（电气工程专业论文）企业能量管理与节能技术研究及应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe n e r g ym a n a g e m e n ta n de n e r g ys a v i n g t e c h n o l o g yf o re n t e r p r i s e b y f a n gl u b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 m s ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 ad i s s e r t a t i o ns 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 d o c t o ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt 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 rl u 0a n j a n ，2 0 1 1 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： 、 1 沙 日期：尸1 1 年r 月；，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、i 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 五彩， 嗄头 日期：夕i 年歹月；1 日 日期：刀，年岁月? 日 企业能量管理与节能技术研究及应用 摘要 节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，电力节能是国家节能战略 的重要组成部分，是节能产业的重中之重。而我国企业电能损失逐年增加，随着 钢铁、有色、石化等行业飞速发展，企业电气节能形势很紧迫。我国高耗能企业 众多，能源消耗总量大，有效利用率低，使我国的可持续发展面临巨大压力。因 而开展企业电气节能的研究具有重大意义，不仅可以提高电能利用率，而且还可 以提高企业配电网电能质量和供电可靠性。 本论文以国家8 6 3 计划和湖南省科技重大专项节能减排专项为依托，以钢铁、 有色金属、电气化铁道等行业配电网的动态谐波治理、无功补偿和负序电流不平 衡需求为背景，对企业配电网谐波治理、无功动态补偿、负序电流补偿以及电能 管理技术进行了深入的研究，主要研究了大型企业电气节能关键技术和成套装备。 实现对大型企业配电网的无功、谐波和负序电流的集中管理、优化补偿，达到节 能降耗的目的。 本文重点选择了冶炼、制造、化工三个行业进行调研，每个行业选择一家代 表性企业，从谐波和无功问题、变频节能问题及电能量管理和优化节能问题三个 方面展开分析讨论，从而得出企业电气节能需求，为企业配电网实现“全方位、 多方面”的综合电气节能降耗提供有益的解决思路。 针对常规高电压等级电网谐波电能损耗问题，提出了一种集谐波滤波和无功 补偿为一体的新型并联混合有源电力滤波器( n o v e ls h u n th y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r ，n s h a p f ) 。分析了拓扑结构，从理论上给出了滤波原理，尤其给出了。 n s h a p f 在高次谐波治理上的仿真研究。还从电网单相接地、电网相间短路、电 网三相短路、电网电压突变、电网电压聚升和骤降方面通过仿真分析了n s h a p f 的稳定性。随后，提出了新型并联混合有源电力滤波器直流侧电压的控制方法和 谐波电流的双闭环控制策略。最后，给出了实例分析，结果表明n s h a p f 能够满 足高电压等级场合谐波抑制和无功补偿的需求，达到了预期的设计目标。 针对静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 对配电网负荷引起的电 压波动、功率因数较低和负序电流的补偿问题，一提出一种多目标统一控制器，主 要由功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路和s v c 安装点电压闭环负序电流 补偿前馈控制支路组成。可以依据负荷不同运行状态所引起的电能质量问题，来 进行两条控制支路之间的切换。其中对功率因数闭环负序电流补偿前馈控制支路 设计了模糊p i 控制算法，可以依据滞环环宽对功率因数进行“粗调”及“细调”； 对s v c 安装点电压闭环负序电流补偿前馈控制支路设计了非线性p i 控制算法， i l 博十学位论文 同时采用改进的单纯形加速算法( s i m p l e xm e t h o d ，s p x ) 对非线性p i 控制器的比例 和积分参数进行调整。仿真及工业应用结果表明控制方法的正确性和有效性。 目前，专门针对大型企业电气节能的系列化关键技术与成套装备在国内外尚 属空白，大多只是单一技术的研发与应用，节能效果有限。因此本文提出了一种 基于多智能体遗传优化算法的配电网节能降耗综合管理系统，通过结合遗传算法 和多智能体系统技术构造了一种多智能体遗传优化算法( g e n e t i ca l g o r i t h mb a s e d m u l t i - a g e n ts y s t e m ，g a - m a s ) 算法，能得出各个节能设备的最佳调节力度，使 节能设备以最小的调节代价获得最大的节能效益，实现配电网“全方位、多方 面 的综合节能降耗。首先给出了综合管理系统的结构、各节能设备智能体结构 模型和多智能体系结构模型。接着着重介绍了其管理层的两个系统：综合自动化 系统和能量管理系统。综合自动化系统主要利用微机实时技术将保护、监视、控 制、远动等功能统一协调，建立综合的微机保护与监控系统。能量管理系统主要 从管理节能和装备优化节能两方面入手，降低企业电能损耗，减少生产成本，提 高企业生产效率和电能管理水平。 最后，将本文研究的节能技术应用于企业，提出了工程应用总体框架，介绍 了上述研究的n s h a p f 和s v c 的工程设计和工程应用效果，搭建了综合自动化 系统硬件平台，给出了具体的节能效益分析，节能效果明显。 关键词：新型并联混合有源电力滤波器；多目标统一控制；谐波电能损耗；负序 电流补偿；无功补偿；多智能体遗传优化算法；电能量管理；电气节能 i i i 企业能量管理与节能技术研究及应用 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w h i c hr e f e r st oe f f o r t sm a d et or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n ，i sal o n g t e r mp o l i c yf o r t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d s o c i e t y f u r t h e r m o r e ，t h ee l e c t r i cp o w e r c o n s e r v a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e n a t i o n a lt a c t i co fe n e r g yc o n s e r v a t i o n h o w e v e r ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f v a r i o u si n d u s t r i e ss u c ha st h es t e e l - s m e l t i n g ，t h en o n f c r r o u sm e t a l l i ca n dt h e p e t r o c h e m is t r y ，i ti su r g e n tf o rt h e s ei n d u s t r i e st or e d u c et h ec o s to f e l e c t r i cp o w e r i n a d d i t i o n ，i ta l s oi n t r o d u c e ss t r e s so nt h en a t i o n a lp o l i c yo fc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t b e c a u s et h e r ee x i s t sn u m e r o u sh ig he n e r g yc o n s u m p t i o ni n d u s t r i e si nc h i n a t h e s e e n t e r p r i s e sa r en o to n l yo fh i g hc o s to fe n e r g yb