張曉虎,羅隆福,李 勇,周 科
(1.湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙 410082;2.湖南文理學院電氣工程系,湖南常德 415000)
大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效測試新方法與工程實踐*
張曉虎1,2?,羅隆福1,李 勇1,周 科1
(1.湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙 410082;2.湖南文理學院電氣工程系,湖南常德 415000)
針對目前國內(nèi)外并沒有大功率整流系統(tǒng)的各部件損耗及效率的實時監(jiān)測儀器或平臺的現(xiàn)狀,提出了一種基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率整流系統(tǒng)能效測試新方法,并與傳統(tǒng)的能效測試方法的同步測量機理、能效分析方法進行了綜合比較.給出了一種直流大電流間接反演算法,并通過仿真和實驗驗證了算法的正確性和工程實用性.最后結(jié)合工程實踐,對能效測試新方法的具體實施過程進行了詳細的闡述.工程實例表明該能效測試方法可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率核算,并為提高其裝備效率及系統(tǒng)節(jié)能提供必要的依據(jù).
系統(tǒng)節(jié)能;能效監(jiān)測;光纖以太網(wǎng);多通道數(shù)據(jù)同步采集;直流大電流間接反演
目前大功率整流機組在電化學、冶金及軌道交通等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用,隨著社會對節(jié)能減排和清潔能源呼聲的日益高漲,這些高能耗領(lǐng)域的企業(yè)對整流機組的效率和電能質(zhì)量也更加關(guān)切,加上考慮到經(jīng)濟運行,企業(yè)對整流機組及各部件的損耗及效率和電能質(zhì)量測試需求也日趨強烈[1-3].但是,目前國內(nèi)外并沒有大功率整流系統(tǒng)的各部件損耗實時監(jiān)測平臺.傳統(tǒng)的大功率整流系統(tǒng)能效測試方法通常采用多臺電能質(zhì)量分析儀對整流機組進行一段時間的數(shù)據(jù)錄波,并通過復雜的人工計算獲得能效測試結(jié)果,因此該方法易產(chǎn)生人為誤差且不能實現(xiàn)大功率整流系統(tǒng)的實時在線監(jiān)測與能效分析.本文針對以上問題,提出了一種基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效測試新方法,并結(jié)合工程實例對能效測試方法的監(jiān)測原理及實施過程進行了詳細的闡述.結(jié)果表明該能效分析系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率核算,實現(xiàn)整流變壓器及整流器的損耗與效率研究,從而為提高裝備效率及系統(tǒng)節(jié)能提供必要的依據(jù).
新型12脈波整流系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由3部分構(gòu)成[4-6]:含有載調(diào)壓的新型整流變壓器及其配套全調(diào)諧感應(yīng)濾波裝置、三相全波晶閘管可控整流器、具有低電壓大電流特性的直流工業(yè)負荷.與常規(guī)整流系統(tǒng)相比,其添加了一個濾波繞組及其感應(yīng)濾波裝置,可在接近諧波源處進行諧波抑制
與無功功率補償,對于測量方案本身沒有本質(zhì)區(qū)別.閥側(cè)接線如圖2所示,采用同相逆并聯(lián)的閥側(cè)繞組在整流柜輸入處一分為二,通過12根銅排分別與4個整流橋相連接,每根母排流過全波電流.能效測試系統(tǒng)通過對交流網(wǎng)側(cè)、濾波側(cè)、低壓閥側(cè)及直流側(cè)4個測量點進行數(shù)據(jù)監(jiān)測,計算整流系統(tǒng)各部件的損耗及效率.圖1中標出了各測量點的位置,圖2中標出了閥側(cè)采集終端的配置方案.
