基于分布式物理圖網(wǎng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)能耗仿真方法研究

鄭鑫 邱澤晶 許湘蓮 劉婷 張珂斐

摘 要： 當(dāng)前，用能系統(tǒng)中各設(shè)備的能耗管理和節(jié)能診斷成為新興的研究熱點(diǎn)。一般的建模軟件僅關(guān)注系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而對(duì)于設(shè)備單元結(jié)構(gòu)的能耗特性無法提供針對(duì)性的分析方式。文章以在工業(yè)生產(chǎn)及電器設(shè)備中應(yīng)用普遍的變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用分布式物理圖網(wǎng)建模方法建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合Simulink平臺(tái)構(gòu)建了模塊化的設(shè)備能耗模型。仿真結(jié)果滿足能耗參數(shù)運(yùn)行的理論規(guī)律。該仿真研究方法可為能耗數(shù)據(jù)的觀測(cè)和分析提供新的思路。

關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速系統(tǒng)； 分布式物理圖網(wǎng)； Simulink； 能耗模型

中圖分類號(hào)：TP15；TM32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）12-01-04

Research on energy consumption simulation method of variable-frequency speed control system based on distributed physical net modeling

Zheng Xin1， Qiu Zejing1， Xu Xianglian3， Liu Ting3， Zhang Kefei2

（1. National Electrical Equipment Inspection & Engineering Efficiency Evaluation Center（Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074， China；

2. School of power and mechanical engineering， Wuhan University； 3. School of automation， Wuhan University of Technology）

Abstract： Currently， for the equipments in the energy-using system， energy consumption management and energy-saving diagnosis are becoming the research focus. However， general modeling software only focuses on the dynamic characteristics of the system， and cannot provide the targeted way of analyzing the energy consumption of the unit structure. To solve the problem， the common used variable frequency speed control system in industrial production and electrical equipment is chosen as the research object in this paper and the method of distributed physical net modeling is used to establish the mathematical model， and the modular device model of energy consumption is built with the Simulink. The simulation results satisfy the theory of energy consumption parameters. The research can provide a new idea for the observation and analysis of energy consumption data.

Key words： variable frequency speed control system； distributed physical net modeling； Simulink； energy consumption model

0 引言

節(jié)能減排成為設(shè)備研發(fā)的新趨勢(shì)，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)能耗管理系統(tǒng)、能耗仿真軟件、節(jié)能降耗方法等方面紛紛進(jìn)行了研究。在能耗管理系統(tǒng)方面，主要通過接入電能測(cè)量終端數(shù)據(jù)、電表數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等形成大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)；在能耗仿真軟件方面，EnergyPlus、DeST-s等建筑能耗軟件以圖形化界面為建筑負(fù)荷的模擬分析提供了多樣化的平臺(tái)[1-2]；在節(jié)能降耗方面，新型節(jié)能設(shè)備的替換方式、節(jié)能控制策略等方面都有許多新的研究成果。

在工業(yè)生產(chǎn)和電器設(shè)備中，風(fēng)機(jī)和水泵是最常見的機(jī)械設(shè)備。變頻調(diào)速技術(shù)作為成熟的節(jié)能方式普遍應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載系統(tǒng)的節(jié)能，因此有必要對(duì)其能耗特性進(jìn)行研究，以獲取系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式，提升系統(tǒng)節(jié)能潛力。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)能耗分析軟件應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造和能耗分析的方法進(jìn)行了闡述，類似的能耗分析軟件偏重于建筑能耗和空調(diào)總負(fù)荷的調(diào)控；TRNSYS軟件專業(yè)性強(qiáng)，能對(duì)泵類系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)仿真，輸出能耗參數(shù)，然而操作界面不夠友好，而且輸入?yún)?shù)中含有不便于實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5-6]從水泵配置、水泵選型、運(yùn)行模式、變頻調(diào)速技術(shù)等方面分析了其對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，認(rèn)為采用變頻調(diào)速技術(shù)的系統(tǒng)仍然存在能效提升點(diǎn)。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)通用變頻調(diào)速系統(tǒng)缺乏友好的能耗分析工具的現(xiàn)狀，通過對(duì)用能系統(tǒng)的工作機(jī)理和建模方法研究，建立能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從而借助MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建能耗仿真模型，為能耗數(shù)據(jù)的觀測(cè)和分析提供新思路。

