自来水厂电气节能方法的研究.pdf

学校代号 学号 密级 1 0 5 3 2 S 11 0 9 W 2 0 5 公开 湖南大学工程硕士学位论文 自来水厂电气节能方法的研究 R e s e a r c ho nt h ee l e c t r i c a le n e r g y s a v i n gm e t h o do fw a t e r w o r k s b y Y A N GB i g u o B E C h a n g a nU n i v e r s i t y 2 0 11 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro f E n g i n e e r i n g E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g i n t h e G r a d u a t eS c h o o l o f H u n a n U n i v e r s i t y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rF A N GH o u h u i S e n i o rE n g i n e e rS O N G J u n y i n g A p r i l 2 0 1 3 哪6咖9 9帅5咖5洲3舢2m Y 湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 阳强闽日期 沙哆年歹月硌日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名导师签名日期 加砂年 月诸日日期 加哆年 月掰E t 自来水厂电气节能方法的研究 摘要 自来水厂是城市重要的基础设施之一 为民用和工农业提供供水保证 随着 社会经济的迅猛发展 这就要求现代自来水厂必须具有规模大 效率高 节能环 保 供水可靠等特点 目前 大部分城市自来水厂仍然采用传统供水方式 用恒 速泵直接供水或水塔供水 传统供水方式存在诸多弊端 由于是人为对输出水压 进行控制 控制精度很低 完全不能满足用户对供水系统可靠性的要求 且水泵 电机一直处于高速运转中 造成很大的电能浪费 进入2 1 世纪以来 人们逐渐意 识到资源的重要性 电力资源的紧缺尤其严重 这就要求自来水厂这一用电大户 能够顺应时代潮流 在节能方面做出重大变革 本文对自来水厂电气节能方法的 研究主要针对变频恒压供水系统 从大功率变频器谐波抑制和系统控制方式两方 面对其节能进行分析和设计 对大功率变频器谐波抑制的研究 主要分析了几种典型变频器的拓扑结构 工作方式和特点 并用M A T L A B 构建其仿真模型 通过分析比较各种结构的输 出波形和输入输出谐波含量 并与I E E E 5 1 9 标准进行比较 对不满足要求的结构 设计合理的滤波器对高次谐波进行过滤 分析设计二阶低通滤波器的参数 用 M A T L A B 进行仿真验证滤波效果 考虑到供水系统具有时滞性和非线性等特点 对其控制方式采用模糊神经网 络P I D 控制 此控制方式将P I D 控制 模糊控制 神经网络控制有机结合 从而 实现对供水系统的高精度控制 它是将模糊控制和神经网络控制作为并列的两部 分 模糊控制的输出作为神经网络控制的输入 并将P I D 神经元作为神经网络的 基本处理单元 P I D 神经元网络避免了标准神经网络随机选取初始阀值和初始连 接权值的弊端 大大节省了学习时间 通过M A T L A B 构建模糊神经网络P I D 控 制器仿真模型 并仿真其阶跃响应性能 与传统P I D 控制和模糊P I D 控制阶跃响 应对比分析后 验证了新构建的控制系统具有理想的控制性能 关键词 变频恒压供水 神经网络 模糊控制 大功率变频器 谐波抑制 M A T L A B I I 工程硕士学位论文 A bs t r a c t W a t e r w o r k si so n eo ft h ei m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r eo fc i t y g u a r a n t e e i n gw a t e r s u p p l yf o rc i v i l i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lu s e T h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a l e c o n o m yr e q u i r e sm o d e r nw a t e r w o r k st ob el a r g e s c a l e e f f i c i e n t e n v i r o n m e n t a l r e l i a b l e e t c H o w e v e r a tp r e s e n t m o s to ft h eu r b a nw a t e r w o r k ss t i l la d o p tt h e t r a d i t i o n a lw a yt os u p p l yw a