基于模糊控制的變頻調速節能技術在污水處理中的應用

劉桂濤　張天凡　李哲

摘 要： 提出污水處理廠中應用基于模糊控制的三電平逆變器變頻調速節能技術，研究污水處理廠大功率水泵控制的變頻調速系統，該系統采用雙輸入?單輸出的模糊控制器對變頻器進行控制，最終實現對大功率電動機的有效控制，可以顯著地提高污水處理中大功率電機的節能效果，對降低污水處理能耗和成本具有重要意義。

關鍵詞： 模糊控制； 變頻； 節能； 污水處理； 自動控制

中圖分類號： TN081?34； TU398 文獻標識碼： A 文章編號： 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來驅動，每天需要消耗大量電能[1]，因而在其運行中需要較高的運行費用。在目前運行的城市污水處理中，電耗一般會占到直接運營成本（包括電耗、藥耗、大修維護費、污泥運輸費、人員工資、管理費）的50%左右[2]，因此如何有效地降低運行電耗對污水處理廠的運行具有重要意義。近年來，隨著變頻調速節能技術的日益成熟，變頻調速節能技術越來越廣泛地應用于污水處理廠中，節電效果非常顯著[3]。本文以宜昌市花艷污水處理廠為例，提出基于模糊控制的三電平逆變器變頻調速節能技術[4]，研究了這種變頻節能技術對降低電機能耗，提高電機效率的意義。

1 污水處理廠自動控制系統概述

宜昌市花艷污水處理廠的控制系統基本結構如圖1所示。其主要由PLC組成的反饋控制器進行串聯，實現多級串聯的反饋控制系統，其中通過PLC控制器實現對各個部門的處理工藝進行控制。從圖1中可以看出，大部分控制信號作用在一些大功率的電機設備上，如污水提升泵、加藥泵、污泥泵、循環泵等。在整個污水處理廠自動控制系統中，其實質是通過各路采集到的反饋信號實現對各種驅動電機的調節，控制整個污水處理過程[5]。

目前，污水處理廠中的電機控制大多采用PID調節控制技術，效果不理想。污水處理廠中的電機控制采用基于模糊控制的三電平逆變器變頻調速節能技術，這種控制技術相對于PID控制技術，其優點是超調量和振蕩小、調節時間短、穩定性好、抗干擾能力強[6]，其變頻調速節能技術可以根據各路采集到的反饋信號實現閉環自動控制。

2 三電平逆變器供電的異步電機變頻控制系統

實現變頻技術在污水處理中的應用，其關鍵就是構建基于逆變器供電的異步電機控制系統。三電平逆變器在對污水處理廠中的大功率電機進行控制時，具備中點電位浮動的功能，而且三電平逆變器不僅能夠為電機提供電壓源，同時還可以受電機控制，是一個受控電壓源，因而可以較好地構建異步電機控制系統，其控制原理結構如圖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]表示各相橋臂的開關狀態，其中1表示通，0表示斷，[vij]表示各相橋臂間的電壓。

同時，其各相橋臂的電流模型可以采用以下方程進行描述[7]：

[ipioin=sapsbpscpsaosboscosansbnscniaibic] （2）

式中：[ii]表示各個相橋臂點的回路電流大小。

根據電流電壓模型，進一步推導可以得到整個異步電機的電流方程如下：

[LpI=VpI=-L-1RI+L-1V] （3）

式中：[L]為電機的各相電感系數；[R]為電機的各相電阻系數。

通過上述方程可以構建出整個三電平逆變器供電的異步電機調速系統理論模型。

基于上述理論模型，結合實際污水處理的相關電機控制，考慮到在三相靜止坐標系中，這些理論模型參數實際上會受到轉子夾角和轉速變化的影響，若直接采用這些理論模型構建整個污水處理電機控制系統，則無法表達出電機運行狀態的變化過程，達不到實際控制的效果和目的，為了更好地對電機進行控制，提高電機控制效率，通過坐標變換的方法對其進行解耦 [8]，可得到解耦控制模型如下：

式中：[σ=1-L2mLsLr；KP，KI]分別為比例系數和積分常數。

基于上述改進的解耦方法和前面對三電平逆變器的電機控制原理及模型分析，可以構建如圖3所示的三電平逆變矢量控制系統，作為污水處理廠中大功率電機的變頻控制調節器。

3 基于模糊控制的三電平逆變器變頻調速

控制方法

3.1 三電平逆變器變頻調速的諧波消除

根據三電平變頻調速技術原理可知，在三電平逆變器變頻調速的過程中，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，同時根據前面對污水處理自動控制系統原理的分析可知，污水處理的實質就是一個閉環的反饋系統，在處理過程中需要不斷的通過調節電機的轉速實現對各種泵的控制[9]，這將導致產生很大的[dudt，]當開關頻率低時，其電流的諧波畸變影響也非常大，因此，在整個三電平逆變器變頻調速系統中，要采取相應的方法對三電平調制過程中的諧波進行消除，降低諧波影響。針對諧波影響，從三電平的SVPWM調制空間矢量選擇上進行處理[10]，三種調制模式實現原理如圖4所示。

