基于模糊控制的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

劉桂濤　張?zhí)旆病±钫?/p>

摘 要： 提出污水處理廠(chǎng)中應(yīng)用基于模糊控制的三電平逆變器變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，研究污水處理廠(chǎng)大功率水泵控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙輸入?單輸出的模糊控制器對(duì)變頻器進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的有效控制，可以顯著地提高污水處理中大功率電機(jī)的節(jié)能效果，對(duì)降低污水處理能耗和成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 模糊控制； 變頻； 節(jié)能； 污水處理； 自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN081?34； TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）07?0135?04

Application of variable?frequency speed regulation and energy?saving technology

based on fuzzy control in sewage treatment

LIU Guitao1， ZHANG Tianfan2， LI Zhe1

（1. School of Computer and Information Science， Hubei Engineering University， Xiaogan 432000， China；

2. School of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： The three?level inverter′s variable?frequency speed regulation and energy?saving technology based on fuzzy control applied to the sewage treatment plant is proposed. The variable?frequency speed regulation system to control the high?power water pump in the sewage treatment plant is studied. The fuzzy controller with two inputs and single output is adopted in the system to control the frequency converter. The effective control of the high?power motor was realized， which can significantly improve the energy?saving effect of the high?power motor in the sewage treatment， and has great importance to reduce the energy consumption and cost of the sewage treatment.

Keywords： fuzzy control； frequency conversion； energy saving； sewage treatment； automatic control

0 引 言

在污水處理廠(chǎng)中，污水處理的工藝主流程如提升泵房、曝氣池生化處理、污泥消化及污泥脫水、加藥處理等都需要大功率電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，每天需要消耗大量電能[1]，因而在其運(yùn)行中需要較高的運(yùn)行費(fèi)用。在目前運(yùn)行的城市污水處理中，電耗一般會(huì)占到直接運(yùn)營(yíng)成本（包括電耗、藥耗、大修維護(hù)費(fèi)、污泥運(yùn)輸費(fèi)、人員工資、管理費(fèi)）的50%左右[2]，因此如何有效地降低運(yùn)行電耗對(duì)污水處理廠(chǎng)的運(yùn)行具有重要意義。近年來(lái)，隨著變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的日益成熟，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于污水處理廠(chǎng)中，節(jié)電效果非常顯著[3]。本文以宜昌市花艷污水處理廠(chǎng)為例，提出基于模糊控制的三電平逆變器變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[4]，研究了這種變頻節(jié)能技術(shù)對(duì)降低電機(jī)能耗，提高電機(jī)效率的意義。

1 污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

宜昌市花艷污水處理廠(chǎng)的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由PLC組成的反饋控制器進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)的反饋控制系統(tǒng)，其中通過(guò)PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部門(mén)的處理工藝進(jìn)行控制。從圖1中可以看出，大部分控制信號(hào)作用在一些大功率的電機(jī)設(shè)備上，如污水提升泵、加藥泵、污泥泵、循環(huán)泵等。在整個(gè)污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)各路采集到的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)節(jié)，控制整個(gè)污水處理過(guò)程[5]。

目前，污水處理廠(chǎng)中的電機(jī)控制大多采用PID調(diào)節(jié)控制技術(shù)，效果不理想。污水處理廠(chǎng)中的電機(jī)控制采用基于模糊控制的三電平逆變器變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，這種控制技術(shù)相對(duì)于PID控制技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是超調(diào)量和振蕩小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)[6]，其變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可以根據(jù)各路采集到的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。

2 三電平逆變器供電的異步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用，其關(guān)鍵就是構(gòu)建基于逆變器供電的異步電機(jī)控制系統(tǒng)。三電平逆變器在對(duì)污水處理廠(chǎng)中的大功率電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，具備中點(diǎn)電位浮動(dòng)的功能，而且三電平逆變器不僅能夠?yàn)殡姍C(jī)提供電壓源，同時(shí)還可以受電機(jī)控制，是一個(gè)受控電壓源，因而可以較好地構(gòu)建異步電機(jī)控制系統(tǒng)，其控制原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其輸出電壓可以表示為：