圖1 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological graph of the large-power rectifier system
圖2 閥側(cè)繞組與整流柜連接及其測量點接線圖Fig.2 Wiring diagram of the valve side and rectifier cabinet and its measuring points
2.1 直流大電流間接反演與計算新方法
在化工、冶金等行業(yè)中應(yīng)用的變流系統(tǒng)容量越來越大,其中直流電流也在不斷增大,直流大電流的準確測量一直以來都是尚未有效解決的技術(shù)難題[7];目前測量直流大電流采用最多的為霍爾互感器,工作原理是將電流信號轉(zhuǎn)化為磁場測量,進而測量磁密或磁通、磁勢等方法來測量電流,但整流環(huán)境具有強腐蝕性和電磁干擾、諧波污染嚴重以及直流電流大等特點,其測量精度一般不能滿足要求[8-10].針對上述 直 流測量 方案 的缺 陷,本文 提出了一種基于閥側(cè)電流疊加反推算法的直流大電流間接反演與計算新方法,該方法已經(jīng)申請并獲得了國家發(fā)明專利“一種基于交流檢測的直流大電流間接測量的方法及裝置”(專利號:ZL201010578601.2).該反推算法的原理可簡單描述如下:
忽略換相過程和直流側(cè)電流脈動情況可推導交流側(cè)電流及其基波和各次諧波與直流電流的關(guān)系表達式如下:
式(1)表征了換流器直流電流與交流電流的變換關(guān)系.以上的分析可體現(xiàn)兩方面的特征:①交流信號經(jīng)過換流器非線性調(diào)制后轉(zhuǎn)化為具有一定諧波頻率的直流電流;②直流信號及諧波信號勢必引起交流側(cè)產(chǎn)生基波及諧波電流.
忽略了換向過程、直流側(cè)脈動及晶閘管阻容等條件,是為了減小換流器直流電流與交流電流的變換關(guān)系推導的復雜性,這肯定會在一定程度上影響其變換關(guān)系推導的準確性;但該部分推導的主要目的只是為了表征交直流電流之間具有較為嚴格的對應(yīng)關(guān)系,為后面給出的基于閥側(cè)交流電流疊加反推直流電流算法的設(shè)想提供理論支持與依據(jù),而并不作為交流反推直流的直接公式;本文將以此為理論分析基礎(chǔ),來闡述直流大電流間接反演算法的原理.
反演算法的原理是通過高精度交流電流互感器和測量終端對閥側(cè)三相正半波多路電流信號進行同步采樣處理,通過閥側(cè)正半波電流的疊加處理即可實現(xiàn)直流電流的反演與推算,圖3給出了交流電流到直流電流的反演示意圖.閥側(cè)疊加反演直流電流算法過程如下.
圖3 交流電流到直流電流的反演示意圖Fig.3 Inversion of schematic diagram for AC to DC
1)利用圖2所示測量終端同步采集閥側(cè)繞組接出的所有交流電流信號,形成n個具有s個采樣點的電流序列[i1[s]i2[s]…in[s]](n為閥側(cè)繞組接出的電流信號個數(shù),其數(shù)值與閥側(cè)繞組的接線方式有關(guān);s為采樣點個數(shù)),然后對in[s]數(shù)值進行判斷,若in[s]<0,則將in[s]置0;若in[s]>0,則保持in[s]數(shù)值不變.
2)對步驟(1)重新獲得的電流序列in[s]進行疊加計算,求得推算的直流電流序列id[s]:
2.2 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析算法
本節(jié)以圖2所示低壓閥側(cè)繞接線方式的12脈波整流系統(tǒng)為例來介紹能效分析算法.
2.2.1 整流系統(tǒng)各測量點有功功率的計算
對于交流網(wǎng)側(cè)和濾波側(cè),采用的是三相四線制測量方法,引入的電壓信號為相電壓,根據(jù)式(3)可得交流網(wǎng)側(cè)和濾波側(cè)有功功率PG和PF.US和IS分別為相電壓和電流采樣序列.
