多電機同步控制在多臺水泵并列運行中的必要性

王啟業(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

多電機同步控制在多臺水泵并列運行中的必要性

王啟業
(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

分析了熱網循環水系統中并列運行的大功率水泵組電機轉速不同步對泵組效率和運行振動的影響，提出了電機轉速不同步會導致泵組整體效率下降以及水泵運行振動加劇，并對并聯同步控制進行了仿真分析，驗證了并聯同步控制在多臺泵并列運行中的可行性。在國家節能降耗的政策背景下，同步控制對熱電廠降低廠用電率、優化水泵運行顯得至關重要。

循環水泵組效率；并聯同步控制；節能降耗

0 引 言

廠用電率作為電廠節能降耗的一個重要指標，不容被忽視，熱電廠的廠用電率一般在8%左右[1]，廠內主要的耗電設備多為水泵和風機，其中大功率的給水泵、凝汽器循環水泵、熱網循環泵及其凝結水泵都是多臺并列運行，并留有備用泵，這些泵耗電量很大，占整個廠用電的比例達到75%，因此，通過提高大功率水泵組的運行效率、降低其耗電量，來降低廠用電率顯得尤為重要。

在水泵的性能實驗中通過實驗數據計算出泵的運行效率，運行效率低可直接反映出水泵電耗高，造成廠內水泵電耗高的原因主要有兩個：一是泵選型不合理，主要表現在泵的設計揚程比實際揚程偏大很多，這種情況，可通過泵腔內葉輪改造使泵運行在高效區域；二是并列布置的泵組運行不合理導致泵組的整體效率下降，造成電耗增加。針對后者進行分析，通過國內某電廠熱網水循環泵實驗數據驗證泵之間運行不同步導致泵組效率下降，并給出理論分析，利用MATLAB仿真分析得出：并聯同步控制可有效提升泵組運行效率。

1 熱網水循環泵組性能實驗

國內某熱電廠熱網首站配套8臺熱網循環泵，循環泵型號為KQSN/J350-M4/693，單極雙吸離心泵，一拖一變頻控制，設計為6用2備，最多實際運行數量為7臺。供熱末期對其中4臺熱網水循環泵進行了性能考核。

1.1 熱網水循環泵組并列運行結構

圖1 熱網水循環泵的控制系統結構圖

1.2 熱網循環泵參數及其實驗參數

熱網循環泵設計參數如表1所示。

表1 熱網循環泵設計參數

性能實驗分為5個工況進行，如表2所示。

表2 試驗工況表

實驗數據記錄如表3所示。

表3 實驗數據記錄

注：循環泵揚程設計偏離設計值過大，導致泵效率偏低。

1.3 實驗數據分析

圖2 熱網循環泵組效率與流量的關系曲線

從圖2中可以看出，泵組轉速不同步(工況1：頻率不同步)時，泵組的效率明顯低于轉速相同時的工況。實驗中還發現，頻率不同步的泵組中有2臺泵振動明顯加劇，主要是因為頻率低的水泵被“搶水”，泵流量下降，進出口管路水流出現周期性喘息現象，導致泵的振動加劇，運行不穩定。

2 多電機同步控制方案

對多電機的同步控制研究，大致分為4種[2]：(1)基于同一給定電壓的并聯運行方法，各電機的速度環采用同一給定電壓,這種方法線路簡單，實現容易，但啟動同步跟隨性好，抗負載擾動能力差；(2)基于同一給定電壓的串聯運行方法，以前一臺電機的轉速輸出作為下一臺電機的速度給定，這種方法簡單易行，但啟動過程跟隨性能不是很理想，抗負載擾動不十分理想；(3)基于補償原理的輸出耦合控制方法，在各電機采用同一給定電壓或以前一臺電機的轉速輸出作為下一臺電機的速度給定的基礎上，比較主從電機的轉速，其差值經補償器加到從或主電機的控制輸入端，這種方法使同步控制精度和抗負載擾動能力都得到了很大的提高，在實際應用中使用最廣泛，補償的方式方法不同效果也有差異；(4)基于現代控制理論的控制方法，這種控制方法主要是在前3種方法的基礎之上將現代控制理論應用到控制kongz控制器的設計和被控對象的模型辨識中。

鑒于上述幾種同步控制方法實現難易程度不同，綜合考慮電廠實際運行邏輯，提出將簡單易實現的并聯同步控制方法運用到熱網水循環泵組的控制中，即所有電機給定同一轉速，并聯同步控制結構圖如圖3所示。