t e r t h a ti s w i t ht h ec o n s t a n ts p e e dp u m po rw a t e rt o w e r w h i c hh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s B e c a u s et h eo u t p u tp r e s s u r ei sc o n t r o l l e db yh u m a n t h ec o n t r o la c c u r a c yi sl o w w h i c hc a n n o ts a t i s f yt h eu s e r Sr e q u i r e m e n to fr e l i a b i l i t y t ow a t e rs u p p l ys y s t e m M o r e o v e r t h a tt h ep u m pm o t o rh a sb e e ni nah i g h s p e e d o p e r a t i o nc a u s e sg r e a tw a s t eo fe l e c t r i c i t y S i n c et h e2 1s tc e n t u r y p e o p l eg r a d u a l l y r e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fr e s o u r c e s e s p e c i a l l yt h ep o w e rr e s o u r c e s T h ep o w e r r e s o u r c e ss h o r t a g ei s p a r t i c u l a r l ys e r i o u s w h i c hr e q u i r e s t h eb i gp o w e ru s e r s w a t e r w o r k st ok e e pu pw i t ht h et r e n do ft h et i m e sa n dt om a k eab i gc h a n g ei nt e r m s o fe n e r g ys a v i n g T h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ev a r i a b l ef r e q u e n c ya n dc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y i n gs y s t e mf r o mt w oa s p e c t s h i g h p o w e ri n v e r t e rh a r m o n i c c o n t r o la n dc o n t r o lm o d e A sf o rt h eh i g h p o w e ri n v e r t e rh a r m o n i cc o n t r o l t h et h e s i sm a i n l ya n a l y z e s s e v e r a lt y p i c a li n v e r t e r s t o p o l o g ys t r u c t u r e s w o r k i n gw a y sa n dc h a r a c t e r i s t i c s a n d b u i l d st h es i m u l a t i o nm o d e lw i t hM A T L A B T h r o u g ht h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h e o u t p u t w a v e f o r ma n di n p u ta n do u t p u th a r m o n i cc o n t e n to fv a r i o u ss t r u c t u r e sa sw e l l a st h ec o m p a r i s o nw i t ht h eI E E E 一519s t a n d a r d t h i st h e s i s a i m i n ga tr u l i n go u tt h e u n q u a l i f i e ds t r u c t u r e d e s i g n sr e a s o n a b l e f i l t e rt of i l t e rh i g h e r h a r m o n i ca n dt h e p a r a m e t e r sf o ras e c o n d o r d e rl o w p a s sf i l t e r a n da tl a s t v e r i f i e st h ef i l t e r i n ge f f e c t t h r o u g hM A T L A B s i m u l a t i o n C