u ta l s ow i t hl o we f f i c i e n c y t h e r e f o r e ， i ti so fs p e c i a ls i g n i f i c a n c et os t a r tt h er e s e a r c ho nt h ee l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o nf o r e n t e r p r i s e s ，b yw h i c hc a nr a i s et h eu s a g ef a c t o ro f t h ee l e c t r i cp o w e ra n dc a ni m p r o v e t h eq u a l i t yo ft h ep o w e rg r i da sw e l la st h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y t h i st h e s i si s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc h i n a8 6 3p r o g r a ma n d t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp l a no fh u n a n p r o v i n c i a ls c i e n c e f o rm o d e r ni n d u s t r i e ss u c ha st h es t e e l s m e l t i n g ，t h en o n f e r r o u s m e t a l l i ca n dt h ee l e c t r i cr a i l w a y , t h e ya l lh a v et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n a n d s u p p r e s s i o n o f d y n a m i c h a r m o n i c sa n du n b a l a n c e d n e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n t s t h u s ，t h et e c h n i c sf o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m sa sw e l la s t h et e c h n i cf o re l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ta r ed e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s a sa r e s u l t ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fe l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o n a n dc o r r e s p o n d i n g e q u i p m e n tt e c h n o l o g y a r es t u d i e df o rt h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e s f i n a l l y , t h e c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n do p t i m a lc o m p e n s a t i o nf o rr e a c t i v ep o w e r , h a r m o n i c sa n d n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t si nt h ee n t e r p r i s eg r i da r er e a l i z e dw h i l et h ep u r p o s et o r e d u c et h ep o w e rc o s ti sa l s oa c h i e v e d t h r e ee n t e r p r i s e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ei n d u s t r i e so fs m e l t i n g ，m a n u f a c t u r ea n d c h e m i s t r ya r es e l e c t e d f o ri n v e s t i g a t i o n ，r e s p e c t i v e l y f i r s t l y , t h ed e m a n do ft h e e l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o no fe n t e r p r i s e si sd e r i v e db ya n a l y z i n gt h r e em a i n p r o b l e m ss u c h a st h es u p p r e s s i o no fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r ，t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o nb yu s i n gf r e q u e n c yv a r i a t i o na n dt h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ta n d o p t i m i z a t i o n f i n a l l y , s o m eu s e f u l s o l u t i o n sf o rr e a l i z i n gt h es y n t h e s i z e de l e c t r i c p o w e rc o n s e r v a t i o no ft h ee n t e r p r i s eg r i da r ei n t r o d u c e d i v 博士学位论文 an o v e ls h u n th y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ( n s h a p f ) f o rc o m p e n s a t i n g t h e h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e ri s p r o p o s e d ，w h i c hi s f o r s o l v i n gt h ep r o b l e mo f e l e c t r i cp o w e rl o s sc a u s e db yt h eh a r m o n i c si nt h eh i g hg r a d eg r i d t h ec o r r e s p o n d i n g t o p o l o g ys t r u c t u r ei sa n a l y z e d ，a n dt h ef i l t e r i n gp r i n c i p l ei s i n t r o d u c e dt h e o r e t i c a l l y t h es u p p r e s s i o no fh i g ho r d e rh a r m o n i e sb yu s i n gn s h a p fi si n v e s t i g a t e db y s i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，t h es t a b i l i t yo fn s h a p fi sa n a l y z e db ys i m u l a t i n gt h ef a u l t s i nt h eg r i ds u c ha st h es i n g l ep h a s ee a r t h i n g ，t h es h o r tc i r c u i tb e t w e e np h a s e s ，t h e s h o r tc i r c u i to ft h r e ep h a s e s ，t h ev o l t a g el e a p ，t h ev o l t a g es w e l la n ds a g s t h ec o n t r