换流阀冷却系统空冷器的控制方法、电子设备及冷却系统与流程

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种用于换流阀冷却系统空冷器的控制方法、电子设备及冷却系统。

背景技术：

高压、特高压直流输电工程中，换流阀是实现能量转换的关键设备。换流阀内的可控硅元件在运行过程中产生很高的热量，为此需要循环冷却系统对其进行冷却。现有技术中，冷却系统包括循环冷却水。冷却水流经换流阀，温度上升并将产生的热量带出，与室外的空冷器(空气冷却器)进行热交换，使冷却水温度降至合理范围再次流回换流阀，由此形成冷却水的闭式内循环系统。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本申请提供一种换流阀冷却系统空冷器的控制方法，解决了由换流阀、空冷器传热模型的惯性特征和过长的冷却水管道导致的温度pi控制的滞后问题，提高了冷却系统温度控制的动态性能。

根据本申请一个方面，所述用于换流阀冷却系统空冷器的控制方法，包括：采集换流阀的运行参数，结合固有参数，计算所述换流阀的功率损耗值pv；采集空冷器的运行参数，结合固有参数，计算变频风机单元的换热量p1，以及计算工频风机单元的换热量p2，其中换热量p1包括：所述变频风机单元在最低运行频率fmin的换热量p1min，和所述变频风机单元在最高运行频率fmax的换热量p1max；根据所述换流阀的功率损耗值pv，所述空冷器的变频风机单元的换热量p1，以及所述空冷器的工频风机单元的换热量p2，结合所述换流阀冷却系统的热平衡原理，确定投入所述变频风机单元和所述工频风机单元的数量。

根据本申请一些实施例，所述换流阀包括：基于电网换相型换流阀，和/或电压源型换流阀。

根据本申请一些实施例，所述采集换流阀的运行参数，包括：通过直流控制保护系统实时采集所述换流阀的运行参数。

根据本申请一些实施例，所述采集所述空冷器的运行参数，包括：由相应传感器采集所述空冷器的进风温度tw_in、出风温度tw_out、进水温度tc_in以及出水温度tc_out。

根据本申请一些实施例，所述固有参数包括以下参数中的一种或多种：空气比热容c；换热面积a；所述工频风机单元换热效能ε；所述工频风机单元换热风量q；所述变频风机单元在最低运行频率fmin的传热系数kmin及风量qmin；所述变频风机单元在最高运行频率fmax的传热系数kmax及风量qmax。

根据本申请一些实施例，所述计算变频风机单元的换热量p1，以及工频风机单元的换热量p2，包括：通过换热器对数平均温差法或效能-换热单元法(ε-ntu)计算得出。

根据本申请一些实施例，所述空冷器包括：由多台热容量已知的空冷器并联而成；其中每台所述热容量已知的空冷器的部分风机配置变频器。

根据本申请一些实施例，所述变频风机单元包括：小组变频风机，由每台所述空冷器的两台变频风机组成；和/或大组变频风机，由多组同一位置的所述小组变频风机组成。

根据本申请一些实施例，所述工频风机单元包括：小组工频风机，由每台所述空冷器的两台工频风机；和/或大组工频风机，由多组同一位置的所述小组工频风机组成。

根据本申请一些实施例，所述确定投入所述变频风机单元和所述工频风机单元的数量，包括：

根据公式：

pv≈n1(p1min+p1max)/2+n2p2

使所述变频风机换热量的上下限的中间值与所述工频风机换热量之和最接近所述换流阀的功率损耗值pv，在所述变频风机优先启动的原则下，确定投入所述变频风机单元和所述工频风机单元的数量；其中n1为所述变频风机单元数，n2为所述工频风机单元数，p1min为所述变频风机单元在最低运行频率fmin的换热量，p1max为所述变频风机单元在最高运行频率fmax的换热量p1max。

