一种变频压缩机节能制冷控制系统及方法与流程

本技术涉及制冷设备变频控制，具体涉及一种变频压缩机节能制冷控制系统及方法。

背景技术：

1、变频压缩机制冷技术通过连续调节压缩机的运行频率，使系统输出的制冷量实时跟踪被控空间的实际热负荷，从而在部分负荷工况下相对定频系统显著降低能耗，已广泛应用于空调、冷藏、冷冻及各类恒温设备。在这类系统中，热负荷越轻，控制系统给出的运行频率越低，压缩机在低频区间长时间运行成为其节能运行的常态。随着离网光伏供电、疫苗冷链、生物样本保存与精密恒温等应用的兴起，压缩机长时间稳定停留在很低频率区间连续运行的工况日益普遍，对变频控制在低频区间的运行品质提出了更高要求。

2、变频制冷系统在低频运行时，制冷系统内部存在一个随频率变化的自然规律。压缩机排量随运行频率下降而减小，制冷剂在蒸发器换热管及吸气管内的流动速度随之降低；而冷冻润滑油依靠随制冷剂一同循环的方式返回压缩机，制冷剂对润滑油的携带能力强烈依赖于流速。当制冷剂流速低于携带润滑油所需的临界流速时，一部分润滑油会从制冷剂中析出、附着于蒸发器换热管内壁并滞留其中；蒸发温度越低，制冷剂对油的溶解度越小、润滑油的粘度越大，析出与滞留越严重。滞留在蒸发器内的油膜覆盖换热表面，形成附加的油膜热阻，使该处的传热系数下降，蒸发器的实际换热能力随运行时间逐渐衰减。

3、针对低频运行下的润滑油返回困难，现有技术普遍基于最坏情形的保守预设加以处理，或设定压缩机的最低运行频率下限，或按固定的时间间隔强制拉高运行频率以冲刷管路存油，或在管路上加装油弯、气液分离器、回油旁通等硬件辅助回油。然而，这些手段并不获知蒸发器内部真实的存油状态，无法回答当前时刻究竟滞留了多少润滑油，因而只能以固定周期或固定阈值触发回油动作。其后果是，在存油尚少时也可能被迫拉高频率而牺牲节能与温度平稳，或在存油已多时仍未及时清除而任由换热能力持续衰减，回油动作与实际存油量之间缺乏匹配，难以做到按需实施。

4、与此同时，现有的变频频率控制技术，无论是基于室温、盘管温度、压力等阈值分段决定停机、降频、限频的阈值型控制，还是由冷量需求反算目标频率的需求型控制，抑或以能效系数最优为目标进行寻优的智能型控制，普遍隐含一个前提假设，即压缩机运行频率与系统制冷量之间的对应关系是相对固定、可预先标定的，并将蒸发器的换热能力视为不随时间漂移的已知特性。然而，在低频运行长期累积存油的工况下，该对应关系会因换热能力的缓慢衰减而悄然偏离标定值。上述控制技术缺乏对这一漂移的感知手段，仍按固定对应关系换算目标频率，其调节结果与实际制冷需求之间的偏差随运行时间不断扩大，节能与控温效果均随之劣化。

5、现有的制冷软测量与故障诊断技术，虽已能借助电流、振动、温度、压力等信号推断蒸发温度、制冷量等性能参数，或识别若干典型的离散故障，但其目标在于测得某个可定义的性能量或判断是否发生某类故障。这类技术能够察觉系统换热能力或运行性能的下降，却难以进一步区分该下降究竟源于被控空间热负荷的真实变化，还是源于蒸发器内部存油累积所致的换热衰减。事实上，这两种成因在温度、压力、过热度等可测信号的表象上呈现高度相似甚至一致的特征，仅凭对稳态偏差的被动观测难以将二者分开；而在应对上二者却要求截然相反的频率调节方向，若将存油累积所致的换热衰减误读为热负荷的增大或减小并据此调节频率，反而会使系统更深地陷入不利于回油的低频运行区间。现有技术对这一成因相同而应对相反的问题尚未提出有效的分辨手段。

