寧玲玲

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的電壓控制節(jié)能方法研究

寧玲玲

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

對(duì)燃煤電廠DCS系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制，能夠提高DCS系統(tǒng)的安全性，延長了系統(tǒng)中元器件的使用壽命。傳統(tǒng)的節(jié)能方法無法根據(jù)DCS系統(tǒng)中各個(gè)控制單元的工作屬性，對(duì)控制單元的狀態(tài)和進(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，增加了電力系統(tǒng)的能源損耗。提出基于分散電壓控制的燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的節(jié)能方法。對(duì)燃煤電廠DCS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為電壓控制節(jié)能提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；通過對(duì)各個(gè)控制單元的正向電壓和負(fù)向電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的節(jié)能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用改進(jìn)算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能，能夠提高DCS系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低無功功率，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的節(jié)能，效果令人滿意。

燃煤電廠；DCS系統(tǒng)；電壓控制；節(jié)能

燃煤電廠利用DCS系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的集控運(yùn)行，能夠提高燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和安全性[1]，已成為當(dāng)前燃煤電廠節(jié)能控制方面研究的重要課題。燃煤電廠DCS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有：1）控制各個(gè)發(fā)電機(jī)組和變電機(jī)組的分閘和合閘[2]；2）對(duì)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制[3]；3）對(duì)輸電線路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制；4）對(duì)各個(gè)輔助保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制[4]。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，絕大部分的燃煤電廠DCS系統(tǒng)在電壓控制過程中存在著嚴(yán)重的能源損耗[5]，如果不能降低不必要的能源損耗，將會(huì)引起熱量堆積，造成元器件絕緣性能降低，并縮短使用壽命[6]。因此，如何降低燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的能源損耗，已經(jīng)成為電力領(lǐng)域一個(gè)熱門研究課題[7]。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，主要的燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的節(jié)能方法包括基于PLC控制的節(jié)能控制方法[8]基于動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的節(jié)能控制方法和基于能量損耗模型的節(jié)能控制方法[9]。其中最常用的是基于能量損耗模型的節(jié)能控制方法。由于燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的節(jié)能控制方法在節(jié)能減排方面能夠發(fā)揮巨大的作用，因此，該課題具有廣闊的發(fā)展前景，受到越來越多人們的重視[10]。

利用傳統(tǒng)節(jié)能控制方法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)中節(jié)能控制的過程中，無法根據(jù)DCS系統(tǒng)中各個(gè)控制單元的工作屬性，推斷出系統(tǒng)控制單元的狀態(tài)和控制進(jìn)程的精確時(shí)間，缺乏協(xié)調(diào)性，造成能源損耗嚴(yán)重。

針對(duì)上述傳統(tǒng)方法存在的缺陷，提出一種基于分散電壓控制的燃煤電廠DCS系統(tǒng)的節(jié)能方法。對(duì)燃煤電廠DCS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為電壓控制節(jié)能提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；通過對(duì)各個(gè)控制單元的正向電壓和負(fù)向電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的節(jié)能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了改進(jìn)算法在燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能方面的優(yōu)越性。

1 DCS系統(tǒng)的電壓損耗分析

在燃煤電廠DCS系統(tǒng)中，控制單元接入到DCS系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題：1）由于用戶負(fù)載的變化、用電時(shí)間的變化等不確定因素使得DCS系統(tǒng)的輸出電壓發(fā)生變化；2）DCS系統(tǒng)存在電壓不平衡引起的損耗。

DCS系統(tǒng)輸出有功功率的變化引起電壓變化的原因如下所述。

單個(gè)控制單元接入到DCS系統(tǒng)中的等效電路如圖1所示。

圖1 控制單元接入DCS系統(tǒng)的能效電路Fig.1 Energy efficiency circuit with control unit connected to DCS system circuit

設(shè)置控制單元正向電壓的變化值為dIDG，P=ΔIDG，P+ jδIDG，P，則DCS系統(tǒng)中電壓的變化量為

式中：Sd為DCS系統(tǒng)的短路容量；φ為DCS系統(tǒng)的阻抗角；θ為功率因素角；α為相位角。IDG，P的變化造成DCS系統(tǒng)正向電壓的變化量能夠描述為

由于IDG，N的變化引起DCS系統(tǒng)負(fù)向電壓的變化，則dUPCC，N為

正向電壓的變化值為

圖2能夠描述IDG，P和IDG，N的變化引起DCS系統(tǒng)正向和負(fù)向電壓的變化情況，根據(jù)圖2可知，IDG，P和IDG，N的變化量越大，DCS系統(tǒng)的正向電壓和負(fù)向電壓的變化就越大。

圖2 DCS系統(tǒng)正向和負(fù)向電壓的變化情況Fig.2 DCS system changes of the positive and negative voltage

