振蕩與瞬間過載情況下空壓機組啟動功率智能控制

劉開健，盧浙安，李啟鋒，柴虎

（中煤新集利辛發(fā)電有限公司，亳州 236700）

伴隨現(xiàn)代科學的進步和設計制造水平的提高，機械設備變得越來越復雜和精密。作為氣動控制系統(tǒng)的氣源裝置，空壓機為企業(yè)的其他設備提供動力，并具有節(jié)能環(huán)保、結構簡單等多種優(yōu)勢，其運行穩(wěn)定性和可靠性直接關系到工業(yè)生產(chǎn)安全[1]。由于早期電氣控制主要是繼電器線路，容易老化，操作靈敏度下降，空壓機在啟動時很容易產(chǎn)生功率不穩(wěn)定[2-3]，導致停機故障，嚴重影響工業(yè)生產(chǎn)進度，造成不可估量的損失。因此，需要重點分析空壓機組啟動功率控制這個問題，并提升工業(yè)制造的自動化水平，從而增強生產(chǎn)效率和減少損失。

就功率穩(wěn)定控制問題，學者們從不同角度進行充分研究：文獻[4]使用拉格朗日乘數(shù)法，將環(huán)流擬作變量，創(chuàng)建以直流側功率為核心的拉格朗日方程，得到最優(yōu)環(huán)流參照值，實現(xiàn)功率穩(wěn)定控制；文獻[5]運用快速傅里葉變換對波浪激勵力采取頻譜分析，組建直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)模型，利用卡爾曼濾波消除紋波，綜合Lyapunov 函數(shù)完成功率優(yōu)化控制。

上述方法在功率控制過程中取得了一定成果，但是針對工業(yè)空壓機組啟動過程存在明顯缺陷。主要是因為其中的儲能變流器會出現(xiàn)振蕩和瞬間功率過載問題，引起功率不平衡。為了彌補上述方法的不足，提出一種空壓機組啟動功率穩(wěn)定自動控制方法。解決了儲能變流器會出現(xiàn)振蕩和瞬間功率過載問題，實現(xiàn)了空壓機組功率的穩(wěn)定自動化控制。通過與傳統(tǒng)方法的對比實驗分析，進一步證明了提出的控制方法的可行性和有效性。

1 空壓機組啟動功率因數(shù)角補償

在功率信號監(jiān)測采集中，以微電網(wǎng)結構為基礎安置若干監(jiān)測點，考慮無功潮流與啟動瞬時功率相位差的波動狀態(tài)，儲能變流器會出現(xiàn)振蕩，本文通過功率因數(shù)角補償解決這一問題。

功率因數(shù)角是指交流電路中無功潮流與啟動瞬時功率之間的相位差的角度，是決定振蕩現(xiàn)象的主要因素。空壓機組運行時，電網(wǎng)輸出的電力會根據(jù)實際情況產(chǎn)生細微變化[6]，將電網(wǎng)隨機節(jié)點上的無功潮流表示為

式中：Di為節(jié)點上的分流電納；Uter為電源端的實時輸出電壓；Pi為節(jié)點在隨機時段的無功功率；Ui為隨機時段電壓值。

在空壓機組持續(xù)運行狀態(tài)下，采集其瞬時啟動功率，公式為

式中：U、A 為空壓機電壓與電抗；φ、θ 為輸出電壓與線路角度；BU為輸出電壓幅值。

將空壓機組功率因數(shù)角計算公式記為

式中：Cline為電力線路的電阻值。

當發(fā)生啟動振蕩問題時，功率因數(shù)角會發(fā)生明顯的缺陷，數(shù)理統(tǒng)計中，功率因數(shù)角異常分布通常較為集中，序列的均值、方差等統(tǒng)計特征有明顯不同[7]。將方差變化率的功率因數(shù)角變點擬作分組依據(jù)，功率因數(shù)角補償過程如下：

將空壓機運行過程的功率因數(shù)角數(shù)據(jù)集合表示為

式中：vi、pi為第i 個功率信號樣本的空壓機運行速度與功率；n 為總功率信號樣本數(shù)量。

求解每個變點的方差[8]，利用方差值衡量全部功率因數(shù)角的離散水平，記為

式中：si為第i 個點的方差；pj為第j 個點的功率；pˉi為第i 個點功率的均值。

將功率因數(shù)角的二次方和作為反饋，運用最小二乘法識別方差變化率a（i）。假設自變量x1，…，xr與因變量am都是變量i 的函數(shù)，xo（i）為i 的完全抑制非隨機函數(shù)，a（i）是隨機變量。在啟動狀態(tài)產(chǎn)生突變功率狀態(tài)下，方差變化率的計算公式為[9]

明確j 的具體數(shù)值后，功率因數(shù)角反饋數(shù)據(jù)的離散水平會越來越高，將其看作觸發(fā)信號的補償，把觸發(fā)角劃分成正常運行信號與補償運行信號兩部分，記作：

式中：Zn為功率正常觸發(fā)信號集；Zo為功率補償觸發(fā)信號集。進行啟動功率觸發(fā)信號補償是為了解決儲能變流器會出現(xiàn)振蕩的問題。通過補償離散程度較高的觸發(fā)信號，可以得到更穩(wěn)定的空壓機啟動功率信號。

