CN104937182A - 泵站的混合电气系统及其优化的运行方法 - Google Patents

泵站的混合电气系统及其优化的运行方法 Download PDF

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陈瑶
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Abstract

提供了一种泵站的混合电气系统及其优化的运行方法。所述混合电气系统包括中央控制器。泵站的混合电气系统还包括共享的变频驱动(VFD)母线和通用母线，共享的变频驱动(VFD)母线和通用母线都连接至所述中央控制器。所述共享的VFD母线由两个或更多个所述马达-泵链共享，并选择性的驱动一个、两个或更多个所述马达-泵链。泵站领域中，和现存的现有技术相比，提出的方案更加直观可行。

Description

泵站的混合电气系统及其优化的运行方法
技术领域
本发明涉及泵站技术领域，尤其涉及泵站的混合电气系统及其优化的运行方法。
背景技术
公知的是，对于泵类负载来说，变速运行能够比固定速度运行实现更高的效率。因此，泵站倾向于为每个马达-泵链(motor-pump chain)安装变频驱动(VFD)以确保高效运行，如图1A所示。然而，这个解决方案有几个缺点。首先，资本投资高；其次，如果马达-泵链主要以额定速度工作，那么VFD解决方案可能由于它自己的功率损耗而降低效率。
图1B示出了泵站的另一传统电气方案。图1B示出了由一个VFD共同驱动，并且共享相同的运行点设置的多个马达-泵链的结构。这个方案也有一些缺点：首先，当VFD利用的容量相对低时，每个马达-泵链具有低效率；其次，存在不同方式用于在不同的由VFD驱动的马达-泵链之间进行负载分配，以满足相同的总输出要求。为了具有优化的系统效率而在各个马达-泵链之间平均地分配负载并不总是对的。
为了克服上述缺点，本领域技术人员旨在解决以下两个问题：
1)如何用较少的资本投资来设计泵站系统的电气方案，同时仍保持VFD的功能，例如软启动、速度调节。
2)考虑到泵站的负载要求以及不同马达-泵链的速度调节技术和效率曲线，如何通过优化的负载分配来提高泵站的总运行效率。
发明内容
本发明的目的通过泵站的混合电气系统和相应的控制方法来实现，以便减少资本成本和运行成本，并且优化整个泵站的运行效率。
根据本发明的一个方面，泵站的所述混合电气系统包括中央控制器。所述混合电气系统还包括共享的变频驱动(VFD)母线和通用母线，所述共享的变频驱动(VFD)母线和通用母线都连接至所述中央控制器。所述共享的VFD母线由两个或更多个马达-泵链共享，并且所述共享的VFD母线选择性地驱动一个、两个或更多个所述马达-泵链。
根据本发明的一个优选实施例，所述通用母线由具有有载分接开关的变压器供电。
根据本发明的一个优选实施例，所述马达-泵链中的每一个连接至单刀三掷开关，所述单刀三掷开关将所述马达-泵链在通用母线连接、共享的VFD母线连接，以及断开之间切换。
根据本发明的一个优选实施例，所述系统还包括由非共享的VFD供电的马达-泵链。
根据本发明的一个优选实施例，所述非共享的VFD直接连接至所述通用母线。
根据本发明的一个优选实施例，所述非共享的VFD由没有连接到所述通用母线的独立变压器供电。
根据本发明的另一方面，一种优化泵站的运行效率的方法包括以下步骤：预处理由用户输入的初始数据；预测用水负荷或得到下个时间间隔的预设用水负荷；计算泵站的控制命令；以及通过控制VFD和/或有载分接开关和/或单刀三掷开关来执行控制命令。
根据本发明的一个优选实施例，所述预处理步骤包括以下步骤：收集连接到共享的VFD母线的泵的参数；收集连接到非共享的VFD母线的泵的参数；收集连接到由带有有载分接开关的变压器供电的通用母线的泵的参数；识别管阻参数；限定由VFD母线直接驱动的马达-泵链的数量以实现部分优化要求。
根据本发明的一个优选实施例，所述预测步骤还包括以下步骤：通过液体管阻曲线来计算泵站的参数；通过计算带有或不带VFD的马达-泵链的参数来更新泵列表，以使效率最大化。