根据本申请一些实施例，还包括：采集换流阀的冷却水数据；根据所述冷却水数据，计算得到所述变频风机的频率f0。

根据本申请一些实施例，所述冷却水数据包括：进阀温度、出阀温度或所述空冷器的出水温度中的至少一种。

根据本申请另一方面，还提供一种用于换流阀冷却系统空冷器的控制装置，包括：采集模块，用于采集所述换流阀的运行参数及所述空冷器的运行参数；计算模块，用于根据所述采集所述换流阀及所述空冷器的运行参数，计算所述换流阀的功率损耗值pv及计算所述变频风机单元的换热量p1，以及所述工频风机单元的换热量p2；确定模块，用于根据所述换流阀的功率损耗值pv，所述变频风机单元的换热量p1，以及所述工频风机单元的换热量p2，结合所述换流阀冷却系统的热平衡原理，确定投入所述变频风机单元和所述工频风机单元的数量。

根据本申请一些实施例，所述采集模块还用于采集所述冷却水数据。

根据本申请另一方面，还提供一种电子设备，包括：存储器，用于存储一个或多个程序；一个或多个处理单元，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，以实现如上所述的控制方法。

根据本申请另一方面，还提供一种换流阀冷却系统，包括：空冷器；如上所述的控制装置或如前所述的电子设备。

根据本申请一些实施例，还包括：偏差控制器，包括：pi控制器或pid控制器，用于通过所述偏差控制器基于冷却水温度和给定的温度期望值进行偏差调节，得到所述变频风机的频率指令。

采用本申请所提供的换流阀冷却系统空冷器的控制方法，由采集到的各运行参数接合固有参数得换流阀功率损耗的计算值和空冷器风机单元的换热量，根据热平衡原理确定投入风机单元的组数，同时通过冷却水数据可调节变频风机的运行频率。本申请不受基于冷却水温度控制导致的惯性和时延环节影响，实时性高，动态性能突出，并且预留足够的变频风机换热调节量以补偿功率损耗、换热量的计算值与实际值之间的误差，动态调节变频风机的运行频率，最终使冷却水温度控制在合理范围内，此类复合控制方法既改善温度控制的动态性能，又不会影响其稳态精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术的换流阀冷却系统空冷器的结构原理简图；

图2为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制方法流程图；

图3为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的结构原理简图；

图4为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的运行参数示意图；

图5为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的风机单元示意图；

图6为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制装置示意图；

图7为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制设备。

附图标记

101控制装置

103空冷器

105换流阀

307直流控制保护系统

309偏差控制器

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本申请的描述中，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或步骤等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的方框图不一定必须与物理上独立的实体相对应。可以采用软件、或在一个或多个硬件模块和/或可编程模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制装置中实现这些功能实体。

图1为现有技术的换流阀冷却系统空冷器的结构原理简图。

参见图1，换流阀的冷却系统包括控制装置101，空冷器103，换流阀105。其中所述控制装置101接收所采集到的冷却水数据并根据冷却水数据指令空冷器103应投入的风机单元组数既变频风机的运行频率，即随着换流阀105负荷的变化，调节空冷器投入风机数量及频率从而达到控制冷却系统中冷却水温度的目的。一方面，换流阀、空冷器等设备与冷却水的换热模型存在较大的惯性和时延环节，另一方面，随着特高压直流电换流阀额定功率的不断攀升，单套换流阀冷却容量、占地面积也越来越大，内循环系统的管道过长，导致冷却水在管道中循环一周需要时间较长，如果仅靠冷却水的温度采样值，将出现控制滞后问题，严重时导致空冷器风机频繁投切，冷却水温度波动较大，危及换流阀正常运行，因此较现有技术存在的如上缺陷，换流阀冷却系统空冷器的控制方法还有待改进和发展。

图2为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制方法流程图。

参见图2，根据示例实施例，在s201中，采集换流阀的运行参数，采集空冷器的运行参数。本申请所提供的空冷器控制方法可以适用的换流阀包括电网换相型换流阀或电压源型换流阀。其中采集换流阀的运行参数包括通过直流控制器保护系统307实时采集换流阀的运行参数，如图3所示。另外，采集空冷器的运行数据是通过相应的传感器采集图3中所示的空冷器103的进风温度tw_in、出风温度tw_out、进水温度tc_in以及出水温度tc_out，如图4所示的实施例的换流阀冷却系统空冷器的运行参数。