6、上述困难在一类特殊应用场景中被显著放大。以离网光伏疫苗冷藏箱、超低温生物样本冷冻箱、精密恒温柜为代表的低漏热、高保温、要求长时间平稳控温的制冷设备，为追求节能与温度平稳，在设计上就期望压缩机长时间稳定停留在很低的频率区间连续运行，而非像常规空调那样在高低频之间频繁往复。恰恰是在这种持续的深度低频工况下，携带润滑油所需的流速阈值被长期、稳定地无法满足，蒸发器内的存油从常规系统中偶发、可被高频运行自然清除的短暂现象，转变为持续单调增长、难以自发消散的长期状态。对于离网光伏供电场景，可用电力还随光照条件波动，进一步压缩了通过高频运行清除存油的机会窗口；对于超低温场景，极低的蒸发温度使制冷剂对油的溶解度进一步下降，存油累积更为剧烈。在这些场景下，蒸发器内缓慢累积而又不可被回路传感器直接观测的存油状态，成为持续改变频率与制冷量对应关系的隐性因素，使得前述漂移与成因不可分辨的问题成为频率控制必须面对的首要障碍，而现有变频控制、回油控制与制冷软测量技术在这一交汇处均未能给出解决方案。

技术实现思路

1、针对变频压缩机制冷系统在深度低频连续运行下，蒸发器内因低频回油困难而缓慢累积的存油量不可被回路内传感器直接观测、却持续且非线性地改变运行频率与实际制冷量对应关系的隐性漂移问题，以及真实热负荷变化与存油致换热衰减在蒸发温度、吸气压力、过热度等可观测表象上高度相似、却要求截然相反的频率调节方向而现有控制系统无法将二者分辨的技术问题，本发明提供一种变频压缩机节能制冷控制系统及方法。本发明的目的在于，从可测信号中反演蒸发器不可观测的存油状态，并据以将真实热负荷与存油致换热衰减加以分离、进而在线修正频率控制的对应关系并按需实施回油，在保障蒸发器回油、维持温度平稳的前提下打破低频运行加剧存油、存油衰减又被误读为降频依据的自我强化闭环，实现变频压缩机的节能制冷控制。

2、本发明的一方面，提供一种变频压缩机节能制冷控制方法，其特征在于，包括：

3、步骤一，采集变频压缩机制冷系统的回路可测信号并预处理，得到反映系统运行状态的物理量时序，所述回路可测信号包括蒸发温度、吸气压力、吸气过热度、压缩机运行电流、运行频率及被控空间温度；

4、步骤二，构建机理约束的存油状态观测器，以析出累积速率与回油清除速率之差表达蒸发器存油量的时间变化率，所述差值表达式构成蒸发器存油量的演化模型，从所述物理量时序中反演蒸发器不可直接观测的存油状态并输出存油状态估计值；

5、步骤三，对蒸发器等效换热能力表征量相对其无存油基准值的偏差进行双通道解耦，分离为真实热负荷分量与存油致换热衰减分量；

6、步骤四，依据所述存油状态与所述真实热负荷分量在线修正运行频率与制冷量的对应关系，仅按所述真实热负荷分量确定所需制冷量，并将所需制冷量经修正后的对应关系计算为目标运行频率；

7、步骤五，将所述目标运行频率输出至变频驱动器，驱动压缩机运行。

8、具体地，步骤一中按固定采样周期采集上述回路可测信号并进行滤波与去噪，剔除异常跳变值，从而得到平稳可用的物理量时序。除上述回路可测信号外，还可采集冷凝温度、排气压力、排气温度、压缩机输入功率、目标控温值等信号，以更完整地表征系统运行状态。优选地，还采集环境温度、开门信号或光伏输入功率作为外部扰动量，以供后续负荷分量估计使用。

9、进一步地，步骤一还包括：由所述运行频率、所述吸气压力与所述吸气过热度依据压缩机容积效率关系估计制冷剂质量流量，并结合蒸发器换热管几何参数与制冷剂密度换算得到蒸发器及吸气管内的制冷剂表观流速；由所述蒸发温度、所述被控空间温度与所述制冷剂质量流量估计蒸发器当前的等效换热能力表征量。所述制冷剂表观流速作为驱动存油状态演化的关键物理量，直接决定制冷剂对润滑油的携带能力；所述等效换热能力表征量反映在给定温差与流量下蒸发器实际传递的热流，是后续反演存油状态与解耦负荷的核心观测量。

10、对于步骤二，构建并在线运行机理约束的存油状态观测器，所述存油状态以蒸发器存油量或与之对应的油膜热阻表征。具体地，步骤二中所述析出累积速率为所述制冷剂表观流速低于携带临界流速的欠速程度以及所述蒸发温度所决定的油溶解度与油粘度的增函数，所述回油清除速率为所述制冷剂表观流速高于所述携带临界流速的超速程度的增函数，所述携带临界流速随所述蒸发温度与制冷剂物性变化；所述存油状态观测器中难以精确建模的残差采用物理约束神经网络拟合，该物理约束神经网络以所述制冷剂表观流速、所述蒸发温度、所述吸气过热度与运行时长为输入，输出对所述析出累积速率与油膜热阻的修正量，并强制满足存油量非负、累积速率随所述欠速程度单调、油膜热阻随存油量单调的物理约束。上述演化模型遵循制冷剂对润滑油的携带自然规律，将存油量的时间变化率表达为析出累积速率与回油清除速率之差，物理约束的施加避免了神经网络在数据稀疏区给出违背自然规律的估计结果。