[vANvBNvCN=132-1-1-12-1-1-12sapvdc-saovc2sbpvdc-sbovc2scpvdc-scovc2] （1）

式中：[sij]表示各相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中1表示通，0表示斷，[vij]表示各相橋臂間的電壓。

同時(shí)，其各相橋臂的電流模型可以采用以下方程進(jìn)行描述[7]：

[ipioin=sapsbpscpsaosboscosansbnscniaibic] （2）

式中：[ii]表示各個(gè)相橋臂點(diǎn)的回路電流大小。

根據(jù)電流電壓模型，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到整個(gè)異步電機(jī)的電流方程如下：

[LpI=VpI=-L-1RI+L-1V] （3）

式中：[L]為電機(jī)的各相電感系數(shù)；[R]為電機(jī)的各相電阻系數(shù)。

通過(guò)上述方程可以構(gòu)建出整個(gè)三電平逆變器供電的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)理論模型。

基于上述理論模型，結(jié)合實(shí)際污水處理的相關(guān)電機(jī)控制，考慮到在三相靜止坐標(biāo)系中，這些理論模型參數(shù)實(shí)際上會(huì)受到轉(zhuǎn)子夾角和轉(zhuǎn)速變化的影響，若直接采用這些理論模型構(gòu)建整個(gè)污水處理電機(jī)控制系統(tǒng)，則無(wú)法表達(dá)出電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化過(guò)程，達(dá)不到實(shí)際控制的效果和目的，為了更好地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，提高電機(jī)控制效率，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法對(duì)其進(jìn)行解耦 [8]，可得到解耦控制模型如下：

式中：[σ=1-L2mLsLr；KP，KI]分別為比例系數(shù)和積分常數(shù)。

基于上述改進(jìn)的解耦方法和前面對(duì)三電平逆變器的電機(jī)控制原理及模型分析，可以構(gòu)建如圖3所示的三電平逆變矢量控制系統(tǒng)，作為污水處理廠(chǎng)中大功率電機(jī)的變頻控制調(diào)節(jié)器。

3 基于模糊控制的三電平逆變器變頻調(diào)速

控制方法

3.1 三電平逆變器變頻調(diào)速的諧波消除

根據(jù)三電平變頻調(diào)速技術(shù)原理可知，在三電平逆變器變頻調(diào)速的過(guò)程中，其工作電壓通常較高，逆變器的輸出電壓跳變幅度也非常大，同時(shí)根據(jù)前面對(duì)污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)原理的分析可知，污水處理的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)閉環(huán)的反饋系統(tǒng)，在處理過(guò)程中需要不斷的通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)各種泵的控制[9]，這將導(dǎo)致產(chǎn)生很大的[dudt，]當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低時(shí)，其電流的諧波畸變影響也非常大，因此，在整個(gè)三電平逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要采取相應(yīng)的方法對(duì)三電平調(diào)制過(guò)程中的諧波進(jìn)行消除，降低諧波影響。針對(duì)諧波影響，從三電平的SVPWM調(diào)制空間矢量選擇上進(jìn)行處理[10]，三種調(diào)制模式實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

要消除諧波影響，可以按照空間矢量NTV法則進(jìn)行合成，其實(shí)質(zhì)就是要對(duì)三種調(diào)制模式進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)制[9]，選取三角形[A]的三個(gè)頂點(diǎn)作為參考矢量，按照如下順序進(jìn)行調(diào)制選取：

這樣就可以有效地避免第I扇區(qū)在調(diào)制過(guò)程中產(chǎn)生較大的諧波影響，同理，在第IV扇區(qū)采用以下電壓矢量作用順序，也可以有效地抵制其諧波的影響。

基于上述選取原則，得到一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的矢量分配如圖5所示。

基于上述方法，在最后的調(diào)制輸出過(guò)程中，就可以有效地避免諧波分量帶來(lái)的影響，降低諧波輸出功率，進(jìn)而使得在電機(jī)的調(diào)制過(guò)程中更加平穩(wěn)，穩(wěn)定性更強(qiáng)，同時(shí)能源利用效率更高。

