振蕩與瞬間過載情況下空壓機組啟動功率智能控制

劉開健，盧浙安，李啟鋒，柴虎

（中煤新集利辛發電有限公司，亳州 236700）

伴隨現代科學的進步和設計制造水平的提高，機械設備變得越來越復雜和精密。作為氣動控制系統的氣源裝置，空壓機為企業的其他設備提供動力，并具有節能環保、結構簡單等多種優勢，其運行穩定性和可靠性直接關系到工業生產安全[1]。由于早期電氣控制主要是繼電器線路，容易老化，操作靈敏度下降，空壓機在啟動時很容易產生功率不穩定[2-3]，導致停機故障，嚴重影響工業生產進度，造成不可估量的損失。因此，需要重點分析空壓機組啟動功率控制這個問題，并提升工業制造的自動化水平，從而增強生產效率和減少損失。

就功率穩定控制問題，學者們從不同角度進行充分研究：文獻[4]使用拉格朗日乘數法，將環流擬作變量，創建以直流側功率為核心的拉格朗日方程，得到最優環流參照值，實現功率穩定控制；文獻[5]運用快速傅里葉變換對波浪激勵力采取頻譜分析，組建直驅式波浪發電系統模型，利用卡爾曼濾波消除紋波，綜合Lyapunov 函數完成功率優化控制。

上述方法在功率控制過程中取得了一定成果，但是針對工業空壓機組啟動過程存在明顯缺陷。主要是因為其中的儲能變流器會出現振蕩和瞬間功率過載問題，引起功率不平衡。為了彌補上述方法的不足，提出一種空壓機組啟動功率穩定自動控制方法。解決了儲能變流器會出現振蕩和瞬間功率過載問題，實現了空壓機組功率的穩定自動化控制。通過與傳統方法的對比實驗分析，進一步證明了提出的控制方法的可行性和有效性。

1 空壓機組啟動功率因數角補償

在功率信號監測采集中，以微電網結構為基礎安置若干監測點，考慮無功潮流與啟動瞬時功率相位差的波動狀態，儲能變流器會出現振蕩，本文通過功率因數角補償解決這一問題。

功率因數角是指交流電路中無功潮流與啟動瞬時功率之間的相位差的角度，是決定振蕩現象的主要因素。空壓機組運行時，電網輸出的電力會根據實際情況產生細微變化[6]，將電網隨機節點上的無功潮流表示為

式中：Di為節點上的分流電納；Uter為電源端的實時輸出電壓；Pi為節點在隨機時段的無功功率；Ui為隨機時段電壓值。

在空壓機組持續運行狀態下，采集其瞬時啟動功率，公式為

式中：U、A 為空壓機電壓與電抗；φ、θ 為輸出電壓與線路角度；BU為輸出電壓幅值。

將空壓機組功率因數角計算公式記為

式中：Cline為電力線路的電阻值。

當發生啟動振蕩問題時，功率因數角會發生明顯的缺陷，數理統計中，功率因數角異常分布通常較為集中，序列的均值、方差等統計特征有明顯不同[7]。將方差變化率的功率因數角變點擬作分組依據，功率因數角補償過程如下：

將空壓機運行過程的功率因數角數據集合表示為

式中：vi、pi為第i 個功率信號樣本的空壓機運行速度與功率；n 為總功率信號樣本數量。

求解每個變點的方差[8]，利用方差值衡量全部功率因數角的離散水平，記為

式中：si為第i 個點的方差；pj為第j 個點的功率；pˉi為第i 個點功率的均值。

將功率因數角的二次方和作為反饋，運用最小二乘法識別方差變化率a（i）。假設自變量x1，…，xr與因變量am都是變量i 的函數，xo（i）為i 的完全抑制非隨機函數，a（i）是隨機變量。在啟動狀態產生突變功率狀態下，方差變化率的計算公式為[9]

明確j 的具體數值后，功率因數角反饋數據的離散水平會越來越高，將其看作觸發信號的補償，把觸發角劃分成正常運行信號與補償運行信號兩部分，記作：

式中：Zn為功率正常觸發信號集；Zo為功率補償觸發信號集。進行啟動功率觸發信號補償是為了解決儲能變流器會出現振蕩的問題。通過補償離散程度較高的觸發信號，可以得到更穩定的空壓機啟動功率信號。