o l s c h e m ef o rt h ed c l i n kv o l t a g eo fn s h a p fa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rh a r m o n i c c u r r e n t sb yu s i n gt h ed o u b l ec l o s e l o o pa r ep r o p o s e dt h e n t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s i si n t r o d u c e da tl a s t ，w h i c hs h o w st h a tt h ep r o p o s e dn s h a p fc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h es u p p r e s s i o no fh a r m o n i e si nt h eh i g hg r a d eg r i d d u et ot h ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，l o wp o w e rf a c t o ra n dn e g a t i v ep h a s es e q u e n c e ( n p s ) c u r r e n tc a u s e db yl o a d so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a tw h e r et h e s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) i su s e dt os o l v et h o s ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s am u l t i p l eo b j e c t s u n i f i e dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o di sc o m p o s e do ft w o c o n t r o lp a r t s ：o n ec o n t r o lb r a n c hi sc l o s e d l o o pc o n t r o lo fp o w e rf a c t o ra n dn p s c u r r e n tc o m p e n s a t i o nf e e d f o r w a r dc o n t r o l ，a n o t h e rc o n t r o lb r a n c hi sc l o s e d - l o o p c o n t r o lo fb u sv o l t a g ea tt h ep o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ( p c c ) a n dn psc u r r e n t c o m p e n s a t i o nf e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 t h et w ob r a n c h e sc o u l db ea u t o m a t i c a l l ys w i t c h e d f o l l o w i n gt h e v a r i a t i o no fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t i e sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，af u z z y p ic o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rc l o s e d l o o pc o n t r o lo f p o w e rf a c t o r , w h i c hc a nc o a r s e l ya d j u s to rf i n e l ya d j u s tt h ep o w e r f a c t o rb yh y s t e r e s i s l o o pw i d t h an o n l i n e a rp ic o n t r o l l e ri sp r o p o s e df o rt h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo fp c c v o l t a g e ，w h o s ep ic o n s t a n t sa r ea d j u s t e db ya ni m p r o v e da c c e l e r a t es i m p l e xm e t h o d t h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so fp r o p o s e dm e t h o d sa r ev e r i f i e db yi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n sa n ds i m u l a t i o n s a tp r e s e n t ，t h e r ei sn or e p o r ta b o u tt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h ec o m p l e t es e to f e q u i p m e n tf o re l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o no fe n t e r p r i s e sw h i l em o s to ft h ee x i s t i n g r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so n l yf o c u so nt h es i n g l ea s p e c to ft h i st e c h n o l o g ya n d s h o wl i m i t e de f f e c t i v e n e s si ne n e r g yc o n s e r v a t i o n t h u s ，as y n t h e s i z e dm a n a g e m e n t s y s t e mb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mb a s e dm u l t i - a g e n ts y s t e m ( g a - m a s ) f o rt h e e l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o no fg r i di sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h eg a - m a si sb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h ma n dm u l t i - a g e n ts y s t e mt e c h n o l o g y , w h i c h c a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h eo p t i m a la d j u s t m e n to fe n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t w i t h v j g a m a s ，t h eb e n e f i to fe n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t c a nb em a x i m i z e dw h i l et h ec o s to f e q u i p m e n ta d j u s t m e n ti sm i n i m i z e d ，a n dt h es y n t h e s i z e de n e r g yc o n s e r v a t i o no fg r i d c a nb ea c h i e v e d a tf i r s t ，t h es t r u c t u r em o d e l so fs y s t e m ss u c ha s t h es y n t h e s i z e d m a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ea g e n ts t r u c t u r em o d e l so fa l l t h ee n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t a n dt h es t r u e t u r em o d e lo ft h em u l t i a g e n ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h et w os u b s y s t e m s o ft h em a n a g e m e n tl a y e r , v i z 。