o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m el a ga n dn o n l i n e a r i t yo fw a t e rs u p p l y s y s t e m t h ec o n t r o lm o d em a i n l yu s e st h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kP I Dc o n t r o lw h i c h i n t e g r a t e st h eP I Dc o n t r o l f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lS Oa st or e a l i z eh i g h p r e c i s i o nc o n t r o lt ow a t e rs u p p l ys y s t e m T h en e wc o n t r o lp u t st h ef u z z yc o n t r o la n d n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lb e s i d ee a c ho t h e r T h eo u t p u to ft h ef u z z yc o n t r o li su t i l i z e da s t h ei n p u to fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l a n dt h eP I Dn e u r o ni sr e g a r d e da sab a s i c p r o c e s s i n gu n i to fn e u r a ln e t w o r k T h eP I Dn e u r a ln e t w o r ka v o i d st h ed i s a d v a n t a g e t h a tt h es t a n d a r dn e u r a ln e t w o r kr a n d o m l ys e l e c t st h ei n i t i a lt h r e s h o l da n di n i t i a l c o n n e c t i o nw e i g h t s w h i c hg r e a t l ys a v e st h es t u d yt i m e T h i st h e s i sc o n s t r u c t st h e l i T s i m u l a t i o nm o d eo ff u z z yn e u r a ln e t w o r kP I Dc o n t r o l l e r t h r o u g hM A T L A Ba n d s t i m u l a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t e pr e s p o n s e A f t e rt h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i sb e t w e e n t h et r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o la n df u z z yP I D c o n t r o l t h i st h e s i sv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s s o ft h en e w b u i l tc o n t r o ls y s t e m K e yw o r d s V a r i a b l ef r e q u e n c ya n dc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y i n gs y s t e m N e u r a l n e t w o r k F u z z yc o n t r o l H i g h p o w e ri n v e r t e r H a r m o n i cc o n t r o l M A T L A B I V 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书 I 摘要 I I A b s t r a c t I I I 第一章绪论 1 1 1 课题的来源及研究的目的与意义 1 1 2 国内外研究现状 一5 1 2 1 国外自来水厂电气节能方法研究的发展概况 5 1 2 2 国内自来水厂电气节能方法研究的发展概况 5 1 3 本课题主要研究工作 一6 第二章自来水厂的能耗分析 8 2 1 自来水厂的净水处理工艺 8 2 1 1 自来水厂净水工艺的发展过程 8 2 1 2 自来水厂净水工艺的改造 9 2 2 自来水厂典型净水工艺能耗现状 9 2 3 本章小结 1 1 