本发明公开一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，属于飞轮换热领域。该方法对飞轮产热、散热以及水冷换热过程进行建模，建立了飞轮散热能量流模型和飞轮传热过程的输出方程，从而计算了在动态过程中水冷换热面热能，提高了飞轮产热的计算准确性；基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制，及时调整冷却水流量大小，实现对飞轮散热的控制。
1.一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，其特征在于，包括：按照热量扩散方向选取飞轮换热面，并根据选取的飞轮换热面建立飞轮散热物理模型；
根据飞轮本体参数，利用所述输出方程和所述状态空间方程，获得水冷换热面热能；
基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制；
将所述飞轮散热物理模型简化成飞轮散热能量流模型时的假设条件包括：预设时间尺度内飞轮内的填充气体工质含量、流量、温度均保持不变；
飞轮内填充气体和水冷液体之间的器壁相当于一个具有一定长度和厚度的换热器；
冷却水给水泵具有一定的压力、温度和流量的给水过程；
所述飞轮散热能量流模型包括：飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1、飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1、飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2、飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2、第一电容、第二电容、第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源；
第一电容的一端分别与飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的一端连接，第一电容的另一端接地；飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的另一端与第一电源的正极连接，飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的另一端与第二电源的负极连接；
第一电容的一端与飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的一端的连接点对应飞轮轴承温度Tw1，飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的另一端对应飞轮轴向填充气体温度Th1,in，飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的另一端对应第一段冷却水入口温度Tc1,in；
第二电容的一端分别与飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的一端连接，第二电容的另一端接地；飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的另一端与第三电源的正极连接，飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的另一端还与第一电源的负极连接，飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的另一端分别与第四电源的负极和第五电源的负极连接；第二电源的正极与第四电源的正极连接；
第二电容的一端与飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的一端的连接点对应飞轮容器壁温度Tw2，飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的另一端对应飞轮冷却水温度Th2,in，飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的另一端对应第二段冷却水入口温度Tc2,in；
第二电源的正极与第四电源的正极的连接线上对应第一段冷却水出口温度Tc1.out，第五电源的正极对应第二段冷却水出口温度Tc2.out，第三电源的负极对应飞轮冷却水出口温度Th2.out；
式中，x为状态变量，cp为飞轮水冷换热壁比热容，M1和M2分别为两段换热壁的金属质量；
定义输入向量u为：u＝[G1,c,G2,c,G1,h,G2,h]；其中，G1,c为第一段冷流体热容量流，G1,c＝cpD1,c，D1,c为第一段冷流体流量；G2,c为第二段冷流体热容量流，G2，c＝cpD2，c，D2，c为第二段冷流体流量；G1，h为第一段热流体热容量流，G1，h＝cpD1，h，D1,h为第一段热流体流量；G2，h为第二段热流体热容量流，G2，h＝cpD2，h，D2，h为第二段热流体流量；
定义输出向量y为：y＝[Q1，Q2，Q3，Q4] ；其中，Q1、Q2分别为第一段、第二段冷流体的换热量， Q3、Q4分别为第一段、第二段工质及金属蓄热量，根据输入向量u、状态变量x和输出向量y，建立飞轮传热过程的输出方程为y＝Cx+D；其中，C为比例系数， D为常数项，确定飞轮本体参数，具体包括：
