一种间歇运行模式下变频压缩机制冷系统的节能控制方法

本发明属于制冷系统运行控制，具体涉及一种间歇运行模式下变频压缩机制冷系统的节能控制方法。

背景技术：

1、由于变频压缩机具备变速调节冷量输出的能力，已在商用冷柜、物流冷库以及家用冰箱等制冷场景中得到了广泛应用，通过连续改变压缩机频率以匹配系统热负荷，理论上可以实现精确控温和高效运行。然而，在实际运行中，变频压缩机制冷系统仍然面临着以下技术问题：

2、第一，变频压缩机最小连续冷量输出与系统低负荷需求的匹配问题。变频压缩机虽然能够调节转速，但在低速运转时，受限于电机的运行效率下降、整机共振频率避让以及机械轴承润滑油压力不足（导致压缩机回油困难及磨损加剧）等物理限制，压缩机的频率调节范围存在一个下限值，即最小限制运行功率/转速。但是，在低热负荷工况下，即使压缩机处于最低限制功率/转速连续运行，其最小连续冷量输出仍然会超过制冷系统当前的低热量输入需求。为防止系统过冷造成柜内储藏物出现冻损，控制系统只能关停压缩机，被迫进入频繁启停的间歇运行模式。

3、第二，瞬时运行功率最小化与周期总能耗最小化的矛盾问题。现有的变频压缩机控制策略（如常规pid或基于瞬时状态反馈的控制）主要以瞬时控温偏差或瞬时运行功率最小化为目标。但在间歇运行模式下，压缩机的瞬时运行功率与该状态下的制冷量呈非线性单调关系，单纯降低开机阶段的压缩机瞬时运行功率，会使蒸发器制冷能力减弱，从而明显延长达到停机温度所需的开机时长。由于系统压缩机的总能耗是运行功率随时间的积分，较长开机时长所带来的能耗累积，往往远大于瞬时功率降低所节省的能量，以完整开关机周期为单元进行核算时，系统总能耗反而会升高，即瞬时功率最小化不等价于周期能耗积分最小化。

4、第三，柜内空间温度分布与关机时长的耦合影响问题。制冷系统内部是由流体对流、传热温差以及空间包络结构共同构成的复杂三维非平衡态温度场，压缩机处于不同开机功率时，蒸发器温度和柜内空气循环流速不同，进而导致柜内三维温度分布的均匀度产生显著差异。即便控制温区的主传感器节点达到了相同的停机触发值，如果开机段功率设置不合理导致空间温度场梯度偏大，那么关机后，随着柜内温差的传热松弛以及外部热负荷渗入，主传感器的温升速率会显著加快，进而缩短关机时长。因此，开机功率设定、柜内温度分布梯度、停机后的温降阻尼及松弛速度、以及关机时长之间存在着深刻的耦合关系，现有技术在间歇运行控制中均将其视为解耦和孤立的过程，忽视了开机功率设定对停机周期的温升影响，导致系统周期的总能效下降。

5、第四，先进控制算法计算复杂度与低成本控制器计算算力之间的矛盾问题。为了处理上述多变量耦合和预测未来的开关机时序，必须引入模型预测控制。然而，由于压缩机启停是非连续的离散事件，且制冷系统具有高度非线性，标准的模型预测控制通常需要求解混合整数非线性规划（minlp）问题。此类问题计算复杂度较高，使得先进的控制策略难以在资源受限、算力较小的冰箱控制器或低成本嵌入式控制器上实时部署。

6、综上所述，现有制冷系统控制策略缺乏一种能够同时解决调频受限、周期能耗积分最优化、功率与关机时长耦合以及算法轻量化嵌入式部署的综合节能控制方法。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种间歇运行模式下变频压缩机制冷系统的节能控制方法。

