大功率變頻器在大型泵站中并聯(lián)運轉時要解決的幾個關鍵技術難題-課件

大功率變頻器在大型泵站中并聯(lián)運轉時要解決的幾個關鍵技術難題--（5）

北京市政工程設計研究總院陳運珍The

Key

technical

problem

of

High-power

inverter

running

parallel

in

the

large

water

factoryBEIJINGMUNICIPALENGINEERINGDESING＆RESEARCHGENERALINSTITUTECHENYUNZHEN

摘要：從四十多年在大型給水排水工程的設計、運行、管理實際出發(fā)，總結了大型泵站采用變頻調速節(jié)能降耗的高新技術中，必須解決的關鍵技術難題：如何尋找等效的綜合的理想的水泵特性曲線？如何選用最佳的調速方案？如何追求最小的單位電耗目標？諧波治理及功率因素補償如何綜合考慮？如何選擇綠色環(huán)保型的變頻器？什么是最理想的現(xiàn)場網絡監(jiān)控環(huán)境？如何采用最科學的智能控制先進技術？針對這些應用中的關鍵技術難題提出了作者的見解，供同仁磋商。

關鍵詞：多臺水泵并聯(lián)運轉的理想特性曲線；最小單位電耗目標；綠色環(huán)保型變頻器；諧波治理以及功率因素補償；信息控制一體化網絡監(jiān)控。

1、引言

隨著十一五規(guī)劃的實施，城鄉(xiāng)缺水將更加嚴重。我國人均水資源占有量只有世界人均水平的四分之一。全國年缺水量約300~400億立方米，全國的城市每年缺少60億立方米，日缺水量超過1600萬立方米。據統(tǒng)計，全國供水總量將達600億立方米，到2010、2030、2050年我國城市相應需水量將分別增加到910億立方米、1225億立方米和1550億立方米左右?！笆晃濉逼陂g，全國新增供水能力400億立方米，其中新增城市為160億立方米，新增鄉(xiāng)鎮(zhèn)為80億立方米，全國重點城市新增4500萬立方米/日。預計到2030年，全國用水總量將達到7000億到8000億立方米，接近水資源可利用量的極限。

當前情況是：一方面國家撥巨資進行建設，另一方面，老一套的經濟運轉模式，存在嚴重的污染和浪費。綜觀當前國內水工業(yè)市場，絕大多數(shù)是老企業(yè)，設備陳舊，工藝及供電設備老化，自動化水平低下，水耗藥耗材耗嚴重，先進控制技術極少采用。就是近幾年來新建擴建改建的水處理工程，花了不少投資組建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不是名符其實的，不能進行網絡化監(jiān)控，造成許多資源白白浪費。更有許多處理廠站，存在先天性的不足，工藝設計不合理，工藝流程布局混亂，變電站遠離負荷中心，使得電力電纜和控制電纜太多太長。特別是水泵機組的配置不夠科學，使得給排水系統(tǒng)的電耗居高不下。噸水的單位電耗遠遠超過歐美、日本等國家。水工業(yè)的降耗節(jié)能到了克不容緩的地步。今年國務院又增加215億元的巨資，加大節(jié)能減排的力度。針對大量老水廠的技術改造和新水廠的節(jié)能降耗中的幾個關鍵技術難題，進行科學的分析研究并提出對策。圖1用水泵出口閘門調節(jié)水泵運行工況圖2調節(jié)水泵合數(shù)和出口閘門適應流量變化當水泵臺數(shù)足夠多時，宏觀上可以適應水量變化，但是水泵型號有限，裝機臺數(shù)過多，不僅管理不便，增大建筑面積，加大工程造價，流量脈沖變化極大，無法做到安全平穩(wěn)調節(jié)水量變化，還需要調節(jié)閥來調節(jié)水量（見圖2）。