1 能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

本文從設(shè)備靜態(tài)能耗、電能質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行能耗、節(jié)能評(píng)價(jià)四個(gè)方面建立針對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。①設(shè)備靜態(tài)能耗指標(biāo)：在設(shè)備初始狀態(tài)下，能反映設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)能耗狀況的指標(biāo)，包括電機(jī)效率、風(fēng)機(jī)效率。該指標(biāo)通過額定數(shù)據(jù)來確定。②電能質(zhì)量指標(biāo)：設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下，能反映電網(wǎng)電能質(zhì)量及設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量影響的指標(biāo)，包括三相/單相電壓、三相/單相電流、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、總視在功率、電壓不平衡度、電流不平衡度等。③設(shè)備運(yùn)行能耗指標(biāo)：設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下，反映設(shè)備及系統(tǒng)的耗能因素的指標(biāo)，包括電機(jī)運(yùn)行效率、電機(jī)負(fù)載率、風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、系統(tǒng)運(yùn)行效率等。通過對(duì)這些指標(biāo)的分析，能找到系統(tǒng)耗能優(yōu)化提升點(diǎn)，提出適用的節(jié)能改造方案。④節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)：在節(jié)能改造前后，反映設(shè)備及系統(tǒng)改造可行性的指標(biāo)，包括設(shè)備年節(jié)能量、設(shè)備年節(jié)電量、系統(tǒng)年節(jié)能量、系統(tǒng)年節(jié)電量、投資回收期等。通過這些指標(biāo)可對(duì)多個(gè)改造方案進(jìn)行可行性分析，確定最有價(jià)值的方案。

本文針對(duì)與系統(tǒng)運(yùn)行聯(lián)系緊密的電能質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備運(yùn)行能耗指標(biāo)建立模型，提供快速分析平臺(tái)。

2 分布式物理圖網(wǎng)思想

通常的建模方法存在多種缺陷。①電機(jī)具有多參數(shù)、非線性的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型難以描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。②將設(shè)備的多個(gè)參數(shù)作為輸入輸出，這些參數(shù)往往不便于實(shí)際測(cè)量，缺乏數(shù)據(jù)來源。③非重點(diǎn)參數(shù)存在于操作端口，影響使用的便捷性。④缺少針對(duì)設(shè)備單元的能耗分析端口，普通的觀測(cè)口無法直觀反映設(shè)備或系統(tǒng)的能耗狀況。在實(shí)際建模工作中，可采用分布式物理圖網(wǎng)建模思想解決這些問題。這種建模方法以實(shí)際物理單元的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理為建模依據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注模型的端口變量，具有物理概念清晰、模型描述方式普適的優(yōu)點(diǎn)[7]。

按分布式物理圖網(wǎng)建模理論，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)能量流和信息流被劃分為多個(gè)物理單元。其中能量流包括能量傳遞、轉(zhuǎn)換、供給、消耗和存儲(chǔ)五種關(guān)系；信息流主要體現(xiàn)在系統(tǒng)單元的物理結(jié)構(gòu)層次、幾何關(guān)系、結(jié)構(gòu)特性。劃分后的單元還需通過原理、規(guī)則的分析以函數(shù)關(guān)系和約束條件的描述封裝為模型。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，以系統(tǒng)的能量流及信號(hào)流為線索，按實(shí)際系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用已建成的各單元模型，搭建成系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真即可。

3 能耗仿真模型的構(gòu)建

為便于描述，本文以三相鼠籠式異步電機(jī)帶風(fēng)機(jī)負(fù)載為例進(jìn)行說明。首先根據(jù)系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)劃分部件。①電源：三相交流電壓。②電動(dòng)機(jī)：三相鼠籠式異步電機(jī)。③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。④工作機(jī)構(gòu)：風(fēng)機(jī)，當(dāng)使用變頻裝置時(shí)，風(fēng)機(jī)閥門開度最大。⑤控制設(shè)備：指變頻調(diào)速裝置。

三相交流電壓源來自于電網(wǎng)線路，提供的電源參數(shù)包括電壓幅值、頻率、相位，相當(dāng)于能量供給單元中的壓力源，采用三相正弦數(shù)學(xué)模型即可；系統(tǒng)中的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，考慮電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)的獲取，劃分端口時(shí)包括一個(gè)電氣端口，輸入三相交流電壓和電流，一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械端口，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積獲取功率指標(biāo)，整個(gè)電機(jī)相當(dāng)于能量轉(zhuǎn)換單元中的變換器，其數(shù)學(xué)模型根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)變換分析得到。一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于變速和傳遞轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于能量轉(zhuǎn)換單元中的轉(zhuǎn)換器，按照運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行折算得到；風(fēng)機(jī)將軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為葉輪上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上仍是機(jī)械能轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于能量轉(zhuǎn)換單元中的轉(zhuǎn)換器，劃分為一個(gè)輸入端口，輸入轉(zhuǎn)速，兩個(gè)輸出端口，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其數(shù)學(xué)模型通過狀態(tài)方程得到。變頻器通過調(diào)節(jié)異步電機(jī)電源頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，此處使用恒壓頻比和定子補(bǔ)償?shù)脑須w納數(shù)學(xué)模型。