要消除諧波影響，可以按照空間矢量NTV法則進行合成，其實質就是要對三種調制模式進行簡單的調制[9]，選取三角形[A]的三個頂點作為參考矢量，按照如下順序進行調制選取：

這樣就可以有效地避免第I扇區在調制過程中產生較大的諧波影響，同理，在第IV扇區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，得到一個開關周期內的矢量分配如圖5所示。

基于上述方法，在最后的調制輸出過程中，就可以有效地避免諧波分量帶來的影響，降低諧波輸出功率，進而使得在電機的調制過程中更加平穩，穩定性更強，同時能源利用效率更高。

3.2 基于模糊控制的三電平逆變器中點電位平衡方法

根據前面對三電平逆變器控制原理的分析可知，當三電平逆變器直流側的兩個電容電壓不相等時，開關器件承受的電壓將是母線直流電壓的2倍以上，極大地增加了三電平逆變器控制系統中開關的電壓應力，同時輸出電壓諧波的含量也會增大，在變頻器的負載發生變化時，特別是在電機的調控過程中都會造成直流側的電容電壓失衡。

基于模糊控制的三電平逆變器中點電位平衡方法可以有效地解決該問題，該方法通過檢測電容電壓和負載電流方向，采用模糊控制器對矢量的作用時間進行調整，通過調節基本電壓矢量中正負矢量的作用時間，快速實現電容電壓平衡，進而達到更好的調控效果。同時采用開關變量表示三電平逆變器各個橋臂的開關狀態，將逆變器的功率開關用單刀三擲開關進行替換，這樣便能實現任何時刻觸點都只有一種連接狀態，即有以下數學模型成立：

[Sij=1] （5）

式中：[Sij]表示開關狀態；[i=a，b，c；j=P，O，N。]同時可以采用如下數學模型對直流母線的電容電壓進行描述：

[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。假設在開始工作時兩個電容電壓相等，那么可以進一步得到：

[VC10=VC20=Vdc2] （7）

進一步可以得到：

[iC1=iC2=io2] （8）

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

結合三電平逆變器電機控制模型分析可以看出，中點電位不平衡主要是由于電容充電和放電的影響，其中中點電位的波動和電流的關系如下：

[Δv=ioC] （10）

式中：[C]為電容容量；[io]為中點電流。

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

基于上述分析，控制過程中可以使用模糊控制實現對中點電位的控制，其控制系統結構如圖6所示。

4 實驗仿真測試

為了驗證基于模糊控制的三電平逆變器電機調速方法的正確性和可靠性，利用Matlab 13仿真軟件，采用Simulink庫搭建具體的實驗仿真平臺，對中點電位輸出波形進行仿真測試。

一般控制方法中點電位輸出波形結果如圖7所示。

基于模糊控制的三電平逆變器電機調速系統的中點電位仿真輸出波形如圖8所示。

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

系統中點電位仿真輸出波形

5 結 語

通過上面的研究證明，在污水處理廠中應用基于模糊控制的三電平逆變器變頻控制系統對大功率水泵進行調節，不僅可以通過模糊控制策略很好地實現三電平變頻控制器的中點電位平衡，使得輸出更加穩定可靠，同時還可以有效地降低控制過程中的諧波能耗，提高其能量利用效率。

參考文獻

[1] 姚志松，吳軍.電動機節能方法與PLC變頻器應用實例[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 王瑜瑜，劉少軍.基于變頻技術的水泵節能控制系統的研究[J].現代電子技術，2013，36（15）：166?167.

[3] 李保健，臧超，劉壵，等.江西某污水處理廠能耗分析與節能措施研究[J].水處理技術，2015，41（6）：119?122.

[4] 楊新華，趙得剛，謝興峰.一種優化三電平逆變器的SVPWM算法的研究[J].現代電子技術，2014，37（16）：156?159.

[5] 章志軍.污水處理曝氣鼓風機控制系統設計[D].青島：青島大學，2014.

[6] 姚福來，孫鶴旭.變頻器及節能控制實用技術速成[M].北京：電子工業出版社，2011.

[7] 林友杰.異步電機變頻調速節能控制運行研究[D].福州：福州大學，2006.

[8] 趙海森，王博，王義龍，等.勢能負載條件下感應電機變頻?調壓分段節能控制策略研究[J].中國電機工程學報，2015（6）：1490?1497.

[9] 黃方平.變頻閉式液壓動力系統的設計及應用研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[10] 王剛.基于Saber的異步電動機直接轉矩控制系統仿真[J].現代電子技術，2015，38（3）：118?121.