基于分布式物理图网的变频调速系统能耗仿真方法研究

郑鑫 邱泽晶 许湘莲 刘婷 张珂斐

摘 要： 当前，用能系统中各设备的能耗管理和节能诊断成为新兴的研究热点。一般的建模软件仅关注系统的动态特性，而对于设备单元结构的能耗特性无法提供针对性的分析方式。文章以在工业生产及电器设备中应用普遍的变频调速系统为研究对象，利用分布式物理图网建模方法建立数学模型，结合Simulink平台构建了模块化的设备能耗模型。仿真结果满足能耗参数运行的理论规律。该仿真研究方法可为能耗数据的观测和分析提供新的思路。

关键词： 变频调速系统； 分布式物理图网； Simulink； 能耗模型

中图分类号：TP15；TM32 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）12-01-04

Research on energy consumption simulation method of variable-frequency speed control system based on distributed physical net modeling

Zheng Xin1， Qiu Zejing1， Xu Xianglian3， Liu Ting3， Zhang Kefei2

（1. National Electrical Equipment Inspection & Engineering Efficiency Evaluation Center（Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074， China；

2. School of power and mechanical engineering， Wuhan University； 3. School of automation， Wuhan University of Technology）

Abstract： Currently， for the equipments in the energy-using system， energy consumption management and energy-saving diagnosis are becoming the research focus. However， general modeling software only focuses on the dynamic characteristics of the system， and cannot provide the targeted way of analyzing the energy consumption of the unit structure. To solve the problem， the common used variable frequency speed control system in industrial production and electrical equipment is chosen as the research object in this paper and the method of distributed physical net modeling is used to establish the mathematical model， and the modular device model of energy consumption is built with the Simulink. The simulation results satisfy the theory of energy consumption parameters. The research can provide a new idea for the observation and analysis of energy consumption data.

Key words： variable frequency speed control system； distributed physical net modeling； Simulink； energy consumption model

0 引言

节能减排成为设备研发的新趋势，各研究机构对能耗管理系统、能耗仿真软件、节能降耗方法等方面纷纷进行了研究。在能耗管理系统方面，主要通过接入电能测量终端数据、电表数据、评价数据等形成大数据分析平台；在能耗仿真软件方面，EnergyPlus、DeST-s等建筑能耗软件以图形化界面為建筑负荷的模拟分析提供了多样化的平台[1-2]；在节能降耗方面，新型节能设备的替换方式、节能控制策略等方面都有许多新的研究成果。

在工业生产和电器设备中，风机和水泵是最常见的机械设备。变频调速技术作为成熟的节能方式普遍应用于风机、泵类负载系统的节能，因此有必要对其能耗特性进行研究，以获取系统最佳运行模式，提升系统节能潜力。文献[3-4]对能耗分析软件应用于空调系统节能改造和能耗分析的方法进行了阐述，类似的能耗分析软件偏重于建筑能耗和空调总负荷的调控；TRNSYS软件专业性强，能对泵类系统进行瞬态仿真，输出能耗参数，然而操作界面不够友好，而且输入参数中含有不便于实际测量的数据。文献[5-6]从水泵配置、水泵选型、运行模式、变频调速技术等方面分析了其对系统能耗的影响，认为采用变频调速技术的系统仍然存在能效提升点。本文将在上述研究的基础上，针对通用变频调速系统缺乏友好的能耗分析工具的现状，通过对用能系统的工作机理和建模方法研究，建立能耗指标评价体系，从而借助MATLAB/Simulink仿真平台构建能耗仿真模型，为能耗数据的观测和分析提供新思路。

1 能耗指标评价体系

本文从设备静态能耗、电能质量、设备运行能耗、节能评价四个方面建立针对变频调速系统的能耗指标评价体系，如图1所示。①设备静态能耗指标：在设备初始状态下，能反映设备标准能耗状况的指标，包括电机效率、风机效率。该指标通过额定数据来确定。②电能质量指标：设备在运行状态下，能反映电网电能质量及设备对电能质量影响的指标，包括三相/单相电压、三相/单相电流、总有功功率、总无功功率、总功率因数、总视在功率、电压不平衡度、电流不平衡度等。③设备运行能耗指标：设备在运行状态下，反映设备及系统的耗能因素的指标，包括电机运行效率、电机负载率、风机运行效率、系统运行效率等。通过对这些指标的分析，能找到系统耗能优化提升点，提出适用的节能改造方案。④节能评价指标：在节能改造前后，反映设备及系统改造可行性的指标，包括设备年节能量、设备年节电量、系统年节能量、系统年节电量、投资回收期等。通过这些指标可对多个改造方案进行可行性分析，确定最有价值的方案。

本文针对与系统运行联系紧密的电能质量指标和设备运行能耗指标建立模型，提供快速分析平台。

2 分布式物理图网思想

通常的建模方法存在多种缺陷。①电机具有多参数、非线性的特点，简单的数学模型难以描述其运动规律。②将设备的多个参数作为输入输出，这些参数往往不便于实际测量，缺乏数据来源。③非重点参数存在于操作端口，影响使用的便捷性。④缺少针对设备单元的能耗分析端口，普通的观测口无法直观反映设备或系统的能耗状况。在实际建模工作中，可采用分布式物理图网建模思想解决这些问题。这种建模方法以实际物理单元的结构和作用机理为建模依据，重点关注模型的端口变量，具有物理概念清晰、模型描述方式普适的优点[7]。