對于低壓閥側(cè),采用的是三相三線制測量方法,引入的電壓信號為線電壓,需進行線電壓到相電壓的轉(zhuǎn)換,根據(jù)式(4)可計算其4個橋的三相總有功功率PV1,PV2,PV3和PV4,則閥側(cè)總功率PV=PV1+PV2+PV3+PV4.U12S,U23S和U31S為線電壓采樣序列.
本文采用2種方式計算直流側(cè)平均功率:一種方式為根據(jù)直流霍爾互感器實際測量的直流電流計算直流側(cè)平均功率Pd,k W;另一種方式為根據(jù)本文第2.1節(jié)給出的基于閥側(cè)交流電流疊加反推直流電流算法計算直流電流平均值來計算直流側(cè)平均功率Ptd,k W.兩種計算方式下最終獲得的能效分析結(jié)果將在本文第5.4節(jié)能效測試結(jié)果分析中給出.
2.2.2 整流系統(tǒng)各部件損耗的計算
整流機組總損耗即系統(tǒng)總損耗,主要包括:變壓器損耗PT和整流器損耗PR,分別為:
式中:PG為交流網(wǎng)側(cè)輸入有功功率;PF為濾波側(cè)有功功率;Ptd為直流側(cè)輸入有功功率;PZ為系統(tǒng)總損耗.
2.2.3 整流系統(tǒng)各部件效率的計算
整流系統(tǒng)各部件效率主要包括:變壓器效率ηT,整流器效率ηR以及整流機組總效率η.計算表達式為:
整流系統(tǒng)在實際工況下的運行效率,可按照下式推算其額定效率:
式中:ηt為整流系統(tǒng)在額定工況下的推算效率,%;η為整流系統(tǒng)在實際工況下的運行效率,%;Ud為整流系統(tǒng)測定運行效率時的實際輸出電壓,V;Itd為整流系統(tǒng)測定運行效率時的實際輸出電流,k A;Udn為整流系統(tǒng)的額定輸出電壓,V;Idn為整流系統(tǒng)的額定輸出電流,k A.
能效分析平臺可以從數(shù)據(jù)庫中查詢?nèi)我粫r間段內(nèi)的網(wǎng)側(cè)輸入電能WG及直流側(cè)輸出電能Wd:
式中:PGs,Pds分別為數(shù)據(jù)庫中存儲的網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)有功功率記錄,k W;Δt為相鄰兩個有功功率數(shù)據(jù)記錄存入數(shù)據(jù)庫的時間間隔.
任一時間段內(nèi)的系統(tǒng)電能效率ηq為:
根據(jù)12脈波工程實際安裝及運行情況,介紹一種基于電能質(zhì)量分析儀的工程現(xiàn)場能效測試方案,該方案能效測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用6臺日 本HIOKI公 司的 電能 質(zhì) 量分 析儀(HIOKI3198)對交流網(wǎng)側(cè)、濾波側(cè)、低壓閥側(cè)及直流側(cè)4個測量點進行同步數(shù)據(jù)采集.表1給出了現(xiàn)場測試配置表,包括測試儀器、互感器等.
圖4 能效測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Topological graph of energy efficiency testing system
表1 現(xiàn)場測量配置表Tab.1 Configuration table of field measurement
其中,閥側(cè)繞組接線方式與圖2相同,圖2中閥側(cè)終端1~4為4臺電能質(zhì)量分析儀(HIOKI3198).電能質(zhì)量分析儀(HIOKI3198)具備三相電壓及電流6個交流通道和1個直流通道,如圖4所示,直流側(cè)直流電壓及電流信號的采集分別由閥側(cè)的2臺電能質(zhì)量分析儀的直流通道完成.
1)同步數(shù)據(jù)采集方法.將6臺儀器對時后,設(shè)定所有儀器在同一時間采樣,定時事件觸發(fā)電能質(zhì)量分析儀同步錄波一段時間(分鐘、小時、天,可選);電能質(zhì)量分析儀采樣的數(shù)據(jù)可以保存為CSV文件,供能效分析算法調(diào)用.