如图2所示，在s203中，结合固有参数，计算换流阀功率损耗值pv，计算变频风机单元的换热量p1，以及工频风机单元的换热量p2。固有参数同时包含有换流阀的固有参数和空冷器的固有参数，具体地，换流阀的运行参数通过换流阀数据手册或通过试验取得，空冷器的固有参数包括空气比热容c，换热面积a，工频风机单元换热效能ε，工频风机单元换热风量q，变频风机单元在最低运行频率fmin的传热系数kmin及风量qmin，以及变频风机单元在最高运行频率fmax的传热系数kmax及风量qmax。具体公式参见gb/t20989-2017高压直流换流站损耗的确定，以及基于电压源型换流器的换流阀功率损耗计算方法见gb/t35702.1-2017高压直流系统用电压源换流器的换流阀损耗。

根据本申请示例实施例，通过控制装置101计算变频风机单元的换热量p1，以及工频风机单元的换热量p2，包括通过换热器对数平均温差法或效能-换热单元法(ε-ntu)计算得出。具体地，空冷器变频风机单元的换热量p1包括变频风机单元在最低运行频率fmin和最高运行频率fmax的换热量p1min、p1max。

在s203中，如根据换热器对数平均温差法计算换热量，则公式如下：

p1min＝kminaδtm

p1max＝kmaxaδtm

p2＝kaδtm

式中，kmin、kmax分别为变频风机单元在最低运行频率和最高运行频率时的传热系数，k为工频风机单元的传热系数，a为风机单元的传热面积，δtm为对数平均温差，其计算式如下：

式中δtmax、δtmin分别(tw_in-tc_in)和(tw_out-tc_out)两者中之大者和小者。

另外，在s203中，如根据换热器效能-换热单元(ε-ntu)计算换热量，则公式如下：

p1min＝εminqminc(tw_in-tc_in)

p1max＝εmaxqmaxc(tw_in-tc_in)

p2＝εqc(tw_in-tc_in)

式中εmin、εmax和qmin、qmax分别为变频风机单元在最低运行频率、最高运行频率时的传热效能和风量，ε、q分别为工频风机单元的传热效能和风量，c为空气比热容。

参见图2，在s205中，利用热平衡原理，确定投入变频风机和工频风机单元的数量,同时温度期望值与冷却水温度经偏差控制器得到变频风机的频率指令。根据本申请示例实施例，图3中所示的空冷器103包括由多台热容量已知的空冷器并联而成，其中每台空冷器部分风机配置有变频器，构成变频风机。变频风机包括小组变频风机和大组变频风机，换流阀冷却系统空冷器的风机单元中，5台空冷器并联，每台空冷器配置14台风机并且其中的6台配有变频器，如图5所示。小组变频风机由每台空冷器中的两台变频风机组成，大组变频风机由多组同一位置的小组变频风机组成。此外小组工频风机由每台空冷器的两台工频风机组成，大组工频风机由多组同一位置的小组工频风机组成。在本实施例中，小组变频风机共15(n1m＝15)组，小组工频风机共20(n1m＝20)组，大组变频风机共3(n1m＝3)组，大组工频风机共4(n2max＝4)组。

在s205中，控制装置101可用来确定投入变频风机单元和工频风机单元数，计算公式如下：

pv≈n1(p1min+p1max)/2+n2p2

其中n1为变频风机单元数，n2为工频风机单元数，p1min为变频风机单元在最低运行频率fmin的换热量，p1max为变频风机单元在最高运行频率fmax的换热量p1max。是变频风机换热量的上下限的中间值与工频风机换热量之和最为接近换流阀的功率消耗值pv，在变频风机优先启动的原则下，确定投入变频风机单元和工频风机单元的数量。