根据本发明的一个优选实施例，所述计算步骤依次遵循三个选项以满足负载要求：只需VFD调节就能够满足负载要求；VFD和有载分接开关调节能够满足负载要求；针对整个泵站重新计算控制命令，所述整个泵站包括VFD、有载分接开关和单刀三掷开关。
根据本发明的一个优选实施例，所述重新计算步骤包括以下步骤：初始化泵列表；计算剩余用水负荷要求；计算泵列表参数以实现最大效率；选择具有最高效率、带有或不带VFD的马达-泵链；或进行部分优化以便找出最高效率的列表，以满足剩余用水负荷要求。
根据本发明的一个优选实施例，所述执行步骤包括：将连接至共享的和/或非共享的VFD母线的马达-泵链的频率调节为系统频率；根据电压要求通过有载分接开关调节通用母线的电压。
和现存的现有技术比较，本发明的解决方案节省了VFD和软启动器的数量和大小，同时仍然保持马达的软启动和效率提高功能。本发明的另一优点是它能够通过协调用于各个马达-泵链的供电方案、负载分配方式和变压器OLTC以及VFD设置来优化泵站的实时运行效率。
附图说明
参照图中示出的优选的示例性实施例，将在下面的描述中更详细地讲解本发明的主题，其中：
图1示出了传统泵站的电气方案，其中，图1A示出了针对每个马达-泵链分别安装VFD的结构，图1B示出了被一个VFD共同驱动的多个马达-泵链的结构；
图2示出了根据本发明实施例的混合泵站的混合电气方案；
图3示出了本发明的结构，其中，图3A示出了泵站的混合电气方案Ⅰ，图3B示出了泵站的混合电气方案Ⅱ；
图4是示出了具有混合电气方案的泵站的运行效率优化的主流程图；
图5示出了根据本发明实施例的参数预处理过程的流程图；
图6示出了根据本发明实施例的控制命令确定的流程图；
图7示出了根据本发明实施例的整体优化过程的流程图；
图8示出了根据本发明实施例的控制命令执行的流程图。
具体实施方式
在下文中结合附图描述了本发明的示例性实施例。为了清楚简明起见，说明书中没有描述实际实施中的所有特征。
图2示出了根据本发明的第一个优选实施例的泵站的混合电气系统，这个混合电气系统包括由共享的VFD(例如，图2中的VFD1)供电的VFD母线。
如图2所示，两个或更多个马达-泵链可以通过单刀三掷(SPTT)开关连接至通用母线或VFD母线。这意味着，马达-泵链在同一时间只能有三种状态中的一种：通用母线连接，意味着连接至通用母线；共享的VFD母线连接，意味着连接至VFD母线；或者与通用母线和VFD母线都断开。
为了优化运行效率，VFD和SPTT开关的状态信息全部传输到中央控制器。除此之外，中央控制器还获得实时用水负荷数据和预测用水负荷。凭借所有这些数据，控制器执行整个泵站的优化计算。此后，为了大范围调节马达速度，中央控制器将控制命令发送给可控设备，例如，VFD。
通过使用SPTT开关，可以优化马达-泵链的启动过程。如图2所示，SPTT可以将马达-泵链切换到VFD母线，以获得软启动。在完成启动过程后，SPTT可以将该马达-泵链切换到通用母线连接，从而节省软启动设备。为了调节马达速度和优化运行效率，在通过VFD启动了所有需要的马达-泵链后，这些马达-泵链可以切换回VFD母线，并由共享的VFD(即VFD1)驱动。
图3A示出了根据第二个优选实施例的泵站的混合电气方案I，这个混合电气方案主要包括两种母线：1)由带有OLTC的变压器供电的通用母线；2)由共享的VFD(例如，图3A中的VFD1)供电的VFD母线。
如图3A所示，两个或更多个马达-泵链可以通过SPTT(单刀三掷)开关连接至通用母线或VFD母线。这意味着，马达-泵链在同一时间只能有三种状态中的一种：连接至通用母线；连接至VFD母线；或者与通用母线和VFD母线都断开。
为了对至少两个马达-泵链供电，对共享的VFD的容量要求相对高。还存在由单个的VFD(例如，图3A中示出的直接连接至通用母线的VFDj)供电的马达-泵链，以实现更加平稳的运行。这些额外的VFD通常将具有比共享的VFD更小的容量。
为了优化运行效率，OLTC、VFD和SPTT开关的状态信息全部传输给中央控制器。除此之外，中央控制器还得到实时用水负荷数据和预测用水负荷。使用所有这些数据，控制器执行整个泵站的优化计算。此后，为了大范围调节马达速度，中央控制器将发送控制命令给可控设备，例如，VFD；或者为了通过调节定子电压而小范围调节马达速度，中央控制器将直接对设备(例如OLTC)进行控制。