依据公式Q0＝hin×min，确定飞轮转子侧能量；式中，Q0为飞轮转子侧能量；min为输入侧质量流量；hin为输入侧焓值，hin＝U+psGin，U为内能，U＝njRTc1，in/2，n为物体物质的量，j为自由度，R为常数，ps为填充气体压力，Gin为输入侧气体流量；
利用公式 确定两段的热阻；所述两段的热阻包括飞轮轴
向填充气体等效热流体热阻Rh，1、飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc，1、飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh，2和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc，2；式中，ki，h、ki，c分别为热流体、冷流体换热壁传热系数参数，Ai，h、Ai，c分别为由长度参数得到的热流体、冷流体换热面表面积参数；i＝1，2，i表示段号；
根据飞轮本体参数，利用所述输出方程和所述状态空间方程，获得水冷换热面热能，具体包括：根据两段的热阻，利用所述输出方程和所述状态空间方程，计算获得输出向量y；
根据计算获得的输出向量y和飞轮转子侧能量，利用公式Q＝Q0+Q1+Q2+Q3+Q4，确定水冷换热面热能Q；
基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制，具体包括：若水冷换热面热能大于或等于热能标准值，则控制流量阀门按照冷却水阀门开度上下程变化速率为 进行关闭；其中，TD为阀门开度增加控制环节的时间常数；
若水冷换热面热能小于热能标准值，则控制流量阀门开度按照冷却水阀门开度上下程变化速率为 进行增大；其中，TC为阀门开度减少控制环节的时间常数。
2.根据权利要求1所述的基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，其特征在于，所述飞轮换热面包括：第一换热面和第二换热面；
3.根据权利要求1所述的基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，其特征在于，所述飞轮散热物理模型包括：飞轮转子和水冷壁；
飞轮转子的输入端为第一段冷却水入口，飞轮转子的输出端为第一段冷却水出口；
水冷壁的输入端为第二段冷却水入口，水冷壁的输出端为第二段冷却水出口。
一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及飞轮换热领域，特别是涉及一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法。
背景技术
[0002] 随着可再生能源在能源结构中占比的提高，越来越多的可再生能源并网带来了随机性和波动性问题，给电力系统稳定运行带来了严峻和紧迫的挑战。
[0003] 建立规模化的储能是应对可再生能源随机性和波动性、支撑可再生能源并网的关键技术。当前储能技术中包括了抽水蓄能、化学电池储能以及飞轮储能。其中飞轮储能由于其可靠性高、配置灵活、使用寿命长、绿色环保等特点，成为当下电网中规模化储能的热点。在国内外飞轮储能研究开发项目中，开发了风电飞轮联合调频电站，大型飞轮储能电站等一系列项目，很多发电机组也都配置了不同容量的飞轮储能装置。
[0004] 但随着飞轮储能系统功率密度的提高，损耗发热而引起的温升问题成为其发展的瓶颈之一。飞轮储能系统发热主要由电机和电磁轴承引起，电机发热主要来自定子铁心铁损、绕组铜损、转子涡流损耗及转子机械损耗，电磁轴承发热主要由铁损和铜损构成。目前已有大量的研究针对如何对飞轮转子轴承发热以及温度场分布和飞轮储能系统散热的规律和模型进行建立，但在磁悬浮飞轮储能系统的产热‑传热特性精细化表征，水冷散热控制策略设计问题与多目标协同控制等基础问题方面还需进一步深入研究。建立一种更精细飞轮换热、水冷散热换热模型和对应协同控制策略是非常必要的。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，可准确计算飞轮产热并及时调整冷却水流量大小，控制飞轮的散热。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，包括：
[0008] 按照热量扩散方向选取飞轮换热面，并根据选取的飞轮换热面建立飞轮散热物理模型；
[0009] 将所述飞轮散热物理模型简化成飞轮散热能量流模型；
[0010] 依据所述飞轮散热能量流模型，建立状态空间方程；
[0011] 构建飞轮传热过程的输出方程；
[0012] 确定飞轮本体参数；
[0013] 根据飞轮本体参数，利用所述输出方程和所述状态空间方程，获得水冷换热面热能；
[0014] 基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制。
[0015] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0016] 本发明公开一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，对飞轮产热、散热以及水冷换热过程进行建模，建立了飞轮散热能量流模型和飞轮传热过程的输出方程，从而计算了在动态过程中水冷换热面热能，提高了飞轮产热的计算准确性；基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制，及时调整冷却水流量大小，实现对飞轮散热的控制。