2)能效分析方法.將6臺電能質(zhì)量分析儀(HIOKI3198)同步采集的數(shù)據(jù)全部保存為CSV數(shù)據(jù)文件,然后將數(shù)據(jù)代入第2節(jié)能效分析算法中,計算大功率整流系統(tǒng)各部件損耗及效率.
圖5給出了基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖.系統(tǒng)采用3層B/S模型,分為終端設(shè)備層、光纖以太網(wǎng)通信層和主站監(jiān)測層3個部分.終端設(shè)備層分別在交流網(wǎng)側(cè)、低壓閥側(cè)、濾波側(cè)、直流側(cè)4個測量點安裝自主設(shè)計的數(shù)據(jù)采集終端,實現(xiàn)各個測量點的數(shù)據(jù)同步采集及上傳;通信前置機實現(xiàn)終端設(shè)備層與主站監(jiān)測層的數(shù)據(jù)交互,并將采集的數(shù)據(jù)進行算法分析后存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,供大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析平臺分析調(diào)用,Web服務(wù)器則完成數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與監(jiān)測計算機的交互.
圖5 光纖以太網(wǎng)同步采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure diagram of the fiber optic Ethernet synchronous acquisition system
4.1 同步數(shù)據(jù)采集機理
如圖5所示,監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置網(wǎng)測采集終端為主采集終端,其他均為從采集終端,同步測量機理可簡單描述如下:首先通信前置機向主采集終端發(fā)送同步采集命令,主采集終端收到命令后向所有從采集終端發(fā)送同步脈沖(低脈沖),同步脈沖的下降沿觸發(fā)各采集終端外部中斷進行同步數(shù)據(jù)采集;采樣固定周期數(shù)據(jù)后,采樣數(shù)據(jù)依次通過串口轉(zhuǎn)光纖電路、光纖轉(zhuǎn)串口電路以及串口轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換器(即光纖以太網(wǎng)通信線路),最后經(jīng)由以太網(wǎng)交換機上傳到通信前置機;通信前置機對采樣數(shù)據(jù)算法分析后存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,供上位機能效分析平臺分析調(diào)用;接著通信前置機再次向主采集終端發(fā)送采集命令,重復以上過程.各采集終端利用光纖發(fā)射器HFBR-1414和光纖接收器HFBR-2412設(shè)計了串行口的TXD發(fā)送端和RXD接收端的TTL電平與光纖信號轉(zhuǎn)換電路以及光纖信號轉(zhuǎn)串口電路,無需購置市場上的串口轉(zhuǎn)光纖設(shè)備;既提高了采集終端的集成度,又減小了系統(tǒng)的硬件成本;且對于采集終端而言其通信使用的是串行口通信,而對于后臺PC機則使用的是TCP/IP通信,既減輕了采集終端的通信電路復雜度,又提高了與后臺PC機間的通信穩(wěn)定性.
4.2 能效分析方法
基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析方法的功能實現(xiàn)主要由通信前置機軟件和大功率整流系統(tǒng)能效分析平臺軟件實現(xiàn),可簡單描述如下:
1)首先由通信前置機軟件實現(xiàn)對所有測量點同步采樣數(shù)據(jù)的能效分析計算,計算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中.
2)然后進入大功率整流系統(tǒng)能效分析平臺,選擇要監(jiān)測的整流機組,在能效分析平臺界面上實現(xiàn)該整流機組的能效測試結(jié)果的圖表顯示及分析.
4.3 能效測試方法比較
1)同步采集方法比較.傳統(tǒng)方法:采用所有儀器對時后,定時觸發(fā)同步數(shù)據(jù)采集.由于無法實現(xiàn)準確對時,同步性能較差.
新方法:采用光纖同步觸發(fā)信號,觸發(fā)各采集終端外部中斷進行同步采集,同步性能較好.
