本發(fā)明涉及并聯(lián)系統(tǒng)均衡控制領(lǐng)域，特別適用于并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)中對(duì)各臺(tái)水泵供水流量均衡性能和運(yùn)行效率性能要求較高的供水場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

目前，自來(lái)水廠及小區(qū)二次加壓供水等場(chǎng)合的變頻恒壓供水系統(tǒng)通常將多臺(tái)變頻水泵并聯(lián)起來(lái)使用，以增大其供水能力。常用的并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)恒壓供水，確保供水壓力符合要求。由于每臺(tái)水泵及變頻控制器存在一定差異，如果不對(duì)供水系統(tǒng)每臺(tái)水泵進(jìn)行均輸出流量控制，其必然導(dǎo)致一部分水泵流量過(guò)大，而另外一部分水泵過(guò)小。極端情況下，水泵流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致水泵及其變頻控制器處于嚴(yán)重超載，損壞設(shè)備。同樣，流量過(guò)小亦即小流量情況下，水泵運(yùn)行頻率過(guò)低，導(dǎo)致水泵效率低下和水泵電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，同樣會(huì)引起設(shè)備故障，降低供水系統(tǒng)可靠性低和壽命。

圖1所示為目前常用的并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)水泵進(jìn)水口通過(guò)進(jìn)水支管連接到總供水管，每個(gè)水泵出水口通過(guò)出水支管連接到總出水管供水給用戶。每臺(tái)水泵均配備一臺(tái)變頻恒壓控制器用于供水壓力控制。實(shí)際供水壓力由安裝于出水管上的壓力傳感器檢測(cè)，并將壓力信號(hào)反饋給每臺(tái)變頻恒壓控制器。變頻恒壓控制器通過(guò)運(yùn)行恒壓控制算法，對(duì)各臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，從而達(dá)到恒壓供水的目的。

但是，這樣的并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)都會(huì)存在一個(gè)非常普遍的問(wèn)題，即水泵輸出流量不平衡問(wèn)題。

由于水泵，變頻器、進(jìn)出水水管等存在不一致性問(wèn)題，只對(duì)供水壓力進(jìn)行控制，并不能實(shí)現(xiàn)各臺(tái)水泵輸出流量均衡調(diào)節(jié)。采用并聯(lián)供水方式，因其出水口揚(yáng)程相同，等效管阻小的水泵流量偏大，導(dǎo)致輸出功率負(fù)荷偏大。與此同時(shí)，等效管阻大的水泵流量偏小，導(dǎo)致輸出功率負(fù)荷偏小。嚴(yán)重情況下，輸出流量的水泵及變頻器處于超載工作，導(dǎo)致機(jī)械和電氣故障幾率增大，壽命減短；輸出流量小的水泵及變頻器工作頻率過(guò)低，引起水泵的低頻發(fā)熱嚴(yán)重，效率低下，同樣導(dǎo)致設(shè)備電氣故障幾率增大，壽命減短。

另一方面，由于并聯(lián)供水系統(tǒng)用水流量變化會(huì)導(dǎo)致每個(gè)水泵的輸出流量隨之變化。輸出流量的均衡控制雖然能解決并聯(lián)供水系統(tǒng)水泵輸出流量基本保持一致，也就是流量均衡控制。但卻不能保證水泵工作于較高的運(yùn)行區(qū)間。通常而言，設(shè)備的高效運(yùn)行區(qū)間一般處于額定工況附近。對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，其高效運(yùn)行區(qū)間為水泵電機(jī)處在額定轉(zhuǎn)速附近，因而只要保證水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速均處于額定轉(zhuǎn)速附近，就能確保并聯(lián)供水系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水泵輸出流量均衡效果好、水泵運(yùn)行效率高的供水系統(tǒng)輸出流量均衡控制方法，不但可實(shí)現(xiàn)供水范圍內(nèi)泵組輸出流量均衡分配，而且能實(shí)現(xiàn)供水范圍內(nèi)泵組的高效運(yùn)行。

本發(fā)明提供一種并聯(lián)供水系統(tǒng)輸出流量均衡控制方法，其包括以下步驟：

一、采樣供水系統(tǒng)的水壓pw(t)，在確定fon＝1時(shí)，未捕獲pwm信號(hào)pwmmax以及未獲得同步信號(hào)syn的上升沿時(shí)，則輸出控制量fk，fk＝p_controlalgorithm(ep)，其中ep＝pset+uq-pw(t)，其中pset為設(shè)定的水泵壓力值，fon為運(yùn)行標(biāo)志，uq為0；并更新u個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲得運(yùn)行頻率的平均值

二、在獲得同步信號(hào)syn的上升沿時(shí)，則通過(guò)步驟一中獲得的運(yùn)行頻率的平均值跟新m個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲得第k個(gè)控制模塊的運(yùn)行頻率平均值與最大運(yùn)行頻率fmax(i)偏差量的平均值