第三章高压大功率变频器的谐波抑制 1 2 3 1 高压变频器对电网和电动机的影响 1 3 3 1 1 高压变频器对电网的影响 1 3 3 1 2 高压变频器对电动机的影响 1 3 3 2 高压变频器典型拓扑结构 1 4 3 2 1 高 低 高型变频器 1 5 3 2 2 功率器件串联型变频器 1 5 3 2 3 多重化变频器 1 6 3 2 4 多电平变频器 1 7 3 3 高压变频器整流侧输入谐波分析 1 8 3 3 1 多重化整流电路结构与原理 1 8 3 3 2 多重化整流电路抑制输入谐波的基本原理 1 9 3 3 3 多重化整流电路输入谐波仿真分析 2 0 3 3 4 多重化整流电路输入滤波器设计 2 3 3 4 高压变频器逆变侧输出谐波分析 2 5 3 4 1 变压器耦合输出型逆变器 2 5 3 4 2 单元串联多重化型逆变器 2 8 V 自来水厂电气节能方法的研究 3 5 本章小结 3 0 第四章基于模糊神经网络P f D 控制的恒压供水系统 3 1 4 1 系统理论基础 3 1 4 1 1P I D 控制理论基础 3 l 4 1 2 模糊控制理论基础 3 3 4 1 3 神经网络控制理论基础 3 6 4 2 模糊神经网络P I D 控制器结构分析 4 3 4 2 1 模糊神经网络P I D 控制器的优势 4 3 4 2 2 模糊神经网络P I D 控制器逻辑工作原理 4 4 4 3 供水系统模糊神经网络P I D 控制器性能仿真分析 5 0 4 3 1 系统仿真环境 5 0 4 3 2 供水系统模糊神经网络P I D 控制的M A T L A B 仿真 5 1 4 4 本章小结 5 6 结论与展望 5 7 参考文献 5 9 致谢 6 2 V I 工程硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的来源及研究的目的与意义自来水厂是城市建设和发展的重要基础设施之一 无论是民用还是工农业生产都离不开自来水厂 它直接影响着生产力的发展和城市的兴衰 我国自来水厂的历史可追溯至1 9 世纪7 0 年代 1 8 7 9 年旅顺引泉供水和1 8 8 3 年上海杨树浦水厂投产标志着我国自来水厂的兴起 但一直到1 9 4 9 年 我国供水事业发展缓慢 此时 我国仅有7 2 个城市供给约9 0 0 万人自来水 日供水能力仅2 4 0 万m 了 管道长度仅为6 5 8 9 k m 解放后 我国开始大力新建城市供水系统 尤其是2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代 城市供水设施得到了蓬勃地发展和提高 2 1 世纪以来 随着社会经济及中小城市的迅速发展 新型自来水厂的建设呈现出规模大 工艺新 速度快等特点 据统计 2 0 0 8 年 我国城市自来水生产能力达到2 5 6 1 0 4 万t d 供水管道长度达到3 6 2 1 0 5 k m 城市日供水能力为用水最高日供水量的1 3 2 倍 人均日生活用水量为2 3 3 L 人 d 比1 9 9 0 年的1 7 5 7 L 人 d 增长了3 0 可以预想到在未来几十年 随着城市规模和人口不断增加 工农业发展越来越迅速 则对于城市自来水厂的依赖程度越来越高 其在人类发展史上的作用也越来越大uJ 由于历史的原因 我国自来水厂存在着许多的问题 最主要的就是能耗问题 自来水厂一直就是用电大户 而长期以来 对自来水厂器件选型和供水方式选择得不合理 造成了巨大的电能浪费 从而影响了经济效益的提高 制约了社会的发展 在自来水厂的成本中 电能消耗大约占5 0 7 0 且每年都是递增趋势 图1 1 显示了我国从2 0 0 5 年到2 0 1 0 年自来水厂用电量增长图 2 J 粤萋旺攀 自来水厂电气节能方法的研究 研究和探索我国自来水厂电气节能改造技术的潜力很大 选择正确的节能方法具 有重要的现实意义 而要想对自来水厂的电气节能方法进行研究 必须要先了解 自来水厂耗能最大的环节 通过综合调查数据发现 送水泵站是最耗能的 因其 存在众多大功率电机 而在整个供水工程中 9 0 的电能都用于驱动电机旋转 使其电能消耗相当大 故必须从送水泵站入手 对自来水厂的电气节能进行分析 和改造 目前 国内外对送水泵站进行电气节能改造主要有两种方法 一种是选择节 能型电机 从而提高电机效率 达到节能目的 另一种是合理选择自来水厂的供 水方式 当需水量发生变化时 供水系统能实时调整供水量 使得泵站电机始终 运行在最优工况下 从而实现电气节能 长期以来 由于我国自来水厂的建设缺乏前瞻性 城市供水技术相当落后 自动化程度和效率相对发达国家来说非常低 在用水高峰期 供水量不能满足需 求量 造成水压低 而在用水低峰期 供水量远大于需求量 造成电能的无谓消 耗 同时巨大的水压也有可能使水管破裂 用水设备遭到破坏 而这些状况的出 现 主要是由于传统供水方式是靠继电器控制水泵的启停 且只凭借工作人员的 经验调节水泵出口或入口闸阀来实现水压和出水量的控制 这样 人为干扰因素 对整个供水系统的影响很大 且造成巨大的电能损失 传统的供水方式操作简单 初期投资小 因而上个世纪在我国得到了广泛地 应用 下面介绍几种具有代表性的传统供水方式 1 恒速泵直接供水方式 此方式是由恒速水泵直接从蓄水池或城市公用水网中抽水并加压送往用户 这种方式中 