2)能效分析方法比較.傳統(tǒng)方法:所有儀器均產(chǎn)生CSV文件,需要對逐個文件進行能效算法處理后,再綜合到一起才能獲得最終能效測試結(jié)果.整個過程處理復雜且均需人工操作,容易產(chǎn)生人為失誤且費時費力.更值得注意的是該方法只能實現(xiàn)某段時間的能效分析,不能實時在線監(jiān)測.
新方法:由通信前置機軟件實現(xiàn)各測量點數(shù)據(jù)的同步采集及能效算法分析,并將計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中,最后由大功率整流系統(tǒng)能效分析平臺調(diào)用圖表顯示分析.整個過程從數(shù)據(jù)采集到分析處理完全由監(jiān)測系統(tǒng)軟件自動完成,并且監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)大功率整流系統(tǒng)的長期實時在線監(jiān)測.
某電解錳整流系統(tǒng)實際項目,其額定直流輸出600 V,17.5 k A.系統(tǒng)電氣接線如圖6所示,單機組為等效12脈波(Y和Δ繞組共鐵心),采用同相逆并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式,閥側(cè)輸出4個聯(lián)結(jié)組,通過12根銅排分別與4個整流橋相連接,每套機組均配置了11次和13次單調(diào)諧濾波器,以作功補和濾波.圖6中標出了3,4號整流機組能效分析系統(tǒng)測量點.
5.1 基于光纖以太網(wǎng)的能效測試系統(tǒng)施工方案
本文主要介紹低壓閥側(cè)及直流側(cè)施工過程,如圖7所示,在整流柜側(cè)面安放電氣屏蔽柜1個,內(nèi)裝閥側(cè)采集終端4臺,直流側(cè)采集終端1臺.
閥側(cè)信號引入.1)電壓:在閥側(cè)12個銅排上安裝金屬鉤直接引線將電壓信號接入采集柜接線端子排(銅排間線電壓引入終端調(diào)理電路).2)電流:閥側(cè)銅排上套裝12個剛性開口羅氏線圈互感器,其積分器輸出信號接入采集柜接線端子排.
直流側(cè)信號引入.1)電壓:直接從直流銅排引線接入采集柜接線端子排.2)電流:直流銅排裝有直流霍爾互感器(變比為20 k A∶5 V),其積分器輸出接入采集柜接線端子排.
圖6 系統(tǒng)接線圖Fig.6 Wiring diagram for the system
圖7 低壓閥側(cè)施工接線圖Fig.7 Construction of the wiring diagram of valve side
5.2 新方法同步性能測試與分析
采樣通道間延時是衡量系統(tǒng)同步性能的重要指標[11].通道間延時可通過以下公式計算:
式中:θi和θj分別為2個不同的采集通道i和j對應(yīng)的初始時刻Ti0和Tj0各自的初始相位.則兩個通道間的通道延時Tij為:
考慮不同通道數(shù)據(jù)計算的信號頻率差異,取頻率為兩者均值,則式(12)變?yōu)椋?/p>
為了測試同步采集系統(tǒng)的同步性能,測試實驗為所有采集板的三相電壓及電流通道引入相同的交流標準源信號進行同步性能測試,表2給出了網(wǎng)側(cè)電壓及電流通道1與濾波側(cè)所有電壓及電流通道的同步性能測試結(jié)果,結(jié)果表明該同步采集方法完全符合能效分析系統(tǒng)的同步性能要求.
表2 同步性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of synchronization performance
5.3 直流大電流間接反演仿真驗證
本文針對該電解錳整流系統(tǒng)建立了仿真模型.圖8給出了相應(yīng)的直流電流仿真波形及由閥側(cè)交流電流疊加推算的直流電流波形.由圖8可見,閥側(cè)電流的正半波進行疊加推算出的直流電流波形與實際直流脈動波形基本重合.
圖8 直流波形對比Fig.8 Comparison between the wave of switch function calculation and simulated wave
表3給出了本方法推算值與仿真值對比,由表3可見,直流電流推算值與仿真值十分接近,誤差為0.053%~0.086%.