附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法的流程图；
[0019] 图2为本发明实施例提供的飞轮及水冷装置模型的示意图；
[0020] 图3为本发明实施例提供的飞轮散热物理模型的示意图；
[0021] 图4为本发明实施例提供的飞轮散热能量流模型的示意图；
[0022] 图5为本发明实施例提供的水冷阀门流量控制示意图。
具体实施方式
[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 本发明基于热量流理论对飞轮产热、散热以及水冷换热过程进行建模，并基于此模型对水冷散热控制策略进行设计。
[0025] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0026] 如图1所示，本发明实施例提供了一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法，包括：
[0027] 步骤1：按照热量扩散方向选取飞轮换热面，并根据选取的飞轮换热面建立飞轮散热物理模型。
[0028] 通过热量扩散的方向进行换热面的选取，参照图2，飞轮转子与轴向填充气体的接触面是第一个换热面，轴向填充气体到水冷液体的接触壁是第二个换热面。
[0029] 结合水冷散热的换热环节，建立飞轮散热物理模型，如图3所示。图3中的水冷壁对应图2中的水冷换热壁，图3中的冷却水D1和冷却水D2分别对应图2中的两条冷却水管路。图3中，冷却水通过阀门流入冷流体的位置。
[0030] 步骤2：将所述飞轮散热物理模型简化成飞轮散热能量流模型。
[0031] 在评估飞轮蓄热性能和水冷冷却换热能力时，飞轮内填充气体和水冷换热壁上储存的能量在这一过程中起着至关重要的作用，因此可以将模型进行假设：
[0032] 1)短时间尺度内飞轮内填充气体工质含量、流量、温度保持不变；
[0033] 2)飞轮储存的能量主要是填充气和换热壁部件，其他部件可以忽略；
[0034] 3)飞轮内填充气体和水冷液体之间的器壁相当于一个具有一定长度和厚度的换热器；
[0035] 4)假设冷却水给水泵是具有一定的压力、温度和流量的给水过程。
[0036] 飞轮散热能量流模型如图4所示。飞轮散热能量流模型包括：飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1、飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1、飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2、飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2、第一电容、第二电容、第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源。
[0037] 第一电容的一端分别与飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的一端连接，第一电容的另一端接地；飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的另一端与第一电源的正极连接，飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的另一端与第二电源的负极连接。
[0038] 第一电容的一端与飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的一端的连接点对应飞轮轴承温度Tw1，飞轮轴向填充气体等效热流体热阻Rh,1的另一端对应飞轮轴向填充气体温度Th1,in，飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻Rc,1的另一端对应第一段冷却水入口温度Tc1,in。
[0039] 第二电容的一端分别与飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的一端连接，第二电容的另一端接地；飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的另一端与第三电源的正极连接，飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的另一端分别与第四电源的负极和第五电源的负极连接；第二电源的正极与第四电源的正极连接。
[0040] 第二电容的一端与飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的一端的连接点对应飞轮容器壁温度Tw2，飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻Rh,2的另一端对应飞轮冷却水温度Th2,in，飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻Rc,2的另一端对应第二段冷却水入口温度Tc2，in。