具体地，以大组风机作为空冷器风机单元组为例，变频风机单元组数n1可氨下式计算，以满足变频风机优先启动原则：

式中，n1i为理想的变频风机单元组数，[]为取整符号。

在已确定变频风机单元组数n1的情况下，由以下计算式可确定工频风机单元组数n2：

式中，n2i为理想的工频风机单元组数。在本申请另示例实施例中，以小组风机作为空冷器风机单元组决策原则与大组风机类似，此处需要说明的是，在特定情况下，大组和小组可搭配作为风机单元投入使用，本申请不作限制。

此外，空冷器的控制方法还包括采集换流阀的冷却水数据，根据冷却水的数据计算变频风机的频率f0。在中冷却水数据包括进阀温度，出阀温度或空冷器的出水温度中的至少一种。如图3所示，由偏差控制器309计算频率，其中偏差控制器包括pi控制器或pid控制器，用于通过采集到的冷却水温度和给定的温度期望值进行偏差调节，得到频率指令。例如，温度期望值tref可设定为30℃，一旦冷却系统的控制器检测到空冷器的出水温度tc_out与温度期望值30℃产生偏差，偏差值作用于pi调节器，改变变频风机频率指令值fo，最终将空冷器出水温度tc_out控为30℃。

图6为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制装置示意图。

参见图6，根据示例性实施例，换流阀冷却系统空冷器的控制装置包括：采集模块601，用于采集换流阀运行参数和空冷器的运行参数；计算模块602，用于根据所采集的运行参数计算换流阀功率损耗值pv及计算变频风机单元的换热量p1，以及工频风机单元的换热量p2。以及确定模块603，用于根据换流阀功率损耗pv，变频风机单元的换热量p1，以及工频风机单元的换热量p2，结合换流阀冷却系统的热平衡原理，确定投入变频风机单元和工频风机单元的数量。此外，采集模块还可以用于采集冷却水的数据。

图7为本申请示例性实施例的换流阀冷却系统空冷器的控制设备。

下面参照图7来描述根据本申请的这种实施方式的电子设备200。图7显示的电子设备200仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图7所示，电子设备200以通用计算设备的形式表现。电子设备200的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元210、至少一个存储单元220、连接不同系统组件(包括存储单元220和处理单元210)的总线230、显示单元240等。

存储单元220存储有程序代码，程序代码可以被处理单元210执行，使得处理单元210执行本说明书描述的根据本申请各实施例的方法。

存储单元220可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)2201和/或高速缓存存储单元2202，还可以进一步包括只读存储单元(rom)2203。

存储单元220还可以包括具有一组(至少一个)程序模块2205的程序/实用工具2204，这样的程序模块2205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线230可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备200也可以与一个或多个外部设备300(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备200交互的设备通信，和/或与使得该电子设备200能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口250进行。并且，电子设备200还可以通过网络适配器260与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器260可以通过总线230与电子设备200的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备200使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本申请实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施例中记载的部分或全部步骤。

本领域的技术人员可以清楚地理解到本申请的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是单片机、fpga、plc、asic等。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为简单描述，故将其都表述为一系列的操作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的操作顺序的限制。依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案具有以下优点中的一个或多个。

采用本申请提供的换流阀冷却系统空冷器的控制方法，由换流阀功率损耗和风机单元换热量计算值，根据热平衡原理直接得出需投入的变频风机单元组n1和工频风机单元组数n2，不受基于冷却水温度控制导致的惯性和时延环节影响，实时性高，动态性能突出。另外，通过合理的变频风机单元组数n1和工频风机单元组数n2决策机制，预留足够的变频风机换热调节量以补偿功率损耗、换热量的计算值与实际值之间的误差，并由温度闭环pi调节器动态调整变频风机的运行频率，最终使冷却水温度稳定在合理范围内，这种“开环粗调+闭环细调”的复合控制方法既改善温度控制的动态性能，又不会影响其稳态精度。

以上描述本申请的示例实施例，但并非对本申请做任何形式上的限制。这些示例性实施例并不意图是穷举性的或者将本申请局限于所公开的精确形式，并且明显的是，在以上教导的启示下，本领域普通技术人员能够做出许多修改和变化。因此，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。