三、在捕獲到pwm信號(hào)pwmmax時(shí)，則通過(guò)獲取最大導(dǎo)通時(shí)間獲取并通過(guò)該最大運(yùn)行頻率更新m個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲取最大運(yùn)行頻率狀態(tài)參數(shù)其中：t為的周期，為參數(shù)指標(biāo)計(jì)算函數(shù)；

四、在啟動(dòng)階段時(shí)，只運(yùn)行壓力環(huán)路控制算法，在判定啟動(dòng)階段結(jié)束之后，即fstart_stage＝1不成立時(shí)，則進(jìn)行判定，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)是否處于低頻運(yùn)行狀態(tài)的判定，并在其處于低頻運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，通過(guò)fk(m-2)≥fmax(m-2)來(lái)決定是否暫停前一時(shí)刻輸出頻率最大的水泵，若暫停，即fon＝0，則對(duì)步驟二和步驟三中的元素?cái)?shù)組進(jìn)行清零

六、在不成立時(shí)，則提供流量補(bǔ)償量uq：

七、在獲取fon＝0的標(biāo)志時(shí)，則更新水泵的壓力元素?cái)?shù)組并從中獲取水泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)θ＝ψ[pw(0),pw(1),…,pw(w-1)]，，并對(duì)獲得的θ進(jìn)行判定，在θ≤βpset則重新啟動(dòng)水泵系統(tǒng)，即重新定義fstart_stage＝1，fon＝1，并獲得fk(i)＝0；i＝0,1,…,u-1，其中，β為正系數(shù)；ψ為狀態(tài)參數(shù)θ計(jì)算函數(shù)。

步驟三中，采用平均值函數(shù)，最小方差函數(shù)或概率分布函數(shù)獲取最大運(yùn)行頻率

本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

本發(fā)明無(wú)需流量傳感器即可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供水系統(tǒng)的均流功能。

本發(fā)明無(wú)需通信總線即可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供水系統(tǒng)輸出流量均衡控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性好。

本發(fā)明將輸出流量的偏差量δqk(t)＝qmax(t)-qk(t)轉(zhuǎn)換為兩路pwm信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間差值避免了模擬信號(hào)受高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)干擾。

本發(fā)明提出的輸出流量均衡控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；水泵在進(jìn)行熱插拔時(shí)，只需一個(gè)同步信號(hào)syn的周期即可獲得均流量控制偏差量δqk(t)。

本發(fā)明提出的輸出流量均衡控制方法能有效實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供水系統(tǒng)在不同用水量情況下系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)恒壓、均流量和水泵高效運(yùn)行。

本發(fā)明對(duì)開(kāi)關(guān)電源模塊控制芯片要求很低，降低了系統(tǒng)成本。

本發(fā)明提出的輸出流量均衡控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，為并聯(lián)供水控制提供了一種新的方案。

附圖說(shuō)明

圖1并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為并聯(lián)變頻供水控制系統(tǒng)電路圖。

圖3為逆變器輸出頻率fk(t)的pwm調(diào)制原理圖。

圖4為pwmmax信號(hào)獲取電路。

圖5為變頻恒壓供水控制算法框圖。

圖6為pwm信號(hào)產(chǎn)生程序。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明：

假定并聯(lián)供水系統(tǒng)采用相同型號(hào)的水泵和變頻控制器(逆變器)，為不失一般性，本發(fā)明用第k臺(tái)(1≤k≤n)水泵及其變頻器作為闡述對(duì)象。

圖1為并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖總體上說(shuō)明了并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)組成方式，其包括水源、進(jìn)水控制閥、穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐、出水控制閥、排污閥、水泵總進(jìn)水管、閥門k、變頻器k、水泵k、止回閥k、閘閥k、水泵總出水管、壓力罐、壓力傳感器。其中：1≤k≤n。水源主要為江河水庫(kù)或者自來(lái)水管等水源；進(jìn)水控制閥用于控制水源進(jìn)水口；穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐主要用于緩沖進(jìn)水壓力的波動(dòng)和沉淀泥沙等污物；排污閥用于排除穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐中泥沙等污垢及清洗穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐時(shí)的污水；水泵總進(jìn)水管為各臺(tái)水泵進(jìn)水來(lái)源；閥門k用于控制水泵的進(jìn)水；水泵k和變頻器k用于對(duì)進(jìn)水進(jìn)行加壓控制，從而使輸出水壓達(dá)到設(shè)定壓力。止回閥k用于防止總出水管的水回流，確保水單向流出；閘閥k用于控制水泵k的出水口；水泵總出水管用于匯集各臺(tái)水泵的出水，實(shí)現(xiàn)水泵并聯(lián)供水；壓力罐用于穩(wěn)定供水壓力，消除供水壓力劇烈波動(dòng)；壓力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)水泵出水壓力。