不管是用水低峰期还是高峰期水泵始终保持运转 其供水系统构造 简单 成本低廉 但这种方式完全未考虑能耗 它的耗电 耗水巨大 同时伴随 着水压不稳 供水质量极差 2 水塔 或高位水箱 供水方式 此种方式是由水泵先抽水到水塔 或高位水箱 再利用其重力势能向用户供 水 水泵的启停由水塔 或高位水箱 的水位决定 当水位达到顶点时 水泵停止 抽水 当水位低于某一设定值时 水泵开始启动抽水 此种供水方式中 水泵并不是时刻处于工作状态 而是断续进行运转的 这 较之方式一节省电能 水泵运行时间有限 也有利于保护电机 且水泵在额定流 量和扬程条件下 是处于高效区域的 供水压力较之方式一也更稳定 但其缺点 同样明显 额外建设水塔 或高位水箱 增加了供水成本 且占地面积大 由于是 进行实时抽水 当在高峰期 它对需水量变化反应缓慢的特性就暴露无遗 水泵 的启停跟方式一一样完全由人为操作 自动化程度低 限于水塔容积 其供水覆 盖面较小 不能满足日益增长的需水量要求 2 工程硕士学位论文 3 气压供水方式 气压供水方式是用封闭的气压罐代替方式二中的水塔水箱进行蓄水 水泵的 启停由罐内的气压来决定 气压罐的体积和占地面积比水塔水箱要小 但其所用材料和技术参数要求较 高 造成初期投资仍然不小 由于气压罐处于封闭中 这就能保证水质不会因异 物进入而造成二次污染 但与其他传统供水方式一样 因其压力变化快 运行效 率低 造成了电能消耗较大 运行费用高 综上所述 传统供水方式不能实时随需水量的变化动态调整电机转速 从而 造成水力和电力资源的巨大浪费 且可靠性低 对民用和工农业用水造成了巨大 的影响 传统供水方式对电能的浪费主要体现在水泵电机上 当电机运行在传统供水 模式中时 它是由继电器直接进行控制 水泵转速始终保持不变 输出的也是额 定功率 水泵的综合运行特性并未发生变化 但人为因素的引入使管网阻力损失 增大 从而使输出能量并未完全转化给供水过程 这也就造成了电能的浪费 还 有不能忽视的问题就是 水泵电机时刻工作在满负荷 高转速的运行工况中 系 统不能根据需水量的变化实时对电机转速进行调整 这也就使得电机可能运行于 过负荷 或 空载 这样的低效工况中 造成巨大电能浪费的同时 还会对电 机产生不良影响 缩短设备使用寿命 增加了维修成本 因此 对传统供水方式 地改造刻不容缓 近年来 由于电力电子技术和变频技术不断发展 变频调速技术已经得到了 越来越多的应用 相应地 将其运用到供水系统电气节能建设和改造中也就是大 势所趋了 变频调速技术能够对电机进行稳定的调速和启制动 并拥有高效率 高节能 高功率因数等特点 因此 变频恒压供水系统以其为核心 并凭借优良 的性能逐渐取代传统供水方式 成为能够满足供水要求 同时能够实现电气节能 的新型供水方式 变频恒压供水系统由P L C 变频器 供水管网 水泵机组 压力变送器等部 分组成 其具体的工作原理图如图1 2 所示 变频恒压供水系统通过监测供水管网出水口水压的变化 动态调整水泵电机 的转速 从而保证水压恒定 但由于管网压力是持续变化的 当需水量发生变化 时 管网水压不可能立即达到实时压力值 而是有一定滞后性的 同时 水泵电 机的转速也不可能立即达到合适理想的转速 所以整个变频恒压供水系统是一个 时滞 非线性控制系统 若采用常规P I D 控制系统对其进行控制 只能对供水系 统进行大范围调节 而不能满足现代智能控制供水系统中的小范围波动和复杂管 网压力准确控制的要求 而随着计算机技术越来越成熟 出现了大批先进智能的 控制系统 由于其控制精度高 自学习自适应能力强 鲁棒性好等特点使得它们 自来水厂电气节能方法的研究得到了大力地推广 其中最具代表性的就是神经网络控制和模糊控制 神经网络控制以其优良的自学习 自适应能力在各行各业中都得到了应用和推广 模糊控制基于模糊集合理论 在难以构造数学模型的领域中发挥了巨大作用 工频电压频率给定上位计算机压力设定值报警处理单元黧篙一副攀网络P I DI 器I1 控制器lA DD Al 一L 兰水池液位开关堡篓量堡呈一变频器故障及频率信号压力变送器管道用户图1 2 变频恒压1 共水系统工作原理框图自来水厂中的电机是耗能大户 合理地选择电机对自来水厂的电气节能有重要的影响 目前 国内城市配电网电压大多为l O k V 级和6 k V 级 而在自来水厂电气节能改造中 高压电机以其卓越的经济性能而获得了普遍地认可 首先 高压电机能与城市配电网直接相连 从而可以避免变压器上的损耗 其次 高压电机容量和效率都远优于低压电机 但与高压电机进行匹配的必须是高压大功率变频器 而目前高压大功率变频器并不像低压变频器那样有成熟的拓扑结构 各个公司采用不同的拓扑结构用以解决高压 大功率的使用环境 但无论何种拓扑结构都得考虑高压变频器所产生的谐波问题 变频器的输入谐波由整流电路的结构和特性所决定 它可能会传到公用电网上 祸及公用电网上的其他用电设备 甚至影响电力系统的正常运行 谐波还有可能对通信系统和控制系统产生干扰 影响其正常的工作 甚至造成系统瘫痪 变频器的输出谐波由逆变电路的结构和特性所决定 它主要是影响负载电机 大量谐波的存在 会引起电机的额外发热 致使电机温升加大 增大了电机的损耗 从而降低了效率 谐波还有可能导致转矩的脉动 最终引发转速的脉动 由此可看出抑制谐波是应用高压大功率变频器必须解决的前提 而各种变频器拓扑结构有各自的优势和劣势 