11、进一步地，步骤二还包括：将所述油膜热阻叠加于蒸发器换热热阻，得到受存油影响的等效换热能力，并映射为在当前运行频率下达到目标温度所需的运行代价；以所述等效换热能力表征量与所述运行代价为观测量，采用状态观测器对所述存油状态递推估计，使观测模型输出与实测观测量之间的偏差最小，输出存油状态估计值及其不确定度。由此在无直接存油传感器的条件下，持续从可测信号中反演蒸发器不可观测的存油状态，所输出的不确定度供后续频率修正与回油权衡评估估计可信程度。

12、对于步骤三，对步骤一所得等效换热能力相对于其无存油、无附加衰减基准值的偏差进行双通道解耦判别。具体地，步骤三包括：提取所述偏差在多个时间尺度上的变化速率、单调性、可逆性以及与外部扰动量的相关性；采用时序特征提取网络对上述特征进行处理，输出所述真实热负荷分量与所述存油致换热衰减分量的比例，并以步骤二输出的存油状态估计值作为所述存油致换热衰减分量的先验约束，使两分量之和与所述偏差一致；其中所述真实热负荷分量响应频率调节而快速可逆且与所述外部扰动量相关，所述存油致换热衰减分量随深度低频运行时长缓慢单调累积、对频率变化响应迟缓且具滞回特性。所述解耦利用了真实热负荷变化与存油累积在动态特征上的本质差异进行归因：前者随环境温度、开门、光伏输入等外部扰动量变化且响应频率调节而快速可逆，后者呈现随运行时长累积的路径依赖特性，从而将在温度、压力、过热度等表象上混同的两种成因区分开来。

13、进一步地，步骤三还包括：向所述运行频率叠加幅值与占空受被控空间温度平稳带约束的微小频率扰动作为激励，对所述等效换热能力表征量相对该微小频率扰动的响应提取频域对称性与时域滞回面积；所述真实热负荷分量对正负向扰动呈快速对称响应，所述存油致换热衰减分量呈现滞回面积，以该滞回面积作为所述存油致换热衰减分量的观测量反馈至所述存油状态观测器。所述微小频率扰动的幅值与占空以不破坏被控空间温度平稳为前提，从而在不影响控温品质的条件下，进一步提升真实热负荷分量与存油致换热衰减分量两成因分离的可靠性，并为存油状态观测器提供一个直接反映存油致衰减的观测量。

14、对于步骤四，依据步骤二的存油状态估计值与步骤三分离所得真实热负荷分量在线修正频率与制冷量的对应关系。具体地，以存油状态估计值对应的油膜热阻修正标称的频率与制冷量对应关系，得到反映当前存油致换热衰减的实时对应关系，使控制系统在同一目标制冷量下给出计入换热衰减的目标运行频率；仅依据分离所得真实热负荷分量确定所需制冷量，避免将存油致衰减误计入负荷而错误降频；将所需制冷量经修正后的对应关系换算为目标运行频率并输出至变频驱动器，驱动压缩机运行。进一步地，当步骤三判定换热能力下降主要来自存油致衰减而非真实负荷减小时，控制系统抑制继续降频的倾向，从而打破低频运行加剧存油、存油衰减又被误读为降频依据的自我强化闭环。

15、进一步地，所述方法还包括步骤六，进行存油感知的回油与节能动态权衡：将节能目标、控温偏差目标与存油累积所致的未来换热衰减代价纳入滚动时域的目标函数，并以所述蒸发器存油量的演化模型作为状态约束；在滚动时域内求解使所述目标函数最优的运行频率序列，当存油状态估计值超过随所述蒸发温度与运行条件变化的动态阈值时，输出幅值与持续时间与所估计存油量相匹配的回油频率提升，使制冷剂表观流速超过润滑油被制冷剂携带返回压缩机所需的携带临界流速以清除存油；回油完成后由所述存油状态观测器确认存油状态估计值回落，结束回油并恢复节能运行。由此，回油量与提升幅度按估计存油量按需确定而非按固定时间间隔实施，避免了保守预设下过度或不足的强制油冲刷。优选地，所述动态阈值与回油时机在保证被控空间温度不越出允许控温带的约束下确定，以兼顾回油需求与温度平稳。