由論文《光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》可知，對(duì)于在一定范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行的離心水泵，其流量q與運(yùn)行速度n之間滿足：

由于離心水泵使用的是交流異步電機(jī)，根據(jù)《機(jī)電傳動(dòng)控制》(鄧星鐘等，華中科技大學(xué)出版社，第五版)交流電動(dòng)機(jī)章節(jié)內(nèi)容可知，水泵轉(zhuǎn)速n滿足：

其中：f為水泵運(yùn)行頻率，亦為變頻器輸出頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為水泵極對(duì)數(shù)；

由于水泵采用的變頻調(diào)速控制，所以s基本保持不變，并且各臺(tái)水泵電機(jī)的型號(hào)相同，所以p相同。聯(lián)立公式(1)、(2)可得：

圖1所示并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)中水泵和變頻器均為相同型號(hào)，因而其n臺(tái)水泵揚(yáng)程特性和變頻器輸出特性可認(rèn)為一致，所以對(duì)于運(yùn)行的第k臺(tái)水泵和第j臺(tái)水泵在t時(shí)刻的輸出流量與運(yùn)行頻率fk(t)、fj(t)滿足：

由公式(4)可知，第k臺(tái)水泵的輸出流量與第j臺(tái)水泵的輸出流量的比值為第k臺(tái)水泵運(yùn)行頻率fk(t)與第j臺(tái)水泵運(yùn)行頻率fj(t)的比值。由于水泵并聯(lián)方式供水，其水泵出水口壓力幾乎形同。因而最大流量水泵即為最大功率的水泵，其對(duì)應(yīng)著最大的運(yùn)行頻率。令：fmax(t)＝max{f1(t),…,fn(t)}，則有：

由公式(5)可得：

令水泵k的輸出流量與最大輸出流量偏差為則：

令水泵k的運(yùn)行頻率fk(t)與最大運(yùn)行頻率fmax(t)偏差為δfk(t)，則：

δfk(t)＝fmax(t)-fk(t)(8)

聯(lián)立方程(6),(7),(8)可得：

從水泵銘牌上可以獲得數(shù)據(jù)計(jì)算出工頻情況下即fn＝50hz的額定揚(yáng)程pn，額定流量qn。由于并聯(lián)供水系統(tǒng)的水泵為相同型號(hào)，依據(jù)水泵相似定理和公式(3)可得：

聯(lián)立公式(9)，(10)可得：

借鑒最大電流均流法的思想，將輸出流量最大的水泵上的輸出流量作為整個(gè)并聯(lián)供水系統(tǒng)的流量基準(zhǔn)，其余水泵以它為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整自身的輸出流量，從而達(dá)到均流量的目標(biāo)。所以，為以最大輸出流量為基準(zhǔn)的偏差量。

為克服模擬均流量總線信號(hào)易受干擾和數(shù)字均流量總線需要復(fù)雜的通信接口和通信協(xié)議等不足，我們可將表征水泵運(yùn)行輸出流量的水泵運(yùn)行頻率fk(t)調(diào)制為導(dǎo)通時(shí)間為的pwm信號(hào)確定的周期為t，其調(diào)制原理圖如圖3所示，可知：

其中：fmax為變頻器輸出頻率上限，一般情況下為工頻，即fmax＝50；所以可得：

同理，滿足的pwm信號(hào)有：

其中：fmax(t)＝max{f1(t),f2(t),…,fn(t)}，

聯(lián)立方程(11)，(12)，(13)，(14)，可得：

其中：qn為水泵的在額定情況下的輸出流量。

由公式(15)可知，只要獲取到與pwmmax的導(dǎo)通時(shí)間差即可得到流量差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)均輸出流量控制。

圖2所示為并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)電路圖，該電路圖說(shuō)明了并聯(lián)供水系統(tǒng)控制電路(包括控制算法和接口電路)、逆變單元、壓力傳感器、同步信號(hào)syn、均流量總線、水泵等連接示意圖。從圖中可以直觀了解系統(tǒng)的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)和組成。相應(yīng)功能為：①控制算法主要包含恒壓控制算法、均流量補(bǔ)償算法、矢量變頻控制、svpwm、捕獲的導(dǎo)通時(shí)間和計(jì)算流量偏差量等模塊組成，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率f實(shí)現(xiàn)高效恒壓供水和均流量功能。變頻矢量控制和svpwm將頻率f逆變?yōu)榱穚wm信號(hào)pwm1～pwm6；②逆變單元將pwm1～pwm6進(jìn)行隔離放大，用于驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率管(mosfet、igbt)將高壓直流電逆變?yōu)槿鄬?duì)稱交流電用于驅(qū)動(dòng)水泵工作；③壓力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出供水壓力，并反饋給變頻恒壓均流量控制單元；④同步信號(hào)syn：提供/接收同步時(shí)鐘信號(hào)，用于進(jìn)行同步輸出控制，即具有相同時(shí)刻的上升沿；⑤均流量總線：提供最大運(yùn)行頻率水泵對(duì)應(yīng)的pwm信號(hào)pwmmax。

