变频调速节能技术在恒压供水的应用
刘桂涛 张天凡 李哲
摘 要： 提出污水处理厂中应用基于模糊控制的三电平逆变器变频调速节能技术，研究污水处理厂大功率水泵控制的变频调速系统，该系统采用双输入?单输出的模糊控制器对变频器进行控制，最终实现对大功率电动机的有效控制，可以显著地提高污水处理中大功率电机的节能效果，对降低污水处理能耗和成本具有重要意义。
关键词： 模糊控制； 变频； 节能； 污水处理； 自动控制
中图分类号： TN081?34； TU398 文献标识码： A 文章编号： 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
在污水处理厂中，污水处理的工艺主流程如提升泵房、曝气池生化处理、污泥消化及污泥脱水、加药处理等都需要大功率电机来驱动，每天需要消耗大量电能[1]，因而在其运行中需要较高的运行费用。在目前运行的城市污水处理中，电耗一般会占到直接运营成本（包括电耗、药耗、大修维护费、污泥运输费、人员工资、管理费）的50%左右[2]，因此如何有效地降低运行电耗对污水处理厂的运行具有重要意义。近年来，随着变频调速节能技术的日益成熟，变频调速节能技术越来越广泛地应用于污水处理厂中，节电效果非常显著[3]。本文以宜昌市花艳污水处理厂为例，提出基于模糊控制的三电平逆变器变频调速节能技术[4]，研究了这种变频节能技术对降低电机能耗，提高电机效率的意义。
1 污水处理厂自动控制系统概述
宜昌市花艳污水处理厂的控制系统基本结构如图1所示。其主要由PLC组成的反馈控制器进行串联，实现多级串联的反馈控制系统，其中通过PLC控制器实现对各个部门的处理工艺进行控制。从图1中可以看出，大部分控制信号作用在一些大功率的电机设备上，如污水提升泵、加药泵、污泥泵、循环泵等。在整个污水处理厂自动控制系统中，其实质是通过各路采集到的反馈信号实现对各种驱动电机的调节，控制整个污水处理过程[5]。
目前，污水处理厂中的电机控制大多采用PID调节控制技术，效果不理想。污水处理厂中的电机控制采用基于模糊控制的三电平逆变器变频调速节能技术，这种控制技术相对于PID控制技术，其优点是超调量和振荡小、调节时间短、稳定性好、抗干扰能力强[6]，其变频调速节能技术可以根据各路采集到的反馈信号实现闭环自动控制。
2 三电平逆变器供电的异步电机变频控制系统
实现变频技术在污水处理中的应用，其关键就是构建基于逆变器供电的异步电机控制系统。三电平逆变器在对污水处理厂中的大功率电机进行控制时，具备中点电位浮动的功能，而且三电平逆变器不仅能够为电机提供电压源，同时还可以受电机控制，是一个受控电压源，因而可以较好地构建异步电机控制系统，其控制原理结构如图2所示。
其输出电压可以表示为：
[vANvBNvCN=132-1-1-12-1-1-12sapvdc-saovc2sbpvdc-sbovc2scpvdc-scovc2] （1）
式中：[sij]表示各相桥臂的开关状态，其中1表示通，0表示断，[vij]表示各相桥臂间的电压。
同时，其各相桥臂的电流模型可以采用以下方程进行描述[7]：
[ipioin=sapsbpscpsaosboscosansbnscniaibic] （2）
式中：[ii]表示各个相桥臂点的回路电流大小。
根据电流电压模型，进一步推导可以得到整个异步电机的电流方程如下：
[LpI=VpI=-L-1RI+L-1V] （3）
式中：[L]为电机的各相電感系数；[R]为电机的各相电阻系数。
通过上述方程可以构建出整个三电平逆变器供电的异步电机调速系统理论模型。
基于上述理论模型，结合实际污水处理的相关电机控制，考虑到在三相静止坐标系中，这些理论模型参数实际上会受到转子夹角和转速变化的影响，若直接采用这些理论模型构建整个污水处理电机控制系统，则无法表达出电机运行状态的变化过程，达不到实际控制的效果和目的，为了更好地对电机进行控制，提高电机控制效率，通过坐标变换的方法对其进行解耦 [8]，可得到解耦控制模型如下：
式中：[σ=1-L2mLsLr；KP，KI]分别为比例系数和积分常数。
基于上述改进的解耦方法和前面对三电平逆变器的电机控制原理及模型分析，可以构建如图3所示的三电平逆变矢量控制系统，作为污水处理厂中大功率电机的变频控制调节器。
3 基于模糊控制的三电平逆变器变频调速
控制方法
3.1 三电平逆变器变频调速的谐波消除