按分布式物理图网建模理论，运动系统可根据能量流和信息流被划分为多个物理单元。其中能量流包括能量传递、转换、供给、消耗和存储五种关系；信息流主要体现在系统单元的物理结构层次、几何关系、结构特性。划分后的单元还需通过原理、规则的分析以函数关系和约束条件的描述封装为模型。在对系统进行建模时，以系统的能量流及信号流为线索，按实际系统的拓扑结构，使用已建成的各单元模型，搭建成系统模型进行仿真即可。

3 能耗仿真模型的构建

为便于描述，本文以三相鼠笼式异步电机带风机负载为例进行说明。首先根据系统工作结构划分部件。①电源：三相交流电压。②电动机：三相鼠笼式异步电机。③传动机构：带动生产机械转动。④工作机构：风机，当使用变频装置时，风机阀门开度最大。⑤控制设备：指变频调速装置。

三相交流电压源来自于电网线路，提供的电源参数包括电压幅值、频率、相位，相当于能量供给单元中的压力源，采用三相正弦数学模型即可；系统中的三相鼠笼式异步电动机将输入的电能转换为机械能，考虑电网质量指标的获取，划分端口时包括一个电气端口，输入三相交流电压和电流，一个旋转机械端口，输出转矩和转速，通过转矩和转速的乘积获取功率指标，整个电机相当于能量转换单元中的变换器，其数学模型根据电机结构进行坐标变换分析得到。一般传动机构用于变速和传递转矩，相当于能量转换单元中的转换器，按照运动规律进行折算得到；风机将轴上的机械能转换为叶轮上的旋转运动，本质上仍是机械能转换，相当于能量转换单元中的转换器，划分为一个输入端口，输入转速，两个输出端口，输出转矩和转速，其数学模型通过状态方程得到。变频器通过调节异步电机电源频率控制电机转速，进而控制风机转速，此处使用恒压频比和定子补偿的原理归纳数学模型。

变频调速系统部件库的基本信息如表1所示。

电网电压经变频调速装置转换为频率可控的三相交流电，作为异步电机的电气输入，其输出为机械量，带动传动机构旋转，并通过变速将转速传递至风机，使风机的转速得到控制，进而实现控制风流量的目的。依信息流和能量流的传递规律，异步电机系统模型框图如图2所示。

4 仿真应用

首先将状态方程以.m文件的形式定义为函数，在Simulink界面将函数文件写入S-Function模块，并加入可视化元素，封装形成部件库，并连接成为系统。借助Simulink的测量工具和scope、display查看工具可得到不同仿真状态下各部件的输出，例如电机定子电流、定子电压、轴功率等，根据这些数据可进一步计算出效率、功率因数。搭建形成的仿真模型如图3所示。

仿真的运行时间设置为5s，仿真类型为变步长，采用ode45算法，最大步长、最小步长、绝对精度设置为auto，相对精度设置为1e-3。以Y100L2-4型号的三相异步电机为例。设置0s时控制机构输出30Hz、132.8V的三相交流电压输送给异步电机，在3s时控制机构的输出跃变为38Hz、167.7V的三相交流电压。在前3s时，三相电动机定子电流为稳定的三相交流电流，工作机构的转矩和转速逐渐由0上升至稳定状态，当控制机构的频率突然提高时，电动机定子电流也随之增大，并快速趋于稳定，稳定后波形仍保持为三相交流正弦，工作机构的转速和转矩则缓慢增大，直至到达新的稳定状态，如图6。

该模型可用于模拟不同负载率下电机工作状态。使用Simulink中的display模块获取电机转速和电压幅值，根据负载率公式得到负载率的变化：

⑴

式中n1为异步电机同步转速，nN为异步电机额定转速，ns为异步电机实际转速，UN为异步电机额定工作电压，US为异步电机实际工作电压。

通过观测点获取电机输出功率，借助Simulink功率测量模块、傅里叶分析模块，测量得到输入功率和功率夹角，进而得到电机效率和功率因数。应用本文的模型，绘制出的电机效率-负载率变化曲线和功率因数-负载率变化曲线如图7所示。在图示区间范围内，功率因数随负载率的升高而提高，效率随负载率的升高呈先增后降的趋势，满足电机运行曲线规律。

5 結束语

本文以变频调速系统为例，从系统出厂、安装运行，到节能改造，考虑期间的能耗因素，建立了详细的能耗指标评价体系，并以电能质量指标和设备运行能耗指标为分析依据，使用分布式物理图网建模的思想构建仿真模型。通过运行验证了变频调速机构的运行规律，通过直接测量方式获取电压、电流、转速、功率因数，在此基础上进一步获取功率、效率数据。对效率、功率因数的观测结果表明，该参数随负载率的变化趋势符合理论规律。

相对于普通的仿真手段，本文对所提供的模型进行了模块化设计，仅针对能耗指标相关的端口预留观测点，且端口变量中的电压、电流、转速等都为易于测量的参数，无需复杂理论计算，减轻了人工分析的工作量。此外，本文关注于设备单元的能耗分析，而不仅是系统的整体负荷，操作也更为便捷。限于时间因素，本文对部分能耗指标未作更为深入的分析，例如节能评价指标，其在节能内容中也占据着重要地位，对此可以考虑利用软件分析的优势为节能改造工作提供先行决策，避免无效的工作量。

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