在实际应用中 必须根据具体情况选择合理的变频器拓扑结构 因此 需要对各种拓扑结构进行分析和总结 并对其输入输出谐波作对比分析 以提供给设计者选择变频器时的一种参考 这也是本课题的重要目的 工程顼士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外自来水厂电气节能方法研究的发展概况 自来水厂的电力能耗主要消耗在供水过程中 因此对其电气节能方法的研究 主要集中在恒压供水上 在2 0 世纪初期 限于当时的技术条件 国外发达国家所使用的变频器只有单 一的功能 仅对控制系统的某一方面进行控制 主要功能被限定在电源频率控制 升降速控制 电机正反转控制 系统压频比控制以及各种保护功能 而不能按照 控制系统实际特性实现合理地控制 且初期投资相当高 而供水系统要求根据管 网瞬间压力变化实现实时控制 故早期变频器在供水行业中并未获得足够的认同 随着电力电子技术 交流变频调速技术 计算机技术和智能控制技术日趋成 熟 并在其它行业中获得成功应用后 供水系统的学者也成功地将变频器应用到 了供水系统中 从而形成了变频恒压供水系统 此供水系统根据管网出水口水压 的变化对水泵电机进行无级调速 从而使出水水压始终保持在设定水压 实现对 水泵电机的节能效果 国外学者对变频恒压供水系统进行了将近半个世纪的研究 1 9 6 4 年 德国学 者首次提出将通信技术中的脉宽调制P W M 技术应用到电气交流调速中 标志着 对新型变频技术的探索 2 0 世纪8 0 年代初 日本学者提出了V V V F 变压变频电 气调速控制技术 该方法是一种一次生产两相脉宽调制波形的变频控制技术 它 基于三相交流波形的整体效果来产生电机控制的理想圆形旋转磁场轨迹 在2 0 世纪8 0 年代中后期 欧美等发达国家在大量实践研究的基础上 开始将V V V F 变压变频调速技术广泛应用到各行各业中 从而引发变频调速技术进入了一个新 的发展时期 1 9 8 0 年 德国科学家首次提出了微处理器矢量化控制技术 从而开 创了变频调速矢量化控制领域 日本三垦 S a m e o 公司于19 8 8 年提出了一种新型 的变频器控制基板 首次将P I D 调节器和P L C 有机集成在变频器控制基板上 大 大提高了其集成度 编制相应的代码用以实现P L C 和P I D 参与变频系统的共同控 制 并提供给用户 变频泵固定方式 和 变频泵循环方式 两种变频调速模式 进行选择 3 之后 日本学者将矢量控制技术与经典和现代控制理论相结合 又 创造出多种实用的控制模式 如解耦控制 速度观测 控制参数自适应 无速度 传感器矢量控制 1 9 9 5 年 A B B 公司在总结前人研究成果的基础上 经过大量 实践研发后 提出了电机直接转矩控制通用变频器 这种变频器成为了现在通用 变频器的核心技术 1 2 2 国内自来水厂电气节能方法研究的发展概况 国内对变频调速技术的研究主要是通过吸收和引进国外的先进技术 在此基 自来水厂电气节能方法的研究础上根据我国的具体情况进行改进 国内厂家大多采用国外的变频器调节水泵电机的转速 并以P L C 或单片机作为恒压供水系统的逻辑控制核心 这样建立起来的变频调速恒压供水系统具有实时采集 运行安全稳定 可靠性高 抗干扰能力强 性能优越等特点 1 9 9 8 年 艾默生电气公司与成都希望集团合作共同研发推出了一款恒压供水系统专用变频器 此变频器无需外接P L C 和P I D 控制器 而是将它们有机集成在变频器中 这款专用变频器最多可以控制4 台水泵电机进行循环切换 巡检启动 循环控制等功能 但此款专用变频器只适合于小容量的供水系统中 且不具有通信功能 2 0 0 2 年 深圳华为公司推出了T D 2 1 0 0 型变频器 此变频器能适用于中 小容量供水系统 但对于大容量 复杂供水系统仍然不适用 4 1 1 3 本课题主要研究工作自来水厂电气节能方法多种多样 对其研究也呈现出多样化的趋势 本文主要对自来水厂中耗能最大的送水泵站环节进行电气分析和研究 为了实现对送水泵站的电气节能 国内外都研究采用变频恒压供水系统 而供水系统具有时滞和非线性等特点 难以用精确的数学模型对其进行描述 若采用传统的P I D 控制 系统达到稳定的时间过长 且有可能出现很大的超调和严重的振荡 模糊控制不需要系统有精确的数学模型 它能通过专家的经验来确定模糊控制规则 每一个输入都有其特定的输出 从而实现对系统的控制 但我们知道 供水系统是一个时刻变化的系统 需水量每时每刻都在变化 用模糊控制去控制供水系统就存在很大的问题 难以达到理想的控制效果 神经网络控制是一种具有自学习 白适应功能的控制系统 它能根据环境的变化实时调整系统参数 因此 本文将P I D控制 模糊控制 神经网络控制有机结合 发挥各自的优势 从而达到理想的控制效果 变频恒压供水系统中大功率变频器的使用能够实现水泵电机的无级调速 但同样也带来了谐波干扰因素 为了抑制给人们带来严重危害的谐波 各国电力电子学者提出了各种各样的变频器拓扑结构 本文通过综合分析各种新型拓扑结构 并对其产生的谐波进行对比 从而提供给设计人员一个参考 有些高次谐波并不能通过拓扑结构的改变而抑制 这时 可以增设输入输出滤波器 过滤掉危害的高次谐波 本论文研究的主要内容有 1 总结国内外对自来水厂电气节能方法的研究成果 