宋純亮

摘 要：針對(duì)工業(yè)冷卻塔中冷卻水富余水壓無(wú)法被充分利用，導(dǎo)致冷卻水在循環(huán)過(guò)程中余壓能量浪費(fèi)的問(wèn)題，提出了一種壓力自適應(yīng)的冷卻塔余壓能量最優(yōu)回收算法，并設(shè)計(jì)了一種一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了冷卻塔富余水壓能量的高效回收及回收能量的優(yōu)先利用，從而達(dá)到冷卻塔系統(tǒng)整體效能最優(yōu)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該策略對(duì)水壓變化的魯棒性和能量回收的有效性，效益分析結(jié)果表明了算法重要的經(jīng)濟(jì)意義和節(jié)能減排潛力。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；余壓；壓力自適應(yīng)；雙饋能；能量回收

DOIDOI：10.11907/rjdk.171471

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0056-03

0 引言

冷卻塔是用空氣冷卻水的裝置，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、紡織等行業(yè)[1]。在冷卻塔中，循環(huán)水流的能量完全來(lái)源于循環(huán)水泵。其中，循環(huán)水泵的大小主要取決于流程的最高位置。一般而言，流程中的最高位置大于冷卻塔噴淋系統(tǒng)距離地面的高度，所以循環(huán)水流在回到冷卻塔出水口時(shí)仍然具有一定富余能量[2]。對(duì)于這種富余能量，傳統(tǒng)的解決方法是通過(guò)節(jié)流閥將其余壓能量耗散盡以滿足噴淋條件，直接造成了能量浪費(fèi)。針對(duì)冷卻塔中余壓能量得不到利用的浪費(fèi)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究和應(yīng)用實(shí)踐。文獻(xiàn)[3]提出利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余壓力勢(shì)能引水上塔，從而停止塔泵運(yùn)行，達(dá)到節(jié)約電能的目的，但是實(shí)際冷卻塔系統(tǒng)富余水壓會(huì)根據(jù)工況、溫度、季節(jié)等因素不斷變化，導(dǎo)致引水上塔系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，需要經(jīng)常根據(jù)富余水壓大小調(diào)整工作狀態(tài)；文獻(xiàn)[4]提出用水輪機(jī)替代冷卻塔通風(fēng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的技術(shù)，而在冷卻塔由于冬季水量小或上游設(shè)備水流阻力大等原因造成水頭較低時(shí)，不能滿足風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需要而達(dá)不到冷卻效果，該方法同樣受到了冷卻塔富余水壓不穩(wěn)定的限制。

針對(duì)冷卻塔中大小不斷變化的富余水壓能量回收再利用問(wèn)題，本文提出一種將永磁同步電機(jī)所發(fā)電能優(yōu)先用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的壓力自適應(yīng)冷卻塔余壓能量最優(yōu)回收算法，并設(shè)計(jì)一種一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊，同時(shí)控制永磁同步電機(jī)的發(fā)電和異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后在JLT-3小型冷卻塔上驗(yàn)證方案的有效性。

1 冷卻塔模型

傳統(tǒng)的工業(yè)冷卻塔結(jié)構(gòu)包括水泵、水管路、熱用戶、余壓節(jié)流閥、異步風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、噴淋裝置、蓄水池等。節(jié)流閥存在的目的是消除冷卻水富余壓力，以滿足冷卻塔噴淋的壓力要求，這將造成能量的浪費(fèi)。本文在傳統(tǒng)冷卻塔基礎(chǔ)上，去除節(jié)流閥，增加水輪機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）作為發(fā)電系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一套一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊來(lái)控制永磁同步電機(jī)發(fā)電和風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。具體過(guò)程為：由熱用戶流出的冷卻水先經(jīng)過(guò)水輪機(jī)，將回水水流中的富余能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再進(jìn)一步由PMSM轉(zhuǎn)化為電能。在一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊的控制下，回收到的電能將被風(fēng)機(jī)優(yōu)先利用。隨著富余壓力的變化，當(dāng)回收能量不足時(shí)，由電網(wǎng)補(bǔ)充能量給風(fēng)機(jī)；回收能量過(guò)多時(shí)，多余電能用來(lái)加熱蓄水池的水給熱用戶進(jìn)行二次利用。冷卻水流經(jīng)冷卻塔內(nèi)的散熱填料表面，最后落入塔底蓄水池中，并再由水泵抽送到熱用戶處，形成整個(gè)水循環(huán)。