通过使用SPTT开关，可以优化马达-泵链的启动过程。如图3A所示，SPTT可以将马达-泵链切换至VFD母线以进行软启动。在完成启动过程之后，SPTT可以将该马达-泵链切换至通用母线，从而节省软启动设备。为了调节马达速度和优化运行效率，在通过VFD启动所有需要的马达-泵链之后，这些马达-泵链可以切换回VFD母线，并且由共享的VFD，即VFD1驱动。
图3B示出了根据第三个优选实施例的又一可能的电气方案，其中单个的VFD-马达-泵链可以由不带OLTC的独立变压器供电。当用水负荷发生小变化时，将控制这些单个的VFD-马达-泵链以平衡这个小的负载变化。这意味着不需要操作OLTC，这将减轻对OLTC的冲击。这样还可以简化控制方法，因为OLTC调节将不会影响单个的VFD-马达-泵链的输入侧电压。
根据又一优选实施例，中央控制器实时地执行优化计算。图4示出了流程图。无论优化结果何时改变，中央控制器将分别更新用于OLTC、VFD和/或SPTT开关的控制命令。
步骤201：流程图的第一步是预处理由用户输入的初始数据，如图5所示，其中将总共收集以下四组数据：
1)与OLTC变压器连接的马达-泵链数量Nc及其参数。以第i个马达-泵链为例，参数首先包括最大扬程Hmax_i、额定扬程Hn_i、额定流量Qn_i、效率曲线，以及泵i的H-Q曲线(H-Q曲线可以按照Hp_i＝Hmax_i*ω^2-(Q_i/Qn-i)^2*(Hmax_i-Hn_i)计算)，其中，Q_i或Hp_i是目标，ω可以通过ω＝(Hp_i/Hn_i)*ωn或ω＝(Q_i/Qn_i)^2*ωn计算；其次包括OLTC的电压调节范围(Vmin,Vmax)；第三包括马达的速度-电压曲线和效率曲线。
2)与非共享的VFD连接的马达-泵链数量Nv1及其参数。泵的所需信息同上；加上马达和VFD的效率曲线。
3)与共享的VFD连接的马达-泵链数量Nv2及其参数。泵、马达和VFD的所需信息同上。
4)用于识别管阻曲线的参数，包括静态扬程Hst、额定扬程Hn和额定流量Qn(管阻曲线可以按照Hs i＝Hst+(Qi/Qn)2×(Hn-Hs t)来计算)。
在预处理之后，除了实时数据之外的全部信息将为计算准备好。在这个步骤中，用户还需要根据共享VFD的容量来定义由共享VFD直接驱动的马达-泵链的最大数量Nva。数量Nva可以根据效率提高要求而确定，例如，Nva＝3可以确保最多3个马达-泵链的效率可以被共享的VFD提高。效率提高依赖于马达-泵链和VFD的效率。
全部参数储存在表中，表中还储存有实时数据和计算结果。表1示出了一个示例，其中：
1)类型：示出了马达-泵链的类型，例如，“C”指的是马达-泵链连接至通用母线，“V2”指的是马达-泵链连接至VFD母线，而“V1”指的是马达-泵链连接至非共享的VFD；
2)状态：示出了马达-泵链的运行状态，例如开或关；
3)电压：示出了由优化计算出的OLTC电压调节结果；
4)频率：示出了由优化计算出的VFD频率调节结果；
5)Q：指的是泵提供的用水负荷；
6)Eff：指的是带有或不带VFD的整个马达-泵链的效率；
7)控制：指的是来自中央控制器的控制命令，例如，启动或停止。
表1泵列表
步骤202：第二步，中央控制器预测用水负荷或得到下个时间间隔tk的预设用水负荷。凭借这些数据，中央控制器基于管阻曲线来计算用于泵站控制优化的流量控制指令Q(k)或扬程控制指令H(k)，并通过计算带有或不带VFD的马达-泵链的参数来更新泵列表，以得到最大效率。
步骤203：第三步，中央控制器计算泵站的控制命令。在本发明中，我们假设可以得到用于控制优化的流量控制指令Q(k)(得到扬程控制指令H(k)，算法也可行)。基于控制指令和全部马达-泵链的状态，控制策略将得出如图6所示的三个可能的运行解决方案。
当要增加或减少用水负荷时，中央控制器依次评估以下三个选项：
1)通过VFD控制满足所要求的用水负荷；
2)通过VFD控制和OLTC调节满足所要求的用水负荷；
3)针对整个泵站重新计算控制命令以满足用水负荷。