16、进一步地，对于离网光伏供电的疫苗冷藏或超低温生物样本冷冻连续运行场景，将光伏可用功率窗口作为约束或激励纳入所述滚动时域的目标函数的求解，使所述回油频率提升优先安排在光伏功率充裕的时段；对于超低温场景，所述存油状态观测器依据所述蒸发温度对所述携带临界流速与所述析出累积速率的依赖进行修正。由此在维持疫苗或生物样本所需控温带的同时以最小必要幅度与频次完成按需回油，并使存油状态估计与回油决策适配蒸发温度极低导致油溶解度显著下降、存油累积加剧的极低蒸发温度工况。

17、进一步地，所述方法还包括：所述存油状态观测器在运行过程中依据实测观测量与预测量的偏差进行在线自适应更新，以适应制冷剂充注量、蒸发器结构与润滑油牌号的个体差异。由此在长期运行中持续修正存油状态估计与频率控制，使方法无需针对每台设备逐一标定即可适应不同机型与工况的个体差异。

18、本发明的另一方面，提供一种变频压缩机节能制冷控制系统，其特征在于，包括：

19、信号采集与预处理模块，用于采集变频压缩机制冷系统的回路可测信号并预处理，得到反映系统运行状态的物理量时序，所述回路可测信号包括蒸发温度、吸气压力、吸气过热度、压缩机运行电流、运行频率及被控空间温度；

20、存油状态观测模块，用于构建机理约束的存油状态观测器，以析出累积速率与回油清除速率之差表达蒸发器存油量的时间变化率，所述差值表达式构成蒸发器存油量的演化模型，从所述物理量时序中反演蒸发器不可直接观测的存油状态并输出存油状态估计值；

21、负荷与存油解耦判别模块，用于对蒸发器等效换热能力表征量相对其无存油基准值的偏差进行双通道解耦，分离为真实热负荷分量与存油致换热衰减分量；

22、频率控制修正模块，用于依据所述存油状态与所述真实热负荷分量在线修正运行频率与制冷量的对应关系，仅按所述真实热负荷分量确定所需制冷量，并将所需制冷量经修正后的对应关系计算为目标运行频率后输出至变频驱动器，驱动压缩机运行；

23、回油节能权衡模块，用于依据所述存油状态估计值进行存油感知的回油与节能动态权衡。

24、所述系统的信号采集与预处理模块、存油状态观测模块、负荷与存油解耦判别模块、频率控制修正模块以及回油节能权衡模块分别对应执行上述各步骤，其中信号采集与预处理模块、存油状态观测模块、负荷与存油解耦判别模块依次执行步骤一至步骤三，频率控制修正模块执行步骤四与步骤五，回油节能权衡模块执行步骤六，各模块的功能与对应方法步骤的记载方式保持一致，并将修正后的目标运行频率输出至变频驱动器以控制压缩机运行。

25、本发明的有益效果在于，通过机理约束的存油状态观测器从回路可测信号中反演蒸发器内不可观测的存油状态，无需在蒸发器内加装存油传感器即可回答当前时刻究竟滞留了多少润滑油，克服了现有低频回油技术一律基于最坏情形保守预设、不获知真实存油状态的局限；通过双通道解耦判别，将真实热负荷变化与存油致换热衰减这一对在蒸发温度、吸气压力、过热度等可观测层面高度混同、在频率调节方向上却截然相反的成因加以分离，使控制系统不再将存油致衰减误读为热负荷增大而错误降频，从而打破低频运行加剧存油、存油衰减又被误读为降频依据的自我强化闭环；在此基础上在线修正频率与制冷量的对应关系并仅按真实热负荷确定所需制冷量，使运行频率跟踪的是真实负荷而非被隐性漂移污染的对应关系，保证了节能运行的准确性；进一步通过将节能目标、控温偏差目标与未来换热衰减代价纳入滚动时域优化、按估计存油量按需实施幅值与持续时间相匹配的回油频率提升，替代了固定时间间隔的强制油冲刷，在保障蒸发器回油、维持被控空间温度平稳的前提下实现节能运行；对于离网光伏疫苗冷藏、超低温生物样本冷冻与精密恒温等长时间深度低频连续运行的特殊场景，通过将光伏功率窗口纳入优化、依据极低蒸发温度修正观测器、并对个体差异在线自适应更新，使方法与系统在这些常规变频控制难以奏效的场景下仍能兼顾回油、控温与节能，具有显著的实用价值。