2 壓力自適應(yīng)能量最優(yōu)回收算法

2.1 壓力追蹤控制算法

由于工業(yè)冷卻塔中大慣量水輪機(jī)的存在以及水路的高阻尼特性，工作于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)的PMSM阻力矩的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷卻塔富余水壓的變化速度。在響應(yīng)速度相差5倍以上時(shí)，快速響應(yīng)對(duì)象可以作為慢速響應(yīng)對(duì)象的內(nèi)環(huán)，慢速響應(yīng)對(duì)象可以把快速響應(yīng)對(duì)象看作一階慣性環(huán)節(jié)，從而達(dá)到內(nèi)外環(huán)解耦控制。因此，可以將PMSM的制動(dòng)力矩（制動(dòng)電流）作為控制內(nèi)環(huán)，將水輪機(jī)出口壓力作為控制外環(huán)，組成雙閉環(huán)壓力追蹤控制算法。

壓力追蹤控制算法框圖如圖2所示。在壓力環(huán)PI算法中，將水輪機(jī)出口處的實(shí)際壓力與給定的壓力Pref相比較，差值作為壓力環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入。壓力環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為制動(dòng)力矩控制環(huán)的參考輸入iqref。制動(dòng)力矩控制內(nèi)環(huán)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比的矢量控制，以減少PMSM電機(jī)銅耗，提高發(fā)電效率。整個(gè)系統(tǒng)由于采用了水輪機(jī)出口壓力閉環(huán)控制，因此無(wú)論水輪機(jī)入口壓力，即冷卻塔富余水壓大小如何變化，水輪機(jī)出口水壓都能夠保持在穩(wěn)定的噴淋所需水壓，從而實(shí)現(xiàn)了冷卻塔水壓的自適應(yīng)控制。

2.2 PMSM最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制算法

在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)d-q軸系下，PMSM定子電壓方程[5-7]如下：

ud = Rs id + pψd -ωψq uq = Rs iq + pψq + ωψd （1）

磁鏈方程如下：

ψd=Ld+ψfψq=Lqiq（2）

電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：

Te=pnψfiq+（Ld-Lq）idiq（3）

式中，ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq分別為d-q軸上的定子電壓、電流和磁鏈分量；Rs為定子一相繞組的電阻；Ld、Lq分別為d-q軸等效電感；p為微分算子；pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ω為d-q坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)電角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Ψf為轉(zhuǎn)子永磁體定子上的耦合磁鏈。

本文以表貼式PMSM為研究對(duì)象，Ld=L[8]q，由式（3）進(jìn)一步變換可得：

Te=pnψfiq（4）

由式（1）～（4）可得出，表貼式PMSM的Te與iq成正比，與id無(wú)關(guān)。因此，要想實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，即單位電流產(chǎn)生最大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，只需讓id=0即可。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性制動(dòng)力矩限制算法

在冷卻塔中，水輪機(jī)與PMSM級(jí)聯(lián)，為了使PMSM工作在制動(dòng)能量回饋狀態(tài)，可控制iq>0，ω<0，從而使PMSM的電磁功率Pe<0，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。除去摩擦損耗、傳動(dòng)損耗以及其它雜散損耗，水輪機(jī)機(jī)械能中被PMSM轉(zhuǎn)換成電能的部分功率可表示為：endprint