表3 推算值與仿真值對比Tab.3 Comparison of calculated value and simulation value
為了保證閥測交流電流數(shù)據(jù)采集的精度,選擇了高精度剛性開口羅氏線圈互感器(型號:TLGK),其出廠在國家高電壓計量站進行了校準,其中出廠編號為1301022的互感器(校準證書編號:201310083)校準檢定結(jié)果如表4所示.
表4 互感器校準結(jié)果Tab.4 Error detection resultsofCT
5.4 能效測試結(jié)果分析
表5給出了3,4號整流機組的能效測量結(jié)果,從表5中可以看出:
1)3號和4號整流機組的實測直流電流值與利用閥側(cè)交流電流疊加反推算法求得的直流電流大小差值分別為67.36 A和62.67 A,進一步證明了閥側(cè)交流電流疊加反推算法的可靠性及準確性,考慮到直流霍爾互感器的測量精度較低,實際測量值一般偏低,只能作為參考,這里主要以推算的直流電流計算的直流功率來計算整流系統(tǒng)各部件的損耗及效率;
2)兩套機組的變壓器效率均在98%以上,實測整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上,作為參考的實測整流機組總效率也在97%以上,根據(jù)推算直流電流算得的整流機組總效率更是在98%以上,有效地證明了該新型直流供電系統(tǒng)的高效性.
表5 能效測量結(jié)果統(tǒng)計Tab.5 The measuring result of energy efficiency
1)給出了大功率工業(yè)整流系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、能效測試內(nèi)容以及能效分析算法;
2)給出了一種基于閥側(cè)交流電流疊加反推直流電流的直流大電流間接反演與計算方法,并通過仿真驗證了此方法的正確性;
3)介紹了基于電能質(zhì)量分析儀的傳統(tǒng)能效測試方法以及基于光纖以太網(wǎng)通信的能效測試新方法,并對2種能效測試方法進行了綜合比較;
4)結(jié)合工程實踐,對基于光纖以太網(wǎng)的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效測試新方法的監(jiān)測機理、整體設(shè)計方案以及具體施工方法進行了詳細的闡述.結(jié)果表明該能效測試新方法可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率核算,實現(xiàn)整流變壓器及整流器的損耗與效率研究,從而為提高裝備效率及系統(tǒng)節(jié)能提供必要的依據(jù).
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A New Method of Energy Efficiency Measurement and Engineering Practice of Large Power Industrial Rectifier System
ZHANG Xiao-hu1,2?,LUO Long-fu1,LI Yong1,ZHOU Ke1
(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China;2.Dept of Electrical Engineering,Hunan Univ of Arts and Science,Changde,Hunan 415000,China)
Up to now there has been no special monitoring equipment or platform for the energy efficiency measurement of large power rectifier system.For this reason,a new method of energy efficiency measurement of large power rectifier system based on the fiber optic Ethernet communication was presented.In order to prove the advantages of the new method,this paper made a comprehensive and comparative study of the measuring principles,and the analytical method of energy efficiency.The method of indirect inversion of heavy direct current proves to be correct and can be well applied in practical projects through simulation and experiments.Finally,by combining with engineering practice,the specific implementation process of the new analytical method of energy efficiency was described.The project case indicates that the efficiency analytic method can correctly calculate the efficiency of the power-supply system of the industrial rectifier system,and can provide a proof of improving the efficiency of the equipments and saving the energy of the system.
energy saving;energy efficiency measurement;fiber optic ethernet;multi-channel synchronous data acquisition;indirect inversion of heavydirect current
TM930.1
A
1674-2974(2014)08-0065-08
2013- 10- 19
國家自然科學基金資助項目(51377001)
張曉虎(1978-),男,山東萊蕪人,湖南大學博士研究生
?通訊聯(lián)系人,E-mail:zxh1252@163.com