提出主要通过采用变频恒压供水系统来实现自来水厂的电气节能 2 分析自来水厂的净水处理工艺 并对典型净水工艺的电能消耗作对比分析 3 分析总结目前各种应用较广的变频器拓扑结构 并通过M A T L B 仿真出输6 工程硕士学位论文 入输出波形和其谐波含量 在必要时设置输入输出滤波器 并对滤波器参数进行 设置 4 分析常规P I D 控制 模糊控制 神经网络控制的理论基础 提出综合三种 控制方式的新型模糊神经网络P I D 控制算法和结构 并用M A T L A B 对新型模糊 神经网络P I D 控制进行仿真 并将仿真结果与传统P I D 控制和模糊P I D 控制比较 得出最优控制方案 自来水厂电气节能方法的研究第二章自来水厂的能耗分析2 1 自来水厂的净水处理工艺2 1 1 自来水厂净水工艺的发展过程自来水厂净水处理就是经过一系列必要的方法去除原水中的杂质 从而得到优质健康的饮用水 最后以合适的价格提供给人们使用 同样地 也需要提供符合质量要求的水用于工业 净水处理的方式是由原水水质和用水对象对水质的要求决定的 经过人们坚持不懈地对净水处理工艺的研究 在2 0 世纪初期 基本形成了如今被人们称为典型处理工艺的方法 即混凝 沉淀 过滤以及消毒 典型的净水处理工艺如图2 1 这种处理工艺仍被世界上许多自来水厂所采用 成为目前净水处理的主要工艺 图2 1 典型自来水厂净水处理工艺净水典型处理工艺的主要目的是去掉原水中的悬浮物 胶体颗粒和细菌 供给人们安全卫生的饮用水 混凝是净水工艺的第一步 通过混凝剂将原水中的各种可见颗粒以及悬浮杂质凝聚 沉淀是利用重力作用将混凝形成的大颗粒杂质进行分离 过滤就是对经沉淀处理后的出水进行进一步的分离 通过过滤设备滤掉水中剩余的颗粒杂质 对于出水中不能用肉眼识别的细菌和微生物 可以通过消毒处理来灭掉 5 J 然而随着工业化程度的不断加深 环境状况的不断恶化 到了2 0 世纪后期 饮用水出现了大量问题 主要是指水中存在的微量有机物对人体健康形成了长期的潜在危害 因此 以前对水质的要求不能满足现在人们的健康需求 必须形成新的水质污染指标和规定 面对新的指标要求 净水处理研究人员已经成功设计出去除饮用水中的有机污染物的方法 这些常见的方法有化学氧化法 活性炭吸 工程硕士学位论文附法和强化混凝处理法等 2 1 2 自来水厂净水工艺的改造进入2 1 世纪以来 由于混合 絮凝 沉淀 过滤等水处理工艺取得了大幅度的提高 这就使得典型净水系统的处理更高效 稳定 然而 随着工业化 城镇化的不断发展 自来水厂的水源遭受到了生活污水和工业废水的污染 使得原水中的有机污染物 藻类大幅度增加 产生了腥味 此时 如果仍然用典型净水系统处理原水 将无法满足人类对水质的要求 从而给人们的健康造成严重的威胁 因此 对传统净水处理系统进行改造 深度处理在所难免 6 自来水厂工艺改造主要有如下几种方法 1 根据原水的污染特性 增加必要的预处理措施 这些措施包括投加化学氧化剂 如高锰酸钾 臭氧等 投加吸附剂 如活化粘土和粉末活性炭 还有生物氧化预处理技术 由于其自身的许多优点 白2 0 世纪9 0 年代以来 在全世界范围内得到了长足的发展 2 根据实际情况选择静态混合器 用水泵和增加机械搅拌混合器来对自来水厂的混凝技术进行改造 3 针对沉淀池和澄清池的技术改造在不断深化 一般就是对其加装斜管或斜板 4 对于过滤环节 气水反冲洗均粒滤料池逐渐取代了双阀滤池 成为自来水行业的首选 其主要特点是滤料粒径更均匀 粒径更粗 滤层厚度更大 使其具有更强的截污能力 保证了出水水质 改善了冲洗效果 节约冲洗水量 引 5 为更好地控制供水中的有机污染物的浓度 可以增加活性炭吸附或生物活性炭深度处理池 但活性炭吸附技术的初始投资比较大 要得到广泛应用还需要一定的时间 引 因此 自来水厂工艺的改造和选择应根据原水水质特征及对水质的要求 同时兼顾管理 技术 经济等多种因素 从而最大化地满足人们对生活和工业用水的需求 针对我国具体的经济和技术条件 在加强常规水处理工艺的前提下 适时发展预处理和深度处理的改造 2 2 自来水厂典型净水工艺能耗现状据统计 我国共有4 0 0 0 多家自来水厂 为4 亿多县级以上城市居民提供自来水 新国标中要求水质监测指标达到1 0 6 项 对自来水厂的各个净水工艺的能耗调查就显得尤其重要 迄今为止 由于自来水厂管理和技术方面的问题 国内基本没有进行过完整地自来水厂能耗现状调查分析 某些地区对特定的自来水厂进行过具体净水工艺的调查和分析 但由于没有统一的评价标准和调查数据可靠性9 自来水厂电气节能方法的研究差 难以对一般性自来水厂地建设和改造进行指导 通过收集各地区自来水厂处理工艺能耗情况 对其中四个具有典型代表的水厂能耗情况进行说明和分析 将这四个水厂的能耗分析进行统计 总结后可归纳为表2 1 所示 表2 1 自来水厂各处理单元能耗比例表由上表可清晰地看出 自来水厂中能耗最高的是泵站 取水和送水泵站能耗所占比例达到8 6 9 2 过滤环节次之 混凝 沉淀和排泥水处理工艺能耗很低 因此 对于自来水厂的节能应重点分析取水和送水泵站节能 但其他工艺的选取对整个供水系统的能耗也有着深远的影响E 9 1 混合虽然混合耗能占自来水厂能耗比例相当小 但其作为一项重要的处理工艺 其混合方式的选取对后续的处理工艺影响相当大 目前 应用较广的混合方式有水力混合和机械混合 