[0041] 第二电源的正极与第四电源的正极的连接线上对应第一段冷却水出口温度Tc1.out，第五电源的正极对应第二段冷却水出口温度Tc2.out，第三电源的负极对应飞轮冷却水出口温度Th2.out。
[0042] 步骤3：依据所述飞轮散热能量流模型，建立状态空间方程。
[0043] 根据图3所示的飞轮散热能量流模型，建立状态空间方程为：
[0044]
[0045] 式中，x为状态变量，cp为飞轮水冷换热壁比热容，M1和M2分别为两段换热壁的金属质量。
[0046] 建立状态空间方程的一个重要原因是其可以精确表征飞轮各环节蓄热能力，并依据历史数据进行修正，实时得到精确的换热面热能。
[0047] 步骤4：构建飞轮传热过程的输出方程。
[0048] 示例性的，输出方程构建过程如下：
[0049] 4.1输入向量u
[0050] u＝[G1，c，G2，c，G1，h，G2，h]T，向量u是各个段冷热流体的热容流量，通过式(2)计算得到。流量是通过飞轮控制平台流量实时数据库得到。其中，G1，c为第一段冷流体热容量流，G1，c＝cpD1，c，D1，c为第一段冷流体流量；G2，c为第二段冷流体热容量流，G2，c＝cpD2，c，D2，c为第二段冷流体流量；G1，h为第一段热流体热容量流，G1，h＝cpD1，h，D1，h为第一段热流体流量；G2，h为第二段热流体热容量流，G2，h＝cpD2，h，D2，h为第二段热流体流量。
[0051]
[0052] 4.2状态变量x，其值由飞轮状态监测平台得到。
[0053] x＝[Tw1，Tw2]T (3)
[0054] 4.3输出变量计算
[0055] 为了评估传热过程，选择Q1，Q2，Q3，Q4作为该多级分割系统的输出变量，以形成输出向量y。
[0056] y＝[Q1，Q2，Q3，Q4]T (4)
[0057] Qi表示各段冷流体的换热量；即，
[0058] Qi+2表示各段工质及金属蓄热。即，
[0059] 将，上式写成输出方程：
[0060] y＝Cx+D (5)
[0061] 其中，
[0062]
[0063] C和D描述了输入和状态变量变化引起的输出变量的变化。
[0064] 步骤5：确定飞轮本体参数。
[0065] 5.1根据焓值在线计算飞轮内部填充气体压力和温度，ps、Tc1，in通过物体内能公式：
[0066] U＝njRTc1，in/2 (6)
[0067] 其中n为物体物质的量，由其本身分子构成决定，j为自由度，j由分子原子数决定，R为常数＝8，T为填充气体温度，确定内能U。再通过焓值公式：
[0068] hin＝U+psGin (7)
[0069] 其中ps为填充气体压力，Gin为输入侧气体流量，确定进入飞轮转子间隙填充工质的焓值hin，作为飞轮转子侧能量，如式(8)：
[0070] Q0＝hin*min (8)
[0071] hin和min分别为输入侧焓值和质量流量。
[0072] 5.2根据飞轮产品手册确定飞轮内部填充工质以及水冷换热壁的质量和长度参数；用于计算各个段的热阻，如式(9)：
[0073]
[0074] 式中，ki，h、ki，c分别为热流体、冷流体换热壁传热系数参数，Ai，h、Ai，c分别为由长度参数得到的热流体、冷流体换热面表面积参数。
[0075] 步骤6：根据飞轮本体参数，利用所述输出方程和所述状态空间方程，获得水冷换热面热能。
[0076] 传热系统由状态方程和输出方程描述，可以简化为
[0077]
[0078] 公式(6)可以表征各段冷热流体的热容流量、状态变量作为输入，对热量输出的关系，后续只需要对输入量进行测量以及平台参数监测后代入，就可以获得输出热量，以便针对此热量进行水冷流量调节。
[0079] 最后环节水冷换热面热能(水冷换热面热能Q)：
[0080] Q＝Q0+Q1+Q2+Q3+Q4 (11)
[0081] Q实时表征了飞轮经冷却后冗余的热能。
[0082] 步骤7：基于水冷换热面热能与热能标准值的差值，对冷却水阀门流量开度进行PID控制。
[0083] 将计算得到的Q与给定标准值Qb(热能标准值)进行比较，并根据差值对冷却水阀门流量开度进行反馈控制，如图5所示。
[0084] ΔQ＝Qb‑Q (12)
[0085] 其中k为冷却水阀门开度上下程变化速率， 或 由ΔQ决定：
[0086]
[0087] 若水冷换热面热能大于或等于热能标准值，则控制流量阀门按照冷却水阀门开度上下程变化速率为 进行关闭；其中，TD为阀门开度增加控制环节的时间常数。
[0088] 若水冷换热面热能小于热能标准值，则控制流量阀门开度按照冷却水阀门开度上下程变化速率为 进行增大；其中，TC为阀门开度减少控制环节的时间常数。
[0089] 本发明旨在基于飞轮散热过程、从飞轮转子到填充气体再到水冷壁的能量流动过程、尤其是动态变化过程，建立了动态能量流模型。飞轮内部填充气体和水冷换热壁是飞轮散热过程的主要环节。在本发明中，所提出的方法计算了在动态过程中工作流体的热量，提高了对工质所具有能量的准确度。根据这种计算方法可以准确计算飞轮产热并及时调整冷却水流量大小对飞轮散热进行控制。
[0090] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0091] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