2 空壓機組啟動功率瞬間過載的控制方法設計

空壓機組啟動功率瞬間過載，是指在空壓機啟動的瞬間，其所需的功率超過了電源或空壓機本身所能承受的功率極限，從而導致空壓機的電流過大、電壓下降、電機發熱嚴重等問題。為解決這一問題，常規按照接入點電壓與頻率的改變調節自身的功率輸入[11-12]，但是也需要考慮干擾問題。若電壓發生較大干擾，為約束儲能變流器的輸出功率，將儲能變流器對電壓波動所需調節的輸出功率記為

式中：?0為空載電網同步角速率；? 為電網同步角速率；F0為空載電動勢；F 為運行時的電動勢；q 為有功功率調節指數；r 為無功功率調節指數。

但是，僅依靠常規的技術無法實現瞬間功率穩定控制。要依照真實狀況自動化調控F0和?0，在任何環境下均能保持啟動功率穩定，調節原理為

式中：id（t）、iq（t）為逆變器電流分量；ed、eq為逆變器電壓分量；ud、uq為空壓機電壓分量；M、Lc為等效電阻與電感。

通過調節穩定控制參數并實施二者之間的自適應模式轉換，以保證電流內環控制結構不變[14]，在切換時段進行平滑過渡，完成空壓機組啟動功率穩定自動化控制目標。

3 實驗分析

為探究所提出的自動化控制方法的可用性，以GA160P-7.5 型號空壓機為例，算法控制板選擇雷諾爾軟啟動器控制板JJR1000，外接KCE-P/Q 功率傳感器。實驗參數設置：空壓機型號：GA160P-7.5；算法控制板：雷諾爾軟啟動器控制板JJR1000；功率傳感器：KCE-P/Q；額定功率：7.5 kW；啟動方式：軟啟動；啟動時間：10 s；功率因數：0.85；保護方式：過流、過壓、欠壓、過載保護。實驗過程中，應用5G 技術實現各個設備之間通信，5G 技術的高帶寬特性可以實現設備之間的高速互聯和數據共享，提高實驗效率和協調性。通過調節軟啟動器的參數，如啟動時間、限流值等，來觀察空壓機的啟動過程和功率變化。同時，通過功率傳感器實時監測空壓機的功率，并將其傳輸至控制板進行分析和處理。這樣可以實現對空壓機啟動功率的有效控制，并提高其運行效率和穩定性。

圖1 實驗現場設置Fig.1 Experimental site settings

在工業數據分析軟件imcFAMOS 中進行實驗，實驗所需參數如表1 所示。

表1 功率自動化控制實驗參數Tab.1 Power automation control experimental parameters

假設空壓機系統運行在單位功率因數狀態，空壓機組啟動時，0.1～0.4 s 運行在空載狀態，在0.3 s后引入70 Ω 的負載，有功功率突變，此時無功功率為0。由于電流值和電壓值相比要小很多，為方便分析，把此實驗參數下的空壓機運行電壓電流表示成圖2 所示。

圖2 空壓機啟動階段的電壓與電流變化情況Fig.2 Voltage and current changes during the start-up phase of the air compressor

通過本文方法，結合控制器，采用三次功率因數角控制的方式，完成電流振蕩引起的有功功率突變控制。截取0.64～0.70 s 的波形，對比三次功率因數角補償后有功無功功率穩定控制性能，結果如圖3 所示。

圖3 三次因數角補償后的振蕩功率控制對比Fig.3 Comparison of oscillation power control after triple factor angle compensation

下文設計空壓機組啟動功率瞬間過載的控制實驗，結果如圖4 所示。

圖4 空壓機功率控制響應曲線Fig.4 Power control response curve of air compressor

保持空壓機調節參數不變，在空壓機啟動運行的0.1 s 時引入負載轉矩，三次切換空壓機功率控制響應曲線如圖4 所示。由圖4 可知，所提方法通過三次切換，功率控制轉速響應時間更短，提高了設備穩定運行能力，具備極強的魯棒性與自適應性，可將其投入實際應用中。

4 結語

為了保證空壓機設備啟動的平穩運行并降低巡檢人員的工作頻率，同時達到自動化控制裝置功率的目標，設計了一種空壓機組啟動功率穩定自動化控制方法。這種方法操作簡單，計算量較少，并且可以在監測設備運行數據的同時研究所有控制目標，通過功率因數角補償和同步發電機控制，實現預期的功率穩定自主控制目標。這種方法可以有效提高工業空壓機組的安全性，為工業大規模批量生產提供有利條件。在未來的研究中，將進一步探索空壓機功率控制預警方面的工作，并深度優化空壓機功率控制自動化水平。