根據(jù)上面闡述的方法，對(duì)DCS系統(tǒng)中的電壓變化情況進(jìn)行分析，為電壓控制節(jié)能提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 基于分散電壓控制的節(jié)能方法

傳統(tǒng)的節(jié)能方法無法根據(jù)DCS系統(tǒng)中各個(gè)控制單元的工作屬性，推斷出系統(tǒng)控制單元的狀態(tài)和控制進(jìn)程的精確時(shí)間，造成能源損耗嚴(yán)重。提出一種基于分散電壓控制的燃煤電廠DCS系統(tǒng)的節(jié)能方法。

2.1 燃煤電廠DCS系統(tǒng)的拓?fù)浞治?/p>

對(duì)DCS系統(tǒng)中的電壓進(jìn)行精確控制是降低DCS系統(tǒng)能源損耗的關(guān)鍵。以燃煤電廠DCS系統(tǒng)的控制電路為例，按照控制單元分布的區(qū)域，將電壓控制的區(qū)域進(jìn)行了劃分。

在圖3中，Z1-Z5為不同控制單元的阻抗，U1＜α1，U2＜α2，U3＜α3，U4＜α4，U5＜α5為控制單元PCC1至PCC5的電壓，Psl，PS2，Qsl，QS2為DCS系統(tǒng)分配兩條饋線的功率，P1，P3，P5，Q1，Q3，Q5為控制單元PCC1、PCC3和PCC5的功率；PDgl-PDG5、QDgl-QDG5為Dgl-DG5的功率，流 入DCS系統(tǒng)為正方向。在進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)電壓控制的過程中，上述參變量的數(shù)值都為正向和反向綜合的結(jié)果，DG為等效接入的控制單元。

圖3 燃煤電廠DCS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 DCS system topology structure of the coal-fired power plant

2.2 DCS系統(tǒng)中電壓控制節(jié)能的實(shí)現(xiàn)

在燃煤電廠DCS系統(tǒng)中，通過對(duì)各個(gè)控制單元的電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了燃煤電廠DCS系統(tǒng)電壓控制的節(jié)能。具體方法如下所述。

2.2.1 正向電壓控制的節(jié)能方法

首先，需要對(duì)DCS系統(tǒng)分配到控制單元的功率進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)式（9）進(jìn)行簡化處理，使電壓的部分得到保留：

從上述公式能夠得知，DCS系統(tǒng)中的電壓能夠以控制單元輸出功率的形式進(jìn)行表達(dá)，而DCS系統(tǒng)電壓和其功率具有相同的變化方向，對(duì)式（7）在控制單元額定電壓處進(jìn)行線性化處理，可以得到：

通過上述公式能夠?qū)CS系統(tǒng)中的損耗電壓進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)改善了控制單元的電壓水平，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的分散電壓控制的目標(biāo)。

利用下述公式能夠獲得控制單元左右電壓的參考調(diào)整值：

式中：M+5是DCS電壓調(diào)整對(duì)于控制單元電壓影響的大小，其取值應(yīng)該在合理的范圍內(nèi)，即在U+5，P+5，Q+5這幾個(gè)數(shù)值的上和下限：

按照同樣的方法，可以得到饋線分區(qū)的中的參考電壓：

大數(shù)據(jù)和智慧城市不再是初步的構(gòu)想，目前，國際上許多發(fā)達(dá)國家早已將其應(yīng)用于城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)中，并取得了十分顯著的成效。例如，在阿姆斯特丹地區(qū)，智能城市系統(tǒng)和公共照明設(shè)施實(shí)現(xiàn)了無縫連接，夜晚時(shí)，照明傳感器會(huì)自動(dòng)感知到光度變化，隨后開啟照明模式；芝加哥地區(qū)則是廣泛構(gòu)建了GPS傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了城市街區(qū)的數(shù)字化規(guī)劃；紐約地區(qū)在地下水道系統(tǒng)中安裝了傳感器，極大地增強(qiáng)了城市污水排放和雨水徑流水平的檢測能力。另外，據(jù)證實(shí)，法國尼斯智能城市試點(diǎn)項(xiàng)目完全以IP技術(shù)為架構(gòu)，基于經(jīng)濟(jì)模式，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)規(guī)劃未來城市和社會(huì)整體效益，形勢大好。

2.2.2 負(fù)向電壓控制的節(jié)能方法

DCS系統(tǒng)中控制單元的不對(duì)稱負(fù)荷造成系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)向功率損耗，在進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的電壓調(diào)整的過程中，除了對(duì)正向電壓進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)需要對(duì)負(fù)向電壓進(jìn)行調(diào)整，降低DCS系統(tǒng)電壓的不平衡度。負(fù)向電壓調(diào)整就是調(diào)整控制單元輸出的負(fù)向無功功率，在進(jìn)行負(fù)向電壓調(diào)整的過程中采用與正向電壓調(diào)整相同的方法，最后得到的負(fù)向電壓參考值為

