基于分布式物理圖網的變頻調速系統能耗仿真方法研究

鄭鑫 邱澤晶 許湘蓮 劉婷 張珂斐

摘 要： 當前，用能系統中各設備的能耗管理和節能診斷成為新興的研究熱點。一般的建模軟件僅關注系統的動態特性，而對于設備單元結構的能耗特性無法提供針對性的分析方式。文章以在工業生產及電器設備中應用普遍的變頻調速系統為研究對象，利用分布式物理圖網建模方法建立數學模型，結合Simulink平臺構建了模塊化的設備能耗模型。仿真結果滿足能耗參數運行的理論規律。該仿真研究方法可為能耗數據的觀測和分析提供新的思路。

關鍵詞： 變頻調速系統； 分布式物理圖網； Simulink； 能耗模型

中圖分類號：TP15；TM32 文獻標志碼：A 文章編號：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

節能減排成為設備研發的新趨勢，各研究機構對能耗管理系統、能耗仿真軟件、節能降耗方法等方面紛紛進行了研究。在能耗管理系統方面，主要通過接入電能測量終端數據、電表數據、評價數據等形成大數據分析平臺；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荷的模擬分析提供了多樣化的平臺[1-2]；在節能降耗方面，新型節能設備的替換方式、節能控制策略等方面都有許多新的研究成果。

在工業生產和電器設備中，風機和水泵是最常見的機械設備。變頻調速技術作為成熟的節能方式普遍應用于風機、泵類負載系統的節能，因此有必要對其能耗特性進行研究，以獲取系統最佳運行模式，提升系統節能潛力。文獻[3-4]對能耗分析軟件應用于空調系統節能改造和能耗分析的方法進行了闡述，類似的能耗分析軟件偏重于建筑能耗和空調總負荷的調控；TRNSYS軟件專業性強，能對泵類系統進行瞬態仿真，輸出能耗參數，然而操作界面不夠友好，而且輸入參數中含有不便于實際測量的數據。文獻[5-6]從水泵配置、水泵選型、運行模式、變頻調速技術等方面分析了其對系統能耗的影響，認為采用變頻調速技術的系統仍然存在能效提升點。本文將在上述研究的基礎上，針對通用變頻調速系統缺乏友好的能耗分析工具的現狀，通過對用能系統的工作機理和建模方法研究，建立能耗指標評價體系，從而借助MATLAB/Simulink仿真平臺構建能耗仿真模型，為能耗數據的觀測和分析提供新思路。

1 能耗指標評價體系

本文從設備靜態能耗、電能質量、設備運行能耗、節能評價四個方面建立針對變頻調速系統的能耗指標評價體系，如圖1所示。①設備靜態能耗指標：在設備初始狀態下，能反映設備標準能耗狀況的指標，包括電機效率、風機效率。該指標通過額定數據來確定。②電能質量指標：設備在運行狀態下，能反映電網電能質量及設備對電能質量影響的指標，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、總視在功率、電壓不平衡度、電流不平衡度等。③設備運行能耗指標：設備在運行狀態下，反映設備及系統的耗能因素的指標，包括電機運行效率、電機負載率、風機運行效率、系統運行效率等。通過對這些指標的分析，能找到系統耗能優化提升點，提出適用的節能改造方案。④節能評價指標：在節能改造前后，反映設備及系統改造可行性的指標，包括設備年節能量、設備年節電量、系統年節能量、系統年節電量、投資回收期等。通過這些指標可對多個改造方案進行可行性分析，確定最有價值的方案。

本文針對與系統運行聯系緊密的電能質量指標和設備運行能耗指標建立模型，提供快速分析平臺。

2 分布式物理圖網思想

通常的建模方法存在多種缺陷。①電機具有多參數、非線性的特點，簡單的數學模型難以描述其運動規律。②將設備的多個參數作為輸入輸出，這些參數往往不便于實際測量，缺乏數據來源。③非重點參數存在于操作端口，影響使用的便捷性。④缺少針對設備單元的能耗分析端口，普通的觀測口無法直觀反映設備或系統的能耗狀況。在實際建模工作中，可采用分布式物理圖網建模思想解決這些問題。這種建模方法以實際物理單元的結構和作用機理為建模依據，重點關注模型的端口變量，具有物理概念清晰、模型描述方式普適的優點[7]。

按分布式物理圖網建模理論，運動系統可根據能量流和信息流被劃分為多個物理單元。其中能量流包括能量傳遞、轉換、供給、消耗和存儲五種關系；信息流主要體現在系統單元的物理結構層次、幾何關系、結構特性。劃分后的單元還需通過原理、規則的分析以函數關系和約束條件的描述封裝為模型。在對系統進行建模時，以系統的能量流及信號流為線索，按實際系統的拓撲結構，使用已建成的各單元模型，搭建成系統模型進行仿真即可。

3 能耗仿真模型的構建

為便于描述，本文以三相鼠籠式異步電機帶風機負載為例進行說明。首先根據系統工作結構劃分部件。①電源：三相交流電壓。②電動機：三相鼠籠式異步電機。③傳動機構：帶動生產機械轉動。④工作機構：風機，當使用變頻裝置時，風機閥門開度最大。⑤控制設備：指變頻調速裝置。