水力混合方式按每万m 3 d 折算约消耗O 8 9 k W 的电机功率 而机械混合方式按每万仇3 d 折算约消耗l k W 的电机功率 通过对比可看出机械混合方式耗能较大 但机械混合适应性比较强 它能随原水水量和杂质含量的改变而改变转速 所以 结合具体水厂的给水规模和原水水质情况进行具体分析并确定混合方式 2 絮凝目前 供水厂絮凝方式各种各样 但通过比较发现它们的能量消耗都相当接近 而被认可和得到发展的几种高效絮凝器 都是通过缩短反应时间或减少水头消耗来彰显其先进性 隔板絮凝器总的水头消耗约为O 4 0 5 m 栅条 网格絮凝器因更小的水头消耗而受到更多的关注 机械絮凝器因其适应性 而在国外得到了更深入的推广 3 沉淀和澄清澄清池能耗也不大 但不同的澄清池其能耗相差较大 选择高效节能的澄清池也是相当重要的 图2 2 为应用较广的几种沉淀 澄清池能耗情况 由图中可看出 脉冲澄清池能耗最高 达到2 1 6 k W 万f 刃 其次是悬浮澄清池 机械搅拌澄清池 斜管沉淀池和平流沉淀池 1 0 工程硕士学位论文2 52 管仲蓬1 5箍 1越0 50 一 自来水厂电气节能方法的研究第三章高压大功率变频器的谐波抑制随着经济持续发展 工业和生活用水不断增加 为了减少线路损耗 在全世界范围内 都将配电电压等级向更高方向发展 并逐步形成了以6 k V l O k V 为主的主配电回路 相应地 6 k V l O k V 等级的高压交流电机也占据主流市场 因此 中高压变频器也成为世界各国研究的主流方向 包括其拓扑结构 控制技术等方面 然而 由中高压变频器引起的输入输出谐波问题是不可避免的 国内外学者以降低变频器输入输出谐波为目的 对大功率变频器的拓扑结构和控制方法开展了深入地研究 迄今为止 中高压变频技术还没有形成统一的拓扑结构和控制方案 而且各种方案的结构 原理和输入输出谐波频谱也不尽相同 随着变流装置应用越来越广 必须制定一个抑制谐波的标准 所有变流装置都以此标准为设计前提 保证对公用电网的影响限制在有效范围 其中美国电气和电子工程协会 I E E E 锘0 定了I E E E 5 1 9 标准 I E E E 5 1 9 主要针对使用大功率设备的工业用户 通过规范谐波电流和电压 避免大功率设备产生的谐波分量进入公用电网 影响其它用电设备的正常使用 I E E E 5 1 9 对谐波引起波形畸变的原因和影响作了详细地分析 对波形的畸变程度进行了定义 规范了电网波形畸变程度的最大限制值 并阐述了如何控制和避免波形畸变 给设计和应用大功率设备的工程技术人员提供了一个很好的指导手册 表3 1 列出了I E E E 5 1 9 19 9 2 对电压谐波的限制标准 表3 1I E E E 5 1 9 1 9 9 2 对电压谐波的限制标准I E E E 5 1 9 标准对电流谐波的限制标准如表3 2 该表主要是针对6 9 k V 以下的供电系统 给出了在不同短路比 S C R 情况下 对谐波电流和总谐波畸变 T H D 的限制值 工程设计人员可以将实际工程中的谐波含量与这两个表进行对比 从而判断系统是否满足要求 10 1 表3 2I E E E 5 1 9 1 9 9 2 对电流谐波的限制标准1 2 工程硕士学位论文3 1 高压变频器对电网和电动机的影响在传统水处理工艺中 6 k V l O k V 中高压大功率交流电动机正在被推广应用 而我国在高压调速和启动方式上仍然很落后 造成了大量的能源浪费和机械损失 因此 应在全国推广应用高压变频调速及起动装置 其效益和潜力都是非常巨大的 随着新型电力电子器件 如高压大容量器件G T O I G B T I G C T S G C T 的研发成功 功率范围从几百千瓦到几十兆瓦不等 变频器的性价比也越来越高 集成度和运行可靠性也在不断提升 这样 变频器的应用越来越广 但它的非线性和冲击性用电的工作方式 带来的干扰问题亦不容忽视 高压变频器的整流和逆变电路都应用了电力电子器件的开关特性 它的输入端和输出端都会产生高次谐波 输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响 而输出端谐波会对负载电机产生影响 因此 设计和优化高压变频调速系统 研究高压变频器对电网和电动机的影响是必不可少的 3 1 1 高压变频器对电网的影响随着中高压变频器的应用越来越广泛 变频调速系统所占电网负荷也愈来愈大 而且中高压变频器的容量一般较大 所以对电网产生的谐波危害也不容忽视 变频器中的整流部分含有大量的非线性电力电子元件 这些元件使得变频器在向电网汲取电能时是以脉动的断续方式 而不是常规的正弦波连续方式 这种脉动电流流经电网上的线路阻抗 产生脉动电压降 从而使得正弦电压基波发生波形畸变 通过电网的传递 谐波会影响到整个电网 主要体现在以下几方面 1 降低电网电力质量 谐波使电网电压 电流波形发生畸变 可能造成中性线电流升高 甚至超过相线电流 造成线路过载 发热 谐波电流 电压必然产生有功消耗和无功消耗 增加线路压降 降低电网效率 2 影响自动装置 威胁安全运行 线路中电流 电压受谐波影响 不但波形畸变 电流 电压值也会发生变化 导致测量和计量不准确 很有可能造成电网保护误动或拒动 给电网安全运行留下隐患 3 1 2 高压变频器对电动机的影响高压变频器输出谐波会引起电机发热 转矩脉动 输出高d u d