泵站能效评估与节能增效研究

摘要

随着现代化城市的扩张，加压泵站已成为城市供水系统的重要组成部分，由于历史的原因与地域的差异，泵站的建设与评估一直没有标准，导致部分泵站运行能耗高、效益低，本文提出了一套城市加压泵站能耗的评估方法，设计了一套在线监测加压泵站能耗分析模型。通过对泵站电机的运行状况进行监督分析，尝试对泵站电机进行动态无功补偿来提高泵站的能效，目前城市加压泵站电机在变频器的拖动下，多台组合运行，状况复杂，为了提高城市加压泵站的整体用电效益，本文设计了一套泵站监测与动态无功补偿装置。　　基于大数据分析，本文构建了城市加压泵站的能耗分析模型，得知影响泵站能耗的主要因素是泵机组，本文针对泵机运行状况设计了一套泵站电机动态无功补偿装置来提高电机的功率因数。对加压泵站异步电机的拓扑结构进行研究，建立了加压泵站电机的数学模型。阐述了电机的功率因数以及瞬时功率理论，通过瞬时功率理论分析了泵站绕组开放的异步电机拓扑结构的无功补偿原理,制定了泵站异步电机功率因数的动态无功补偿方案。在MATLAB/SIMULINK仿真软件上验证了异步电机的数学模型，同时对设计的无功补偿控制方法进行仿真，仿真结果验证了该方法能够使泵站异步电机功率因数提高。本文设计了以DSP（Digital Signal Processing）为控制核心的绕组开放式异步电机无功补偿装置的硬件，补偿装置的硬件包括主电路和控制电路两部分。　　为了对加压泵站进行实时远程监控，本文设计了一套加压泵站在线监测系统。泵站在线监测系统能够为本文实验提供实时的泵站数据，同时能够在线监测泵站电机的运行状况。最后通过验证得出泵站电机在动态无功补偿之后的能效改进效果。基于国家电费利率收取方案的分析，得出提高泵站功率因数对增加泵站企业的整体效益也起到了积极作用。

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ABSTRACT

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 泵站节能的研究现状

1.2.1 泵站能耗影响因素分析

1.2.2 泵站运行管理研究

1.3 电机无功补偿的发展历程

1.3.1传统的无功补偿方式

1.3.2 新型的无功补偿方式

1.4论文主要内容和章节安排

第二章加压泵站能耗分析方法与模型建立

2.1 加压泵站理论能耗分析

2.1.1加压泵站的数据库设计

2.1.2加压泵理论能耗计算方法

2.2 加压泵站综合效率计算方法

2.3 加压泵站能耗分析模型

2.3.1加压泵站分布式能耗动态模型

2.3.2加压泵站能量损失分析模型

2.3.3加压泵站电机效率计算方法

2.4 本章小节

第三章泵站电机无功补偿原理分析

3.1异步电机的数学模型

3.1.1 坐标变换

3.1.2 三相静止坐标系下的异步电机数学模型

3.1.3 两相坐标系下的异步电机数学模型

3.1.4 两相dq坐标系下的异步电机数学模型

3.2泵站电机功率因数与瞬时功率的定义

3.2.1泵站电机功率因数的定义

3.2.2 泵站电机瞬时功率的定义

3.3 泵站电机功率因数的无功补偿原理分析

3.3.1功率因数无功补偿装置拓扑结构

3.3.2基于电机等效模型的无功补偿原理分析

3.4本章小节

第四章 无功补偿装置在MATLAB中的仿真及其硬件设计

4.1 泵站异步电机的MATLAB建模仿真

4.2 MATLAB中系统的控制方法设计

4.2.1 控制系统设计

4.2.2 控制系统的仿真与结果

4.3无功补偿装置的硬件设计

4.3.1 主电路的硬件设计

4.3.2 控制电路的硬件设计

4.4 本章小结

第五章 泵站在线监测系统的设计

5.1 加压泵站在线监测系统的硬件设计

5.1.1 系统的总体设计

5.1.2 主控芯片与智能水表设计

5.1.3 LoRa模块的设计

5.1.4 集中器模块的设计

5.2 城市加压泵站在线监测系统的软件设计

5.2.1 无线数据通信协议

5.2.2 采集节点与集中器的软件设计

5.2.3 现场测试结果分析

5.3实验结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