-Pe=-ωψfiq（5）

PMSM轉(zhuǎn)換成電能的功率，除去電機(jī)銅耗、電機(jī)鐵耗，剩余部分才能回饋到直流母線被二次利用，回饋到直流母線的功率[9]為：

Pfd = -Rs （i2d + i2q ）-ω2（ψ2d + ψ2q ）Ri -ωψf iq （6）

式中，Ri是等效鐵耗電阻。相比銅耗，鐵耗較小，為了簡(jiǎn)化分析，本文忽略鐵耗。在表貼式PMSM中，采用id=0最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，因此由式（6）推導(dǎo)可得穩(wěn)態(tài)下PMSM回饋到直流母線的功率[10]：

Pfb = -ωψf iq -Rs i2q （7）

對(duì)于選定的電機(jī)，Rs、Ψf為定值，ω一定時(shí)Pfb是iq的一元二次函數(shù)，由式（7）推算可得Pfb最大時(shí)對(duì)應(yīng)的iqmax為：

iq max = -ωψf 2Rs （8）

由圖2壓力追蹤雙閉環(huán)控制算法框圖可知，外環(huán)壓力環(huán)要形成穩(wěn)定的負(fù)反饋，PMSM制動(dòng)力矩（對(duì)應(yīng)于iq）必須與水輪機(jī)出水口壓力負(fù)相關(guān)，即iq越大，回饋功率應(yīng)該越大，出水口壓力則應(yīng)越小。因此，iq只能在iqmax以下取值，即只能在圖3所示的0

另外PMSM定子電流還有最大允許值inm。綜上述，圖2中電流指令值iqref在給內(nèi)環(huán)之前應(yīng)該加一個(gè)限制，如圖4所示。其中ilimt是iqmax和inm中較小的一個(gè)。

由于iqmax是同步電轉(zhuǎn)速ω的函數(shù)，inm是恒定值，因此當(dāng)富余水壓較小時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速較低，對(duì)應(yīng)的ω也較低，此時(shí)ilimt=iqmax；當(dāng)富余水壓較大時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速較高，對(duì)應(yīng)的ω也較高，iqmax超過(guò)了inm，此時(shí)ilimt=inm。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與結(jié)果分析

JLT-3冷卻塔主要參數(shù)為：水輪機(jī)額定功率300W，風(fēng)機(jī)額定功率180W，額定電壓220V，水泵額定流量18t/h，額定揚(yáng)程24m，額定電壓220V。

80ST-M02430永磁同步電機(jī)主要參數(shù)為：額定功率750W，額定電壓220V，額定電流3A，額定轉(zhuǎn)速3 000rpm，額定扭矩2.39Nm 。利用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，在CCS5.5開發(fā)環(huán)境中對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采集DSP的ADC寄存器數(shù)據(jù)矩陣，繪制得到冷卻塔工作時(shí)一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊中的電流實(shí)際波形。

在最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制算法下，如圖6所示，定子電流始終為0；當(dāng)冷卻塔水頭由開始到穩(wěn)定，定子電流約在6s后基本維持恒定。

如圖7所示，約在60s處，調(diào)整冷卻塔水頭使之變大，轉(zhuǎn)速ω上升，在雙閉環(huán)壓力追蹤算法控制下，制動(dòng)電流iq隨之上升，回收功率Pfd增大，系統(tǒng)回到一個(gè)新的穩(wěn)定點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)冷卻塔中大小不斷變化的富余水壓能量回收再利用問(wèn)題，提出了一種壓力自適應(yīng)的冷卻塔余壓能量最優(yōu)回收算法，并設(shè)計(jì)了一種一拖二雙饋能電機(jī)控制模塊。采用本文提出的算法，可實(shí)現(xiàn)冷卻塔富余水壓能量的高效回收利用，而且該設(shè)計(jì)成本低廉、通用性強(qiáng)，無(wú)需對(duì)冷卻塔進(jìn)行大規(guī)模改造，在生產(chǎn)中有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和節(jié)能減排潛力。

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