變頻調(diào)速系統(tǒng)部件庫的基本信息如表1所示。

電網(wǎng)電壓經(jīng)變頻調(diào)速裝置轉(zhuǎn)換為頻率可控的三相交流電，作為異步電機(jī)的電氣輸入，其輸出為機(jī)械量，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，并通過變速將轉(zhuǎn)速傳遞至風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)流量的目的。依信息流和能量流的傳遞規(guī)律，異步電機(jī)系統(tǒng)模型框圖如圖2所示。

4 仿真應(yīng)用

首先將狀態(tài)方程以.m文件的形式定義為函數(shù)，在Simulink界面將函數(shù)文件寫入S-Function模塊，并加入可視化元素，封裝形成部件庫，并連接成為系統(tǒng)。借助Simulink的測(cè)量工具和scope、display查看工具可得到不同仿真狀態(tài)下各部件的輸出，例如電機(jī)定子電流、定子電壓、軸功率等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可進(jìn)一步計(jì)算出效率、功率因數(shù)。搭建形成的仿真模型如圖3所示。

仿真的運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為5s，仿真類型為變步長(zhǎng)，采用ode45算法，最大步長(zhǎng)、最小步長(zhǎng)、絕對(duì)精度設(shè)置為auto，相對(duì)精度設(shè)置為1e-3。以Y100L2-4型號(hào)的三相異步電機(jī)為例。設(shè)置0s時(shí)控制機(jī)構(gòu)輸出30Hz、132.8V的三相交流電壓輸送給異步電機(jī)，在3s時(shí)控制機(jī)構(gòu)的輸出躍變?yōu)?8Hz、167.7V的三相交流電壓。在前3s時(shí)，三相電動(dòng)機(jī)定子電流為穩(wěn)定的三相交流電流，工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速逐漸由0上升至穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)控制機(jī)構(gòu)的頻率突然提高時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子電流也隨之增大，并快速趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后波形仍保持為三相交流正弦，工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則緩慢增大，直至到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6。

該模型可用于模擬不同負(fù)載率下電機(jī)工作狀態(tài)。使用Simulink中的display模塊獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓幅值，根據(jù)負(fù)載率公式得到負(fù)載率的變化：

⑴

式中n1為異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，nN為異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，ns為異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，UN為異步電機(jī)額定工作電壓，US為異步電機(jī)實(shí)際工作電壓。

通過觀測(cè)點(diǎn)獲取電機(jī)輸出功率，借助Simulink功率測(cè)量模塊、傅里葉分析模塊，測(cè)量得到輸入功率和功率夾角，進(jìn)而得到電機(jī)效率和功率因數(shù)。應(yīng)用本文的模型，繪制出的電機(jī)效率-負(fù)載率變化曲線和功率因數(shù)-負(fù)載率變化曲線如圖7所示。在圖示區(qū)間范圍內(nèi)，功率因數(shù)隨負(fù)載率的升高而提高，效率隨負(fù)載率的升高呈先增后降的趨勢(shì)，滿足電機(jī)運(yùn)行曲線規(guī)律。

5 結(jié)束語

本文以變頻調(diào)速系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)出廠、安裝運(yùn)行，到節(jié)能改造，考慮期間的能耗因素，建立了詳細(xì)的能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，并以電能質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備運(yùn)行能耗指標(biāo)為分析依據(jù)，使用分布式物理圖網(wǎng)建模的思想構(gòu)建仿真模型。通過運(yùn)行驗(yàn)證了變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)的運(yùn)行規(guī)律，通過直接測(cè)量方式獲取電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步獲取功率、效率數(shù)據(jù)。對(duì)效率、功率因數(shù)的觀測(cè)結(jié)果表明，該參數(shù)隨負(fù)載率的變化趨勢(shì)符合理論規(guī)律。

相對(duì)于普通的仿真手段，本文對(duì)所提供的模型進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，僅針對(duì)能耗指標(biāo)相關(guān)的端口預(yù)留觀測(cè)點(diǎn)，且端口變量中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等都為易于測(cè)量的參數(shù)，無需復(fù)雜理論計(jì)算，減輕了人工分析的工作量。此外，本文關(guān)注于設(shè)備單元的能耗分析，而不僅是系統(tǒng)的整體負(fù)荷，操作也更為便捷。限于時(shí)間因素，本文對(duì)部分能耗指標(biāo)未作更為深入的分析，例如節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其在節(jié)能內(nèi)容中也占據(jù)著重要地位，對(duì)此可以考慮利用軟件分析的優(yōu)勢(shì)為節(jié)能改造工作提供先行決策，避免無效的工作量。

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