很多泵站切削水泵葉輪來適應工作點需要，因水泵工作點不連續(xù)照樣有大量能量損失。

采用水泵機組無級調速技術，可連續(xù)地改變水泵轉數(shù)，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應于管網用水量的變化，才能提高機組效率，維持管網壓力恒定，達到節(jié)能的效果。節(jié)能原理如圖3所示。AB為全速泵特性曲線，AnBn為調速泵特性曲線，CBnB為管路特性曲線，CO為幾何揚程（含地形差和自由水頭），當用水量從Qmax減少到Qmin的過程中，全速泵的揚程將沿BA曲線上升，而管網所需揚程將沿BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應用水泵調速技術時，當用水量從Qmax變動到Qmin的過程中，水泵轉數(shù)隨流量從額定位n降到n1n2n3……nn，水泵的Q—H特性曲線AB也相應變化為A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而這組平行的特性曲線AB—AnBn與管路特性曲線CB的交點軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點沿管路特性曲線滑動，使揚程處處能與系統(tǒng)阻力相適應，做到沒有多余壓力的損失，且能保持管網供水壓力恒定，根據水泵軸功率的計算公式，明顯收到節(jié)能效果。東北市政設計院設計的引英入連供水工程水源泵站，2001年正式投產，其供水能力為66萬m3/d，共5臺2800kW的臥式離心水泵，變速電機電壓為3kV，其中4臺水泵機組選用SimovertMV電壓源型變頻器，采用三電平的磁場定向式矢量控制技術，逆變側采用了大功率全控器件高壓IGBT元件，因為IGBT元件的開通和關斷過程都是連續(xù)可控的，無需附加其它電路，就能實現(xiàn)dv/dt控制，減小了電機和變壓器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在線地得到高精度的轉矩控制，SimovertMV是一種可靠性較高的變頻器，5年來一直運轉良好，其節(jié)電效果非常明顯：每年節(jié)電452萬kW.h，按0.6元/kW.h計算，則每年均能省電費536萬元。而取水泵站的全部調速裝置投資為800萬元，不到2年，就收回了基建投資。2.2某大型配水送水泵站的實例分析：給水處理工藝流程，一般為進水、配水井、絮凝沉淀、過濾、清水池、配水泵房，送入配水管網；還有加藥、加氯、加氨等輔助系統(tǒng)，中間還有回流泵房等。水泵相似定律：Q／Q′／Q″＝n／n′／n″…………………（1）H／H′／H″＝n2／n′2／n″2…………………（2）N／N′／N″＝n3／n′3／n″3…………………（3）N＝（1－s）f／P……………（4）水泵工作揚程：H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2……………（5）（n為轉子實際轉速；S為電機轉差率；f為定子頻率；P為電機極對數(shù)；Q為綜合流量；H為水泵揚程；N為電機軸功率。）如果選用變頻調速，就是通過改變定子頻率，來改變異步電動機轉子的實際轉速，同時，又要滿足電動機轉矩的要求，達到水泵運轉在高效率區(qū)域內。速度改變了，水泵的流量、揚程、功率都隨著改變。取水泵站的流量變化系數(shù)：K取=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33…………（6）（Kd1—高日系數(shù)，取1.4，Kd2—低日系數(shù)，取0.6）Hh為水泵的幾何高差，一般為常數(shù)；Hf=CQ2為管道摩阻水頭，隨流量平方而變化，Hf=Hfmax/Hfmin=Kd12/Kd22=5.4……………（7）凈配水廠的流量變化系數(shù)：K配=（Kd1·Kh1）/（Kd2·Kh2）=（1.4×1.4）/0.6×0.5=6.53……（8）（高時變化系數(shù)Kh1取1.4，低時系數(shù)Kh2取0.5。）由此可見，凈配水廠比取水廠站的流量變化更大，給水處理廠更要考慮科學的調流降耗的措施。流量的千變萬化，影響著整個處理系統(tǒng)的不斷變化，如絮凝沉淀、各種過濾的處理程序，加氯、加氨、加藥的隨機變化，以及回流泵房等，都要采取各種先進監(jiān)控技術來調節(jié)變化。這些先不提了，重點研究一下送水泵房大容量水泵機組的變頻調節(jié)問題。見圖4。

