加热固体储能供热系统中出现的稳定性差，调节时间缓慢以及整体过热或过冷的问题.

4 结 语

本文以某市某大型购物商场的电加热固体储能供热系统为例采集实验数据，通过实验数据分析，最终归纳总结了系统的整体运行特点以及其主要存在的问题，并根据电加热固体储能供热系统的运行特点，提出了一套切实可行的优化运行方案.最后对方案中的控制算法进行了模拟仿真，验证了算法的可行性.但本文的方案若应用于实际工程当中，应根据具体的工程概况调整方案当中的具体运行参数，确保系统安全稳定运行.