[發(fā)明專利]一種多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)及其優(yōu)化控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210141321.8
• 申請(qǐng)日: 2022-02-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114508784A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁寶蒼;盧彥;靳璐;杜凱;曾宇龍;李想;蘇本吉;丁瑞豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F24D18/00
• 分類(lèi)號(hào): F24D18/00;F24D12/02;F24D19/10;H02S10/12
• 代理公司: 重慶市恒信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅

1.一種多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，其特征在于，包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板、蓄電池、太陽(yáng)能集熱器、地源熱泵、電鍋爐、儲(chǔ)熱水箱、換熱器以及控制系統(tǒng)，其中，

風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板作為發(fā)電源以并聯(lián)方式與蓄電池連接，將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于蓄電池中；蓄電池作為供電設(shè)備與地源熱泵、電鍋爐連接，為兩者運(yùn)行提供穩(wěn)定電能；太陽(yáng)能集熱器、地源熱泵、電鍋爐作為三個(gè)互補(bǔ)熱源，以并聯(lián)方式與儲(chǔ)熱水箱連接，不斷對(duì)儲(chǔ)熱水箱中的水進(jìn)加熱，使其保持在一定的溫度范圍內(nèi)；儲(chǔ)熱水箱與換熱器連接，通過(guò)換熱器進(jìn)行散熱供暖；

所述控制系統(tǒng)主要由市電供電，包括界面操作屏、核心控制器、底層控制器以及傳感器，控制系統(tǒng)與太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐、地源熱泵相連接，通過(guò)傳感器將室內(nèi)溫度、供回水溫度、出水流量實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳給核心控制器，核心控制器根據(jù)優(yōu)化控制算法來(lái)計(jì)算出最優(yōu)值，從而操縱底層控制器控制太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐、地源熱泵的輸出功率和儲(chǔ)熱水箱出口閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)房間舒適度和節(jié)能雙重指標(biāo)的優(yōu)化控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心控制器根據(jù)優(yōu)化控制算法來(lái)計(jì)算出最優(yōu)值，具體包括：目標(biāo)函數(shù)的建立、軟約束的放松處理、軟硬約束結(jié)合確定可行域、在可行域中求解滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，其特征在于，所述操作界面實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度和各設(shè)備運(yùn)行功率并且可以人工設(shè)置室內(nèi)溫度期望值；所述核心控制器主要使用優(yōu)化控制算法來(lái)對(duì)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，求得底層控制器的最優(yōu)值；所述底層控制器采用PLC可編程邏輯控制器或者PID比例-積分-微分控制器，底層控制器根據(jù)求得的最優(yōu)值來(lái)控制電鍋爐、地源熱泵的輸出功率以及儲(chǔ)熱水箱出口閥門(mén)的開(kāi)度。

4.一種基于權(quán)利要求1所述多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.對(duì)太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐模型、地源熱泵模型在內(nèi)的產(chǎn)熱設(shè)備進(jìn)行建模分析，清楚變量?jī)?nèi)在關(guān)系；

步驟2.對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一建模，根據(jù)變量的類(lèi)型即操作變量MV、被控變量CV、干擾變量DV建立一個(gè)狀態(tài)空間模型；

步驟3.用優(yōu)化控制算法-雙層MPC算法對(duì)狀態(tài)空間模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，算出底層控制器最優(yōu)設(shè)定值；

步驟4.底層控制器根據(jù)上述所得的最優(yōu)設(shè)定值對(duì)太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐和地源熱泵的輸出功率進(jìn)行控制，并根據(jù)室內(nèi)熱舒適度需求來(lái)控制儲(chǔ)熱水箱的閥門(mén)開(kāi)度，從而調(diào)控室溫。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述步驟1采用如下公式建模分析：

太陽(yáng)能集熱器模型：

式中：η_s是t時(shí)刻集熱器發(fā)電效率，B是熱轉(zhuǎn)移因子，τ是光透過(guò)率，κ是吸收率，ΔT是集熱器進(jìn)水溫度和室外環(huán)境溫度差℃，E_s(t)是t時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，P_s(t)是集熱器輸出功率，S是集熱器受光面積，Q_s(t)是t時(shí)刻集熱器產(chǎn)熱量，Q_s(t+1)是下一時(shí)刻產(chǎn)熱量，φ是集熱器的熱損失系數(shù)；Δp_s表示集熱器輸出功率的增加量。

電鍋爐模型：

式中：Q_E(t)是t時(shí)刻電鍋爐的蓄熱量,Q_E(t+1)是下一時(shí)刻蓄熱量，C_w是水的比熱容，ρ_w是水的密度，V_e是電鍋爐內(nèi)水的體積，ΔT_w是出水和進(jìn)水的溫度差，α_e是電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，P_e(t)是t時(shí)刻用電功率，ε是電鍋爐的熱損失系數(shù)，P_E(t)是t時(shí)刻的電轉(zhuǎn)熱功率；

地源熱泵模型：

式中：C_op,c是地源熱泵變工況下的性能系數(shù)，C_op是額定工況下的性能系數(shù)，Μ_pl是負(fù)荷系數(shù)，P_g,in(t)是t時(shí)刻的耗電量，P_G(t)為地源熱泵t時(shí)刻的輸出功率，Q_s(t)是t時(shí)刻熱泵的蓄熱量,Q_s(t+1)是下一時(shí)刻蓄熱量,λ熱泵的熱損失系數(shù)。