根据三电平变频调速技术原理可知，在三电平逆变器变频调速的过程中，其工作电压通常较高，逆变器的输出电压跳变幅度也非常大，同时根据前面对污水处理自动控制系统原理的分析可知，污水处理的实质就是一个闭环的反馈系统，在处理过程中需要不断的通过调节电机的转速实现对各种泵的控制[9]，这将导致产生很大的[dudt，]当开关频率低时，其电流的谐波畸变影响也非常大，因此，在整个三电平逆变器变频调速系统中，要采取相应的方法对三电平调制过程中的谐波进行消除，降低谐波影响。针对谐波影响，从三电平的SVPWM调制空间矢量选择上进行处理[10]，三种调制模式实现原理如图4所示。
要消除谐波影响，可以按照空间矢量NTV法则进行合成，其实质就是要对三种调制模式进行简单的调制[9]，选取三角形[A]的三个顶点作为参考矢量，按照如下顺序进行调制选取：
这样就可以有效地避免第I扇区在调制过程中产生较大的谐波影响，同理，在第IV扇区采用以下电压矢量作用顺序，也可以有效地抵制其谐波的影响。
基于上述选取原则，得到一个开关周期内的矢量分配如图5所示。
基于上述方法，在最后的调制输出过程中，就可以有效地避免谐波分量带来的影响，降低谐波输出功率，进而使得在电机的调制过程中更加平稳，稳定性更强，同时能源利用效率更高。
3.2 基于模糊控制的三电平逆变器中点电位平衡方法
根据前面对三电平逆变器控制原理的分析可知，当三电平逆变器直流侧的两个电容电压不相等时，开关器件承受的电压将是母线直流电压的2倍以上，极大地增加了三电平逆变器控制系统中开关的电压应力，同时输出电压谐波的含量也会增大，在变频器的负载发生变化时，特别是在电机的调控过程中都会造成直流侧的电容电压失衡。
基于模糊控制的三电平逆变器中点电位平衡方法可以有效地解决该问题，该方法通过检测电容电压和负载电流方向，采用模糊控制器对矢量的作用时间进行调整，通过调节基本电压矢量中正负矢量的作用时间，快速实现电容电压平衡，进而达到更好的调控效果。同时采用开关变量表示三电平逆变器各个桥臂的开关状态，将逆变器的功率开关用单刀三掷开关进行替换，这样便能实现任何时刻触点都只有一种连接状态，即有以下数学模型成立：
[Sij=1] （5）
式中：[Sij]表示开关状态；[i=a，b，c；j=P，O，N。]同时可以采用如下数学模型对直流母线的电容电压进行描述：
[VC1=1C10tiC1dτ+VC10VC2=1C20tiC2dτ+VC20] （6）
式中：[iC1]表示[C1]上的电流大小；[iC2]表示[C2]上的电流大小；[VC10]与[VC20]表示电容电压的初始电压。假设在开始工作时两个电容电压相等，那么可以进一步得到：
[VC10=VC20=Vdc2] （7）
进一步可以得到：
[iC1=iC2=io2] （8）
[VC1=12C0tiodτ+Vdc2VC2=12C0tiodτ+Vdc2] （9）
结合三电平逆变器电机控制模型分析可以看出，中点电位不平衡主要是由于电容充电和放电的影响，其中中点电位的波动和电流的关系如下：
[Δv=ioC] （10）
式中：[C]为电容容量；[io]为中点电流。
在电容容量有限的时候，如果想要减少其充放电时间，就需要在具体的控制中使得中点电流保持最小，然而，由于在零矢量和大矢量的情况下中点电流是不受影响的，而在中矢量的过程中，电流的影响是不可控量，所以在方法设计过程中，想要保证整个中点平衡，就只需要考虑中点电位平衡。
基于上述分析，控制过程中可以使用模糊控制实现对中点电位的控制，其控制系统结构如图6所示。
4 实验仿真测试
为了验证基于模糊控制的三电平逆变器电机调速方法的正确性和可靠性，利用Matlab 13仿真软件，采用Simulink库搭建具体的实验仿真平台，对中点电位输出波形进行仿真测试。
一般控制方法中点电位输出波形结果如图7所示。
基于模糊控制的三电平逆变器电机调速系统的中点电位仿真输出波形如图8所示。
通过上述对比分析可以看出，采用模糊控制的三电平逆变器明显地改善了中点电位的输出，其输出更加平稳可靠，波动性更小。表明采用模糊控制策略后有效地改善了其控制性能，提高了整个调速控制的效率，并降低了谐波能耗。
系统中点电位仿真输出波形
5 结 语
通过上面的研究证明，在污水处理厂中应用基于模糊控制的三电平逆变器变频控制系统对大功率水泵进行调节，不仅可以通过模糊控制策略很好地实现三电平变频控制器的中点电位平衡，使得输出更加稳定可靠，同时还可以有效地降低控制过程中的谐波能耗，提高其能量利用效率。
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