三相交流電壓源來自于電網線路，提供的電源參數包括電壓幅值、頻率、相位，相當于能量供給單元中的壓力源，采用三相正弦數學模型即可；系統中的三相鼠籠式異步電動機將輸入的電能轉換為機械能，考慮電網質量指標的獲取，劃分端口時包括一個電氣端口，輸入三相交流電壓和電流，一個旋轉機械端口，輸出轉矩和轉速，通過轉矩和轉速的乘積獲取功率指標，整個電機相當于能量轉換單元中的變換器，其數學模型根據電機結構進行坐標變換分析得到。一般傳動機構用于變速和傳遞轉矩，相當于能量轉換單元中的轉換器，按照運動規律進行折算得到；風機將軸上的機械能轉換為葉輪上的旋轉運動，本質上仍是機械能轉換，相當于能量轉換單元中的轉換器，劃分為一個輸入端口，輸入轉速，兩個輸出端口，輸出轉矩和轉速，其數學模型通過狀態方程得到。變頻器通過調節異步電機電源頻率控制電機轉速，進而控制風機轉速，此處使用恒壓頻比和定子補償的原理歸納數學模型。

變頻調速系統部件庫的基本信息如表1所示。

電網電壓經變頻調速裝置轉換為頻率可控的三相交流電，作為異步電機的電氣輸入，其輸出為機械量，帶動傳動機構旋轉，并通過變速將轉速傳遞至風機，使風機的轉速得到控制，進而實現控制風流量的目的。依信息流和能量流的傳遞規律，異步電機系統模型框圖如圖2所示。

4 仿真應用

首先將狀態方程以.m文件的形式定義為函數，在Simulink界面將函數文件寫入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。借助Simulink的測量工具和scope、display查看工具可得到不同仿真狀態下各部件的輸出，例如電機定子電流、定子電壓、軸功率等，根據這些數據可進一步計算出效率、功率因數。搭建形成的仿真模型如圖3所示。

仿真的運行時間設置為5s，仿真類型為變步長，采用ode45算法，最大步長、最小步長、絕對精度設置為auto，相對精度設置為1e-3。以Y100L2-4型號的三相異步電機為例。設置0s時控制機構輸出30Hz、132.8V的三相交流電壓輸送給異步電機，在3s時控制機構的輸出躍變為38Hz、167.7V的三相交流電壓。在前3s時，三相電動機定子電流為穩定的三相交流電流，工作機構的轉矩和轉速逐漸由0上升至穩定狀態，當控制機構的頻率突然提高時，電動機定子電流也隨之增大，并快速趨于穩定，穩定后波形仍保持為三相交流正弦，工作機構的轉速和轉矩則緩慢增大，直至到達新的穩定狀態，如圖6。

該模型可用于模擬不同負載率下電機工作狀態。使用Simulink中的display模塊獲取電機轉速和電壓幅值，根據負載率公式得到負載率的變化：

⑴

式中n1為異步電機同步轉速，nN為異步電機額定轉速，ns為異步電機實際轉速，UN為異步電機額定工作電壓，US為異步電機實際工作電壓。

通過觀測點獲取電機輸出功率，借助Simulink功率測量模塊、傅里葉分析模塊，測量得到輸入功率和功率夾角，進而得到電機效率和功率因數。應用本文的模型，繪制出的電機效率-負載率變化曲線和功率因數-負載率變化曲線如圖7所示。在圖示區間范圍內，功率因數隨負載率的升高而提高，效率隨負載率的升高呈先增后降的趨勢，滿足電機運行曲線規律。

5 結束語

本文以變頻調速系統為例，從系統出廠、安裝運行，到節能改造，考慮期間的能耗因素，建立了詳細的能耗指標評價體系，并以電能質量指標和設備運行能耗指標為分析依據，使用分布式物理圖網建模的思想構建仿真模型。通過運行驗證了變頻調速機構的運行規律，通過直接測量方式獲取電壓、電流、轉速、功率因數，在此基礎上進一步獲取功率、效率數據。對效率、功率因數的觀測結果表明，該參數隨負載率的變化趨勢符合理論規律。

相對于普通的仿真手段，本文對所提供的模型進行了模塊化設計，僅針對能耗指標相關的端口預留觀測點，且端口變量中的電壓、電流、轉速等都為易于測量的參數，無需復雜理論計算，減輕了人工分析的工作量。此外，本文關注于設備單元的能耗分析，而不僅是系統的整體負荷，操作也更為便捷。限于時間因素，本文對部分能耗指標未作更為深入的分析，例如節能評價指標，其在節能內容中也占據著重要地位，對此可以考慮利用軟件分析的優勢為節能改造工作提供先行決策，避免無效的工作量。

參考文獻（References）：

[1] 潘毅群，吳剛.建筑全能耗分析軟件EnergyPlus及其應用[J].

暖通空調，2004.34（9）：2

[2] 焦曼麗，王岳人，張海峰等.濟南地區第三階段節能住宅能耗

及經濟性分析[J].節能，2007.26（9）：37

[3] 劉曉男，孫建.EnergyPlus能耗分析軟件在空調系統節能改

造中的應用[J].施工技術，2012.S1：398

[4] 陳敏，吳志湘，文力.基于蒸發冷卻空調系統的能耗分析軟件

選擇分析[J].潔凈與空調技術，2012.2：52

[5] 武文杰，黃普.循環水泵的配置及變頻調速的能耗分析[J].煤

氣與熱力，2004.24（7）：388

[6] 樊建軍，梁志君，董毅等.水泵選型與運行模式對變頻調速供

水系統能耗的影響[J].中國農村水利水電，2007.7：25

[7] 陳燚濤，李朝暉.全狀態數字化建模及其在水電機組維護中

的應用[J].系統仿真學報，2008.20（2）：499