2、本发明的技术解决方案是：一种间歇运行模式下变频压缩机制冷系统的节能控制方法，执行如下步骤：

3、步骤1.采集当前时刻变频压缩机制冷系统的运行数据；

4、步骤2.对运行数据进行预处理并形成系统状态向量；

5、步骤3.判定压缩机是否到达预设周期开机时刻，或处于开机状态且满足预设触发条件，是，进行步骤4；否，进行步骤5；

6、步骤4.调用预设开机预测模型，预测本周期剩余开机时长、关机时长、最低柜温和最高柜温，以预设成本函数、功率约束条件及柜温约束条件构建带约束优化问题并求解，得到最优压缩机设定功率，依据最优压缩机设定功率对制冷压缩机进行调控，返回步骤1；

7、步骤5.判定压缩机是否处于关机状态且满足预设触发条件，是，进行步骤6；否，进行步骤1；

8、步骤6.调用预设关机预测模型，预测本周期剩余关机时长，根据本周期剩余关机时长更新下一周期开机时刻，返回步骤1。

9、优选的所述步骤1是同步采集柜内温度、环境温度、环境湿度、蒸发器温度、冷凝器温度、压缩机运行功率、压缩机启停状态、压缩机当前状态持续时间以及累计运行电能。

10、优选的所述步骤2是对运行数据进行异常值剔除、低通滤波和标准化处理，定义当前时刻的系统状态向量为：

11、；

12、其中，、、、、分别为当前时刻的柜内温度、环境温度、环境湿度、蒸发器温度、冷凝器温度，所述上标t表示向量转置。

13、优选的所述开机预测模型和关机预测模型，均采用多层前馈全连接神经网络，并利用历史开关机周期数据进行离线训练而成；

14、所述开机预测模型如下式所示：

15、；

16、其中，表示预测的本周期剩余开机时长，表示预测的本周期关机时长，表示预测的本周期最低柜温，表示预测的本周期最高柜温；表示上一周期关机时长、表示候选压缩机设定功率、表示本周期已开机时长，表示本周期累计运行电能；

17、所述关机预测模型如下式所示：

18、；

19、其中，为预测的本周期剩余关机时长，为本周期已关机时长。

20、优选的所述预设成本函数如下式所示：

21、；

22、所述功率约束条件如下：

23、；

24、其中，为压缩机最小运行功率，为最大运行功率；

25、所述柜温约束条件如下：

26、；

27、其中，为温度控制设定点，为允许的温度波动范围。

28、优选的所述柜温约束条件中引入安全裕度，具体公式如下：

29、；

30、其中，。

31、优选的所述预设触发条件如下式所示：

32、；

33、；

34、其中，和分别为上一次优化计算所采用的环境温度及环境湿度，和分别为环境温度变化阈值和环境湿度变化阈值。

35、优选的所述带约束优化问题的求解方式为：将所述带约束优化问题等价转换为二次规划问题，通过迭代线性化修正方式进行求解，迭代收敛后输出最优压缩机运行功率。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、（1）周期能耗能效优化：以开关机周期平均功率为优化目标，避免了瞬时功率优化导致开机时间过度延长的问题；通过滚动预测优化，实现预测时域内多周期总能耗的合理分配，降低了系统运行能耗。

38、（2）功率与开关时序协同：同时优化压缩机功率设定和开关机时序分配，充分利用功率设定对温度分布和关机时长的耦合作用，减缓温升并适当延长停机时间，实现更好的节能效果。

39、（3）降低计算负荷：将带约束优化问题等价转换为二次规划问题，通过迭代线性化修正方式进行求解，迭代收敛后输出最优压缩机运行功率，降低了在线计算的复杂度，便于在常规的微控制器上运行部署。

40、（4）事件触发机制的高效性：采用事件触发计算策略，仅在开机时刻和环境扰动超阈值时进行重算，避免了固定时钟周期计算带来的多余计算资源开销，提高了控制效率。

41、（5）扰动自适应恢复与噪声平抑：通过低通滤波平抑传感器干扰，且中途重算时将已累计的运行参数无缝作为输入，确保了控制决策的连续性与抗干扰能力。