如果选项1)起作用，则中央控制器计算所要求的频率。另外，如果选项2)起作用，则中央控制计算所要求的频率和电压。在这两个选项中，将不启动或停止额外的泵，控制器将尝试通过调节已经运行的马达-泵链满足负载偏差。
否则，中央控制器将针对整个泵站进行控制命令计算，这意味着不只是VFD和OLTC，SPTT的运行状态也需要改变以便满足负载要求，泵启动/停止将是必要的。
划分VFD、OTLC和SPTT的运行先后顺序的目的是限制OLTC的运行时间，以及避免泵的频繁启动/停止，这有助于最小化电压/电流对主要设备的冲击，进一步延长它们的寿命周期。
图7示出了用于计算整个泵站控制命令的流程图。首先，中央控制器将初始化泵列表。然后，为了最终满足用水负荷要求，中央控制器顺序接通具有最高效率的马达-泵链的SPTT或利用共享VFD对Nva个马达-泵链进行部分优化。
用于进行部分优化的标准包括两个方面：
1)剩余用水负荷要求不高于Qa，Qa通过)计算，其中Qv是可由剩余的具有最高效率的马达-泵链所能满足的用水负荷；
2)剩余的VFD供给的马达-泵链的数量不高于在步骤201中定义的Nva。
如上所述，如果用于部分优化的标准全都不满足，中央控制器将通过SPTT接通具有最高效率的马达-泵链。
然而，如果只有用于部分优化的第二标准不满足，中央控制器将接通不带VFD的、能够实现最高效率的马达-泵链的SPTT，并且然后得到更新后的泵列表。
如果用于部分优化的两个标准都满足，中央控制器将确定SPTT命令，并通过将带有VFD的马达-泵链的Nva个集合与不带VFD的马达-泵链的Nca个集合的全部排列组合的效率进行比较来计算优化的用水负荷分配列表。Nca通过Nca＝ceil(Qr/Qc)计算，其中Qr是剩余用水负荷要求，Qc是由最高效率的马达-泵链能满足的用水负荷。将选择具有最高效率的组合。中央控制器还将计算全部VFD的频率指令和由OLTC变压器供电的的通用母线的电压指令。
步骤204：第四步，在控制命令计算之后，中央控制器将通过直接控制OLTC和/或SPTT或通过将控制命令发送给全部VFD来执行结果，如图8所示，其中，控制行为包括泵的启动和停止、SPTT开关运行、OLTC电压调节和VFD频率调节。
首先，中央控制器通过将控制命令进行分类来预处理控制命令，以避免VFD的频繁调节。控制命令的顺序将是：1)停止马达-泵链，2)将连接至VFD母线的马达-泵链的频率调节成系统频率，3)启动将会连接至VFD母线的马达-泵链，并将频率调节成系统频率，4)启动将会连接至VFD母线的马达-泵链并将频率调节到不等于系统频率的某个值，5)启动单个VFD-马达-泵链或调节它的频率。
为了启动泵，中央控制器将马达-泵切换到由共享的VFD供电的VFD母线。然后，中央控制器要求共享的VFD启动马达-泵。中央控制器根据电压要求调节OLTC。如果马达-泵的频率等于系统频率，则中央控制器将马达-泵链切换到通用母线，或将频率要求发送给VFD。
为了停止泵，中央控制器将马达-泵切换到由共享VFD供电的VFD母线。然后，中央控制器要求共享的VFD停止马达-泵。
如果不需要启动或停止泵，则中央控制器根据电压要求调节OLTC。如果马达-泵的频率等于系统频率，则中央控制器将马达-泵链切换到通用母线，或将频率要求发送给VFD。
中央控制器实时地重复步骤202、步骤203和步骤204。
根据本发明的系统和方法的优点
本发明提出了一种混合电气系统以及泵站的相应控制方法，以减少资本成本和运行成本，并且优化整个泵站的运行效率。
考虑到VFD和变压器的OLTC的调节能力，本发明使用VFD母线和通用母线驱动多个马达-泵链。通过在两个或更多个马达-泵链之间共享VFD，可以实现多个好处，例如节省了VFD容量，节省了软启动设备，以及相对于不带VFD的那些马达-泵链提高了效率。
考虑到OLTC电压调节能力，本发明使用带有OLTC的变压器来对通用母线进行供电，以调节电压并且因此在一定程度上调节马达速度。这可有助于节省所需要的VFD的数量，并且相对于不带VFD的那些马达-泵链提高效率。
通过上述系统，本发明还提出了优化的运行和控制解决方案，该解决方案考虑VFD和OLTC的使用优先级。本发明还介绍了启动或停止马达-泵链的方法，增加或减少用水负荷的方法，以及存储参数和数据类型。