2 空壓機組啟動功率瞬間過載的控制方法設計

空壓機組啟動功率瞬間過載，是指在空壓機啟動的瞬間，其所需的功率超過了電源或空壓機本身所能承受的功率極限，從而導致空壓機的電流過大、電壓下降、電機發(fā)熱嚴重等問題。為解決這一問題，常規(guī)按照接入點電壓與頻率的改變調(diào)節(jié)自身的功率輸入[11-12]，但是也需要考慮干擾問題。若電壓發(fā)生較大干擾，為約束儲能變流器的輸出功率，將儲能變流器對電壓波動所需調(diào)節(jié)的輸出功率記為

式中：?0為空載電網(wǎng)同步角速率；? 為電網(wǎng)同步角速率；F0為空載電動勢；F 為運行時的電動勢；q 為有功功率調(diào)節(jié)指數(shù)；r 為無功功率調(diào)節(jié)指數(shù)。

但是，僅依靠常規(guī)的技術無法實現(xiàn)瞬間功率穩(wěn)定控制。要依照真實狀況自動化調(diào)控F0和?0，在任何環(huán)境下均能保持啟動功率穩(wěn)定，調(diào)節(jié)原理為

式中：id（t）、iq（t）為逆變器電流分量；ed、eq為逆變器電壓分量；ud、uq為空壓機電壓分量；M、Lc為等效電阻與電感。

通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定控制參數(shù)并實施二者之間的自適應模式轉換，以保證電流內(nèi)環(huán)控制結構不變[14]，在切換時段進行平滑過渡，完成空壓機組啟動功率穩(wěn)定自動化控制目標。

3 實驗分析

為探究所提出的自動化控制方法的可用性，以GA160P-7.5 型號空壓機為例，算法控制板選擇雷諾爾軟啟動器控制板JJR1000，外接KCE-P/Q 功率傳感器。實驗參數(shù)設置：空壓機型號：GA160P-7.5；算法控制板：雷諾爾軟啟動器控制板JJR1000；功率傳感器：KCE-P/Q；額定功率：7.5 kW；啟動方式：軟啟動；啟動時間：10 s；功率因數(shù)：0.85；保護方式：過流、過壓、欠壓、過載保護。實驗過程中，應用5G 技術實現(xiàn)各個設備之間通信，5G 技術的高帶寬特性可以實現(xiàn)設備之間的高速互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，提高實驗效率和協(xié)調(diào)性。通過調(diào)節(jié)軟啟動器的參數(shù)，如啟動時間、限流值等，來觀察空壓機的啟動過程和功率變化。同時，通過功率傳感器實時監(jiān)測空壓機的功率，并將其傳輸至控制板進行分析和處理。這樣可以實現(xiàn)對空壓機啟動功率的有效控制，并提高其運行效率和穩(wěn)定性。

圖1 實驗現(xiàn)場設置Fig.1 Experimental site settings

在工業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件imcFAMOS 中進行實驗，實驗所需參數(shù)如表1 所示。

表1 功率自動化控制實驗參數(shù)Tab.1 Power automation control experimental parameters

假設空壓機系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，空壓機組啟動時，0.1～0.4 s 運行在空載狀態(tài)，在0.3 s后引入70 Ω 的負載，有功功率突變，此時無功功率為0。由于電流值和電壓值相比要小很多，為方便分析，把此實驗參數(shù)下的空壓機運行電壓電流表示成圖2 所示。

圖2 空壓機啟動階段的電壓與電流變化情況Fig.2 Voltage and current changes during the start-up phase of the air compressor

通過本文方法，結合控制器，采用三次功率因數(shù)角控制的方式，完成電流振蕩引起的有功功率突變控制。截取0.64～0.70 s 的波形，對比三次功率因數(shù)角補償后有功無功功率穩(wěn)定控制性能，結果如圖3 所示。

圖3 三次因數(shù)角補償后的振蕩功率控制對比Fig.3 Comparison of oscillation power control after triple factor angle compensation

下文設計空壓機組啟動功率瞬間過載的控制實驗，結果如圖4 所示。

圖4 空壓機功率控制響應曲線Fig.4 Power control response curve of air compressor

保持空壓機調(diào)節(jié)參數(shù)不變，在空壓機啟動運行的0.1 s 時引入負載轉矩，三次切換空壓機功率控制響應曲線如圖4 所示。由圖4 可知，所提方法通過三次切換，功率控制轉速響應時間更短，提高了設備穩(wěn)定運行能力，具備極強的魯棒性與自適應性，可將其投入實際應用中。

4 結語

為了保證空壓機設備啟動的平穩(wěn)運行并降低巡檢人員的工作頻率，同時達到自動化控制裝置功率的目標，設計了一種空壓機組啟動功率穩(wěn)定自動化控制方法。這種方法操作簡單，計算量較少，并且可以在監(jiān)測設備運行數(shù)據(jù)的同時研究所有控制目標，通過功率因數(shù)角補償和同步發(fā)電機控制，實現(xiàn)預期的功率穩(wěn)定自主控制目標。這種方法可以有效提高工業(yè)空壓機組的安全性，為工業(yè)大規(guī)模批量生產(chǎn)提供有利條件。在未來的研究中，將進一步探索空壓機功率控制預警方面的工作，并深度優(yōu)化空壓機功率控制自動化水平。