圖3 并列同步控制結構圖

3 模型設計與仿真分析

在實際運行中，拖動熱網水循環泵的電動機采用大功率的三相異步交流電動機。交流電動機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統[3]。在實際工程中大多運用矢量控制技術[4]，通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量，用來分別控制電動機的轉矩和勵磁，獲得和直流電動機相仿的高動態性能，因此這里直接選取直流電動機來做仿真研究。

3.1 模型設計

選取直流電動機參數：額定數據為10 kW，220 V，55 A，1 000 r/min，電樞電阻Ra=0.5 Ω；通過計算得出電動機的電動勢系數Ce=0.192 5 V·min/r，取電樞回路總電阻R=1 Ω，飛輪慣量GD2=10 N·m2，通過計算，得出電磁時間常數Tl=0.017 s，機電時間常數Tm=0.075 s。

實際中同一型號電動機的參數通常都是略有差別，取4臺電機的電磁時間常數和機電時間常數如表4所示。

表4 各電機電磁時間常數和機電時間常數

電動機的轉速由變頻器來調節，將變頻器中電力電子變換裝置看作一階慣性環節KsTsS+1，在直接轉速給定下將變頻器傳遞函數取為0.05s+0.03。轉速跟蹤控制器選用PI調節滿足無靜差。

基于Ziegler-Nichols方法的PID整定[5]：該方法是基于穩定性分析的PID整定方法。整定比例系數的思想是，首先置KD=KI=0，然后增加Kp直至系統開始振蕩(即閉環系統極點在軸上)再將Kp乘以0.6，即為整定后的比例系數Kp。

整定公式如下。

Kp=0.6Km;KD=Kpπ4ωm;KI=Kpωmπ

(2)

式中，Km為系統開始振蕩的K值;ωm為振蕩頻率。

利用根軌跡法可以確定Km和ωm。對于給定的被控對象函數，可以得到其根軌跡。對于穿越軸時的增益即為Km，而此點的ω值即為ωm。

通過Ziegler-Nichols方法的PID整定得到：Kp=14.263 4，KI=0.453 2，KD=0.125 1；在仿真中將跟蹤控制器傳遞函數取為14.26s+0.45s。

3.2 仿真分析

給定電機轉速為1 000 r/min，4臺電機的轉速曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出僅在1 s以后，4臺電機轉速就都達到1 000 r/s，速度同步性能相當好。

在5 s的時刻，模擬兩臺電機的電源發生擾動，即給電機1施加+5A的階躍負載電流，給電機2施加-5 A的階躍負載電流，4臺電機的轉動速度曲線如圖5所示。

5 s時電機1與電機2的速度曲線發生了變化，如圖5所示。它們的速度超調量為

圖4 載重恒定下4臺電機轉動速度曲線

圖5 電源擾動下4臺電機轉動速度曲線

σ%=1 070-1 0001 000×100%=7%

可以滿足實際工程中對平穩性的要求，恢復時間tv=2 s。

4 總 結

通過性能實驗驗證了循環水泵轉速不同會導致泵組整體效率下降、泵振動加劇，并給出了理論分析。提出將并聯同步控制運用于泵組的同步控制中，可有效提升泵組的整體效率，使泵運行更加穩定，延長泵的使用壽命。建議國內熱電廠推行這種控制方式，進一步降低廠用電率，降低熱電廠運行成本，同時達到“節能減排”的目的。

[1] 王林川．電廠廠用電率及對策[J]．東方電氣評論，2002，16(3)：158．

[2] 劉福才，張學蓮，劉立偉．多級電機傳動系統同步控制理論與應用研究[J]．控制工程，2002，9(4)：87-89．

[3] 陳堅．交流電機數學模型及調速系統[M]．北京：國防工業出版社，1989．

[4] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M]．北京：機械工業出版社，2005：206．

[5] 劉金琨．先進PID控制MATLAB仿真(第2版) [M]．北京：電子工業出版社，2004:86-87．

The influence of out-sync motor speed of high-power water pump in parallel operation on the efficiency of pump units and operation vibration is analyzed in the circulating water system of the heat supply network. It is proposed that the motor speed which is out of sync will lead to the reduced overall efficiency and excessive vibration of the pump units. The simulation analysis shows that the feasibility of parallel synchronization control is verified in the parallel operation of multiple pumps. In the context of energy conservation and consumption reduction policy, the synchronization control is of great importance to the reduction of auxiliary power rate and the optimization of pump operation.

efficiency of circulating pump units; parallel synchronization control; energy conservation and consumption reduction

TM763

A

1003-6954(2015)02-0082-03

2014-11-11)

王啟業(1985)，碩士研究生，研究方向為電站控制與節能技術。