s y n t h e s i z e da u t o m a t i cs y s t e ma n dp o w e rm a n a g e m e n t s v s t e m 。a r ei n t r o d u c e dt h e n t h es y n t h e s i z e da u t o m a t i cs y s t e m ，w h i c hi sm a i n l y b a s e d o nt h er e a l t i m ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h em i c r o c o n t r o l l e r ，c a n c o o r d i n a t et h e f u n c t i o n ss u c ha sp r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n g ，c o n t r o la n dm o t i o nc o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，i t c a ne s t a b l i s has y n t h e s i z e dm i c r o c o n t r o l l e rb a s e dp r o t e c t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m t h e p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mm a i n l yf o c u s e so nt w oa s p e c t sf o re n e r g yc o n s e r v a t i o n ， v i z m a n a g e m e n ta n de q u i p m e n to p t i m i z a t i o n f o re n t e r p r i s e s ，i t c a nb ee f f e c t i v ei n r e d u c i n gt h ec o s t so fe l e c t r i cp o w e ra n dm a n u f a c t u r i n ga n dr a i s i n gt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dt h el e v e lo fe l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ts i m u l t a n e o u s l y f i n a l l y ，t h e s etp r o p o s e de c h n o l o g i e sf o re n e r g yc o n s e r v a t i o ni nt h i st h e s i sa r e e m p l o y r e di ne n t e r p r i s e sa n dt h ew h o l es t r u c t u r eo f r e l a t e de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sl s i n t r o d u c e d t h ed e s i g na n dr e l a t e da p p l i c a t i o no ft h ep r o p o s e dn s h a p f a n ds v ci n e n g i n e e r i n ga r ea l s op r e s e n t e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y n t h e s i z e da u t o m a t i c s v s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h ea n a l y s i so nt h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n i s i n t r o d u c e d w h i c hs h o w sg o o dp e r f o r m a n c ei np o w e r c o n s e r v a t i o n k e yw o r d s ：n o v e ls h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；u n i f i e dm u l t i - t a r g e t c o n t r o l ； e l e c t r i cp o w e rl o s so fh a r m o n i c s ；n e g a t i v ep h a s es e q u e n c e c u r r e n t c o m p e n s a t i o n ；r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ；g a m a s ；e l e c t r i c p o w e r m a n a g e m e n t ；e l e c t r i cp o w e rc o n s e r v a t i o n v l 博士学位论文 目录 学位论文原创性声明和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 v 插图索引x 附表索引x i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 我国配电网电气节能技术的需求分析2 1 3 国内外电气节能设备的研究现状3 1 3 1 谐波抑制设备的研究现状4 1 3 2 无功功率补偿设备的研究现状5 1 3 3 大型企业电气节能集成管理的研究现状7 1 4 论文选题的背景及各章节安排9 第2 章企业电气节能需求分析1 1 2 1 谐波和无功问题1 l 2 1 1 某冶炼企业1 1 2 1 2 某制造企业1 2 2 1 3 某化工企业1 3 2 1 4 典型企业谐波治理和。无功补偿需求1 4 2 2 变频节能问题1 4 2 3 电能量管理和优化节能问题1 4 2 4 本章小结15 第3 章高压侧新型谐波电气节能设备的研究1 6 3 1 高电压等级新型并联混合有源电力滤波器的基本结构1 6 3 1 1n s h a p f 拓扑结构1 6 3 1 2n s h a p f 暂态过程分析1 8 3 2n s h a p f 滤波原理分析2 1 3 3n s h a p f 拓扑结构滤波性能及稳定性仿真分析2 2 3 3 1n s h a p f 高次谐波补偿效果仿真分析2 2 3 3 2 电网故障时n s h a p f 稳定性仿真分析一2 3 3 3 3 电网电压变化时n s h a p f 稳定性仿真分析2 5 v i i 企业能量管理与节能技术研究及应用 3 4n s h a p f 谐波电流双闭环控制方法2 7 3 4 1 逆变器输出电流内环控制2 8 3 4 2 谐波电流外环控制2 9 3 5 实例分析一3 1 3 6 本章小结3 4 第4 章高压电气节能设备及多目标统一控制方法3 6 4 1 高压s v c 系统的组成3 7 4 2s v c 控制模型的建立3 7 4 2 1t c r 的等效模型3 7 4 2 2s v c 装置的控制模型3 9 4 3 多目标统一控制器的设计4 0 4 3 1 控制器的结构4 0 4 3 2 不平衡负载阻抗未知时负序补偿电纳计算4 l 4 3 3 功率因数模糊p i 闭环控制4 3 4 3 4 电压闭环最优非线性控制4 5 4 3 5 智能开关4 5 4 4 仿真分析一4 5 4 5 工程应用一4 8 4 6 本章小结一5 0 第5 章基于多智能体的企业配电网节能降耗综合管理系统5 1 5 1 基于g a m a s 配电网节能降耗综合管理系统5 2 5 1 1 多