尽管已经基于一些优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该了解那些实施例绝不应该限制本发明的范围。在不背离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变形或修改都能被具有本领域普通知识和技术的人员理解，并因此落入由所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种泵站的混合电气系统，包括中央控制器，其中，所述混合电气系统还包括共享的变频驱动(VFD)母线以及通用母线，所述共享的VFD母线和所述通用母线都与所述中央控制器连接；所述共享的VFD母线由两个或更多个马达-泵链共享，并且所述共享的VFD母线选择性地驱动一个、两个或更多个所述马达-泵链。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述通用母线由具有有载分接开关的变压器供电。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述马达-泵链中的每一个和单刀三掷开关连接，所述单刀三掷开关将所述马达-泵链在通用母线连接、共享的VFD母线连接和断开之间切换。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述系统还包括由非共享的VFD供电的马达-泵链。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述非共享的VFD直接连接至所述通用母线。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述非共享的VFD由没有连接到所述通用母线的独立变压器供电。
7.一种优化泵站的运行效率的方法，包括以下步骤：
预处理由用户输入的初始数据；
预测用水负荷或得到下个时间间隔的预设用水负荷；
计算所述泵站的控制命令；以及
通过控制VFD和/或有载分接开关和/或单刀三掷开关执行控制命令。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预处理步骤包括以下步骤：
收集连接到共享的VFD母线的泵的参数；
收集连接到非共享的VFD母线的泵的参数；
收集连接到由带有所述有载分接开关的变压器供电的通用母线的泵的参数；
识别管阻参数；
限定由所述VFD母线直接驱动的马达-泵链的数量，以实现部分优化要求。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预测步骤还包括以下步骤：
通过液体管阻曲线来计算所述泵站的参数；
通过计算带有或不带VFD的马达-泵链的参数更新泵列表，以使效率最大化。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述计算步骤依次遵循以下三个选项以满足负载要求：
1)只需VFD调节就能够满足负载要求；
2)所述VFD调节和所述有载分接开关调节能够满足要求；
3)针对整个泵站重新计算控制命令，所述整个泵站包括所述VFD、所述有载分接开关和所述单刀三掷开关。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述重新计算步骤包括以下步骤：
初始化所述泵列表；
计算剩余用水负荷要求；
计算所述泵列表参数以实现最大效率；
选择具有最高效率、带有或不带VFD的所述马达-泵链；或进行部分优化以便找出最高效率的列表，以满足剩余用水负荷要求。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述执行步骤包括：
将连接至所述共享的VFD母线和/或非共享的VFD母线的所述马达-泵链的频率调节为系统频率；
根据所述电压要求通过所述有载分接开关调节所述通用母线的电压。
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