3.2 基于模糊控制的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡方法

根據(jù)前面對(duì)三電平逆變器控制原理的分析可知，當(dāng)三電平逆變器直流側(cè)的兩個(gè)電容電壓不相等時(shí)，開(kāi)關(guān)器件承受的電壓將是母線(xiàn)直流電壓的2倍以上，極大地增加了三電平逆變器控制系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力，同時(shí)輸出電壓諧波的含量也會(huì)增大，在變頻器的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，特別是在電機(jī)的調(diào)控過(guò)程中都會(huì)造成直流側(cè)的電容電壓失衡。

基于模糊控制的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡方法可以有效地解決該問(wèn)題，該方法通過(guò)檢測(cè)電容電壓和負(fù)載電流方向，采用模糊控制器對(duì)矢量的作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)節(jié)基本電壓矢量中正負(fù)矢量的作用時(shí)間，快速實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡，進(jìn)而達(dá)到更好的調(diào)控效果。同時(shí)采用開(kāi)關(guān)變量表示三電平逆變器各個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將逆變器的功率開(kāi)關(guān)用單刀三擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行替換，這樣便能實(shí)現(xiàn)任何時(shí)刻觸點(diǎn)都只有一種連接狀態(tài)，即有以下數(shù)學(xué)模型成立：

[Sij=1] （5）

式中：[Sij]表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)；[i=a，b，c；j=P，O，N。]同時(shí)可以采用如下數(shù)學(xué)模型對(duì)直流母線(xiàn)的電容電壓進(jìn)行描述：

[VC1=1C10tiC1dτ+VC10VC2=1C20tiC2dτ+VC20] （6）

式中：[iC1]表示[C1]上的電流大小；[iC2]表示[C2]上的電流大小；[VC10]與[VC20]表示電容電壓的初始電壓。假設(shè)在開(kāi)始工作時(shí)兩個(gè)電容電壓相等，那么可以進(jìn)一步得到：

[VC10=VC20=Vdc2] （7）

進(jìn)一步可以得到：

[iC1=iC2=io2] （8）

[VC1=12C0tiodτ+Vdc2VC2=12C0tiodτ+Vdc2] （9）

結(jié)合三電平逆變器電機(jī)控制模型分析可以看出，中點(diǎn)電位不平衡主要是由于電容充電和放電的影響，其中中點(diǎn)電位的波動(dòng)和電流的關(guān)系如下：

[Δv=ioC] （10）

式中：[C]為電容容量；[io]為中點(diǎn)電流。

在電容容量有限的時(shí)候，如果想要減少其充放電時(shí)間，就需要在具體的控制中使得中點(diǎn)電流保持最小，然而，由于在零矢量和大矢量的情況下中點(diǎn)電流是不受影響的，而在中矢量的過(guò)程中，電流的影響是不可控量，所以在方法設(shè)計(jì)過(guò)程中，想要保證整個(gè)中點(diǎn)平衡，就只需要考慮中點(diǎn)電位平衡。

基于上述分析，控制過(guò)程中可以使用模糊控制實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位的控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證基于模糊控制的三電平逆變器電機(jī)調(diào)速方法的正確性和可靠性，利用Matlab 13仿真軟件，采用Simulink庫(kù)搭建具體的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，對(duì)中點(diǎn)電位輸出波形進(jìn)行仿真測(cè)試。

一般控制方法中點(diǎn)電位輸出波形結(jié)果如圖7所示。

基于模糊控制的三電平逆變器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的中點(diǎn)電位仿真輸出波形如圖8所示。

通過(guò)上述對(duì)比分析可以看出，采用模糊控制的三電平逆變器明顯地改善了中點(diǎn)電位的輸出，其輸出更加平穩(wěn)可靠，波動(dòng)性更小。表明采用模糊控制策略后有效地改善了其控制性能，提高了整個(gè)調(diào)速控制的效率，并降低了諧波能耗。

系統(tǒng)中點(diǎn)電位仿真輸出波形

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上面的研究證明，在污水處理廠(chǎng)中應(yīng)用基于模糊控制的三電平逆變器變頻控制系統(tǒng)對(duì)大功率水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅可以通過(guò)模糊控制策略很好地實(shí)現(xiàn)三電平變頻控制器的中點(diǎn)電位平衡，使得輸出更加穩(wěn)定可靠，同時(shí)還可以有效地降低控制過(guò)程中的諧波能耗，提高其能量利用效率。

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