一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法技术

本发明专利技术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。实现对飞轮散热的控制。实现对飞轮散热的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞轮散热模型的水冷流量PID控制方法


[0001]本专利技术涉及飞轮换热领域，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。

技术介绍

[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
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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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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，本专利技术提供了如下方案：
[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]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0016]本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为本专利技术实施例提供的飞轮及水冷装置模型的示意图；
[0020]图3为本专利技术实施例提供的飞轮散热物理模型的示意图；
[0021]图4为本专利技术实施例提供的飞轮散热能量流模型的示意图；
[0022]图5为本专利技术实施例提供的水冷阀门流量控制示意图。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]本专利技术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]为使本专利技术的上述目的、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专利技术作进一步详细的说明。
[0026]如图1所示，本专利技术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R
h,1
、飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
c,1
、飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻R
h,2
、飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻R
c,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R
h,1
的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
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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R
h,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R
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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R
h,1
的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
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的一端的连接点对应飞轮轴承温度T
w1
，飞轮轴向填充气体等效热流体热阻R
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的另一端对应飞轮轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；将所述飞轮散热物理模型简化成飞轮散热能量流模型；依据所述飞轮散热能量流模型，建立状态空间方程；构建飞轮传热过程的输出方程；确定飞轮本体参数；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。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；第一换热面为飞轮转子与轴向填充气体的接触面；第二换热面为轴向填充气体与水冷液体的接触壁。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。4.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，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；飞轮储存能量的部件只有填充气和换热壁；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。5.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，所述飞轮散热能量流模型包括：飞轮轴向填充气体等效热流体热阻R
h,1
、飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
c,1
、飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻R
h,2
、飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻R
c,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R
h,1
的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
c,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R
h,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R
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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R
h,1
的一端和飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
c,1
的一端的连接点对应飞轮轴承温度T
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，飞轮轴向填充气体等效热流体热阻R
h,1
的另一端对应飞轮轴向填充气体温度T
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，飞轮轴向填充气体等效冷流体热阻R
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的另一端对应第一段冷却水入口温度T
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；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R
h,2
的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻R
c,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R
h,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R
c,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R
h,2
的一端和飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻R
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的一端的连接点对应飞轮容器壁温度T
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，飞轮冷却水换热壁等效热流体热阻R
h,2
的另一端对应飞轮冷却水温度T
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，飞轮冷却水换热壁等效冷流体热阻R
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的另一端对应第二段冷却水入口温度T
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；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T
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，第五电源的正极对应第二段冷却水出口温度T
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，第三电源的负极对应飞轮冷却水出口温度T
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。6.根据权利要求5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，所述状态空间方程为...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪烽，赵宇峥，季卫鸣，郝俊红，房方，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：