圖3所示為將水泵運(yùn)行頻率fk(t)調(diào)制為的原理，其將水泵運(yùn)行頻率fk(t)調(diào)制為周期為t，導(dǎo)通時(shí)間為的pwm波

圖4為最大導(dǎo)通時(shí)間pwm信號(hào)獲取電路，由于具有相同的周期t并且進(jìn)行了同步，使所有pwm信號(hào)上升沿出現(xiàn)在同一時(shí)刻。由《電工電子學(xué)》知識(shí)可知：二極管d的共陰極輸出信號(hào)為導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)的pwm信號(hào)，即pwmmax，其導(dǎo)通時(shí)間為其數(shù)學(xué)關(guān)系滿足公式(12)。

圖5為變頻恒壓供水控制算法框圖，以第k臺(tái)水泵及其變頻器，其包括以下步驟：

一、采樣供水系統(tǒng)的水壓pw(t)，在確定fon＝1時(shí)，未捕獲pwm信號(hào)pwmmax以及未獲得同步信號(hào)syn的上升沿時(shí)，則輸出控制量fk，fk＝p_controlalgorithm(ep)，其中ep＝pset+uq-pw(t)，其中pset為設(shè)定的水泵壓力值，fon為運(yùn)行標(biāo)志，uq為0；并更新u個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲得運(yùn)行頻率的平均值

二、在獲得同步信號(hào)syn的上升沿時(shí)，則通過(guò)步驟一中獲得的運(yùn)行頻率的平均值跟新m個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲得第k個(gè)控制模塊的運(yùn)行頻率平均值與最大運(yùn)行頻率fmax(i)偏差量的平均值

三、在捕獲到pwm信號(hào)pwmmax時(shí)，則通過(guò)獲取最大導(dǎo)通時(shí)間獲取并通過(guò)該最大運(yùn)行頻率更新m個(gè)元素?cái)?shù)組并實(shí)時(shí)獲取最大運(yùn)行頻率狀態(tài)參數(shù)其中，為參數(shù)指標(biāo)計(jì)算函數(shù)；可以是平均值函數(shù)，最小方差函數(shù)，概率分布函數(shù)或其他函數(shù)等；

四、在啟動(dòng)階段時(shí)，只運(yùn)行壓力環(huán)路控制算法，其中壓力環(huán)路控制算法為第步驟一，在判定啟動(dòng)階段結(jié)束之后，即fstart_stage＝1不成立時(shí)，則進(jìn)行判定，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)是否處于低頻運(yùn)行狀態(tài)的判定，并在其處于低頻運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，通過(guò)fk(m-2)≥fmax(m-2)來(lái)決定是否暫停前一時(shí)刻輸出頻率最大的水泵，若暫停，即fon＝0，則對(duì)步驟二和步驟三中的元素?cái)?shù)組進(jìn)行清零可以通過(guò)設(shè)定一定的時(shí)間，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，則判定啟動(dòng)階段結(jié)束，或通過(guò)獲取所有的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判定啟動(dòng)階段結(jié)束，或通過(guò)判定水泵系統(tǒng)達(dá)到一定的壓力值，進(jìn)行判定啟動(dòng)階段結(jié)束。

六、在不成立時(shí)，則提供流量補(bǔ)償量uq：

七、在獲取fon＝0的標(biāo)志時(shí)，則更新水泵的壓力元素?cái)?shù)組并從中獲取θ＝ψ[pw(0),pw(1),…,pw(w-1)]，其中θ為水泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)獲得的θ進(jìn)行判定，在θ≤βpset則重新啟動(dòng)水泵系統(tǒng)，即重新定義fstart_stage＝1，fon＝1，并獲得fk(i)＝0；i＝0,1,…,u-1，β為正系數(shù)；ψ為狀態(tài)參數(shù)θ計(jì)算函數(shù)。

圖6為pwm信號(hào)產(chǎn)生程序，以第k臺(tái)水泵及其變頻器，其包括以下步驟：

一、由同步信號(hào)syn的上升沿觸發(fā)進(jìn)入程序；

二、設(shè)置pwm模塊的周期為t；

三、依據(jù)圖5計(jì)算出來(lái)的設(shè)置pwm的占空比為

四、是能pwm模塊，發(fā)出pwm信號(hào)

五、程序結(jié)束，退出。

實(shí)施例不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制，任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。