根據(jù)上面闡述的方法，通過調(diào)整燃煤DCS系統(tǒng)中的正向電壓和負(fù)向電壓進(jìn)行調(diào)整，能夠減少正向功率損耗和負(fù)向功率損耗，減少了燃煤電廠DCS中的能源損耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證改進(jìn)算法在燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能方面的有效性，需要進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)，利用simulin構(gòu)建燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。燃煤DCS系統(tǒng)是由10 kV·A的380 V/220 V變壓器和相關(guān)控制單元構(gòu)成。控制單元相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 DCS系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 DCS system related parameters settings

燃煤電廠DCS系統(tǒng)的節(jié)能仿真實(shí)驗(yàn)從0時(shí)刻開始，為了驗(yàn)證不同電壓變化條件下的節(jié)能效果，進(jìn)行不同的控制單元輸出功率變化的仿真實(shí)驗(yàn)。燃煤電廠DCS系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，控制單元輸出功率的參考值設(shè)置如表2所示。

表2 控制單元功率參考值變化表Tab.2 Control unit power reference values change table kW

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，從0時(shí)刻開始，當(dāng)進(jìn)行到1 s時(shí)刻時(shí)，DCS系統(tǒng)中控制單元的輸出功率會(huì)引起系統(tǒng)電壓出現(xiàn)較大的波動(dòng)，使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的能源損耗。表3能夠描述采用傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能控制的效果。

根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得知，采用改進(jìn)算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)電壓控制，能夠抑制不同控制單元的電壓波形，減少電壓損耗，使DCS系統(tǒng)中的能源損耗得到抑制，而傳統(tǒng)算法由于沒有對(duì)DCS系統(tǒng)中的各個(gè)控制單元進(jìn)行電壓調(diào)整，造成DCS系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)性較大，無法降低DCS系統(tǒng)中的能源損耗。這充分體現(xiàn)出改進(jìn)算法在燃煤電廠DCS系統(tǒng)中節(jié)能控制方面的有效性。

表3 不同算法電壓變化情況對(duì)比Tab.3 Comparison of voltage changes under different algorithms

利用不同算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的節(jié)能實(shí)驗(yàn)，獲得DCS系統(tǒng)的無功功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 不同算法DCS系統(tǒng)的無功功率比較Fig.4 Comparison of reactive powers of DCS system under different algorithms

圖5 不同算法的DCS系統(tǒng)功率因數(shù)比較Fig.5 Comparison of power factors of DCS system under different algorithms

從圖4 圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得知，采用改進(jìn)算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的電壓控制，能夠使DCS系統(tǒng)中的無功功率得到極大的降低，提高了功率因數(shù)，提高了有功功率的輸出，降低了系統(tǒng)的能源損耗，而傳統(tǒng)算法由于沒有充分考慮DCS系統(tǒng)中各個(gè)控制單元的工作屬性，難以推斷出系統(tǒng)控制單元的狀態(tài)和控制進(jìn)程的精確時(shí)間，無法抑制系統(tǒng)的無功功率。增加了系統(tǒng)的能源損耗。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)算法在燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能方面的不足，提出一種基于分散電壓控制的燃煤電廠DCS系統(tǒng)中的節(jié)能方法。對(duì)燃煤電廠DCS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為電壓控制節(jié)能提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；通過對(duì)各個(gè)控制單元的正向電壓和負(fù)向電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的節(jié)能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用改進(jìn)算法進(jìn)行燃煤電廠DCS系統(tǒng)節(jié)能，能夠提高DCS系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低無功功率，實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)的節(jié)能。

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Research on Voltage Control and Energy Saving Method in the Coal-Fired Power Plant DCS System

NING Lingling
（College of Mechanical Engineering，Shandong Kaiwen College of Science and Technology，Jinan 250200，Shandong，China）

The energy-saving control of the DCS system of the coal-fired power plant can enhance the security of the DCS system，and prolong the service 1ife of the components in the system.The traditional energy saving method cannot accurately judge the status and progress of the control unit according to the working properties of each control unit in the DCS system，thereby increasing the energy 1oss of the system.For this，this paper puts forward a kind of coal-fired power plant DCS system based on distributed voltage control method of energy saving.A topology structure analysis of the DCS system in the coal-fired power plant is conducted to provide an accurate data basis for voltage control and energy saving.Through both negative and positive voltage regulations of each control unit，the energy saving of the DCS system is realized.Simulation experiment results show that the improved algorithm used in the DCS system energy-saving of the coal-fired power plant can improve the power factor of the DCS system，reduce reactive power so as to realize the energy saving of the DCS system with satisfactory effects.

2015-03-09。

寧玲玲（1980），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

（編輯 徐花榮）

1674-3814（2015）08-0031-05

TM82

A

KEY W0RDS：coal-fired power plants；The DCS system；voltage control；energy saving