上世紀八十年代中期，我院承擔的北京市第九水廠配水泵站設計中已充分認識了這個問題。從整個工藝流程到變配電設備選型，不是按最高日最高時的流量和其對應的壓力為工作點來選水泵和水泵組合；而是在滿足最大設計水量的基礎上，盡量使調速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機率最高的工作段或點上。調速水泵臺數(shù)，應在全年內運行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺數(shù)為需要的臺數(shù)，而備用選泵用定速泵。配水泵站多臺水泵機組工作特性曲線圖如圖4。由電算可知，首期2臺2500kW運轉的機率最大，其次為3臺同時運轉，要考慮的是各種臺數(shù)組合的系統(tǒng)曲線的高效區(qū)均能包入高日高時流量的基礎上向右下方移動。由圖可知，加大了額定流量，但降低了額定揚程，使多合配水泵綜合的高效中心線介于兩、三臺水泵運轉時的系統(tǒng)特性曲線之間。二期后同時運轉需要4臺2500kW的水泵機組，再考慮日變系數(shù)和時變系數(shù)的變化率，設計中規(guī)定，4臺運轉泵均采用變頻調速裝置，這樣運轉，最為經濟合理。當1臺調速泵有故障時，可以3調1定運轉，其綜合效率降低一點，而工作揚程還是很高。如果按老套路設計，就會選更多的水泵機組，為了調節(jié)水量，就要選各種不同容量不同型號的水泵機組，或者只上1臺調速裝置去試一試；這樣一來，水泵機組很多，泵房面積很大，土建投資更大；同時，管理維修難度加大，水錘現(xiàn)象無法避免，更談不上什么供水系統(tǒng)優(yōu)化調度了，其電耗、水耗、藥耗還是會居高不下。2.3創(chuàng)建科學的泵站綜合等效的理想的虛擬的特性曲線至關重要每建一個大功率多臺并聯(lián)運行的泵站或改造一個大規(guī)模的綜合的給水排水系統(tǒng)，都要把實際情況搞透，進行科學的水力計算，創(chuàng)建“泵站節(jié)電節(jié)水的最高目標”的軟件，使整個泵站的綜合的運轉特性曲線，由一條曲線擴大為一個工作面、工作點，由一個點變成沿管阻特性曲線的一個線段，將多臺并聯(lián)運行的調速泵組合為一臺等效的理想特性曲線。從上面二個實例有力的證明，創(chuàng)建理想的綜合等效的多臺水泵并聯(lián)運轉的虛擬的特性曲線是多么的重要，見圖4。就是說，變頻調速，特別是在小流量的最低速時，也能使泵站始終運行在高效區(qū)域內，真正平滑無級的運轉在最優(yōu)化的組合上，保證水處理系統(tǒng)一直運轉在最低的電耗、藥耗、水耗的目標上。3、最佳調速方式的選擇3.1不同調速方式再比較泵站工程建完了，其水泵機組和管道就定了，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。要改變總的出水流量，采用古老的調閥門方法，是不可行的；會產生巨大的水錘，會有巨大的破壞力，故障實例屢見不鮮。北京某大型取水泵站，采用閥門調試時，六套1.6米直徑大閥門被水錘全部打破，造成巨大經濟損失！科學地采用變頻調速，電耗就會大幅度下降，達到調節(jié)水量的控制目的，又不會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，極大地優(yōu)化了工藝流程。3.2各種方式調節(jié)流量的節(jié)電效果如圖1、圖2所示。調節(jié)閥門，流量是變化了，但電機功率不變，電能并沒有節(jié)省；過去常采用的液力耦合器，電能是節(jié)省一些，但電耗還是不小，最好的辦法就是采用變頻無級調速技術，就很接近理想的控制曲線。當然在一些調速范圍不很大的水泵站，也可以采用軟啟動器設備，有一定范圍的調節(jié)，簡單、實用、價格更便宜，但其節(jié)電效果肯定不如變頻調速裝置。

4.最小單位電耗是我們孜孜不倦追求的奮斗目標一個泵站隨著水質和用水量的不斷變化，如何在線的動態(tài)指揮各臺調速水泵機組的并聯(lián)運轉？始終做到藥耗、電耗、材耗最低，這是我們追求了幾十年的奮斗目標，可始終沒有達到理想境界。由于沒有一個好的監(jiān)控網絡和統(tǒng)一的通信協(xié)議，更重要的是沒有一個專用的監(jiān)控組態(tài)軟件來完成這些工作。關于泵站量化節(jié)能的研究，我國金易奧科技公司創(chuàng)建了“泵站目標電耗節(jié)能”的有國家專利的研究項目，為達到最小單位電耗目標做了有益的工作?！氨谜灸繕穗姾脑O計測算軟件”，借助于強大的計算機運算能力及其模塊化結構，使得軟件的應用極為簡便，只需輸入泵站中所用設備和工藝流程的動態(tài)要求，該軟件就會自動給出泵站的目標最低電耗的變化曲線。要達到廣泛運用，此軟件還要做大量的完善工作。通過網絡給出動態(tài)的流量就可在圖中查出最小的目標電耗值Wmin及控制運行策略,就能節(jié)約△W的電耗浪費,就能使多臺調速水泵機組按最優(yōu)化的組合以及調速策略去并聯(lián)運轉,保證系統(tǒng)一直運轉在最低的單位電耗下。5.諧波治理與功率因素補償要有機的相結合實踐告訴我們，變頻器就是一個諧波源。高次諧波危害極大，所以各種水泵站設計之初，就要將無功補償和高次諧波治理綜合考慮。無功功率補償?shù)饺珡S的綜合功率因素達到0.90以上，已被我們所認識，但諧波治理的重要性，我們的認識還遠遠不夠。如我們設計的北京第九水廠，日供水量為150萬噸，6臺調速水泵機組都在并聯(lián)運轉，配水泵站負荷占全廠總負荷百分之九十二以上。試運行后，我們邀請北京電力科學院做了多次諧波電流的測試工作；發(fā)現(xiàn)其高次諧波非常豐富，不僅偶次諧波超標，奇次諧波更是超標。不但產生特征諧波電流，而非特征諧波電流也很大。諧波抑制的方法有幾種：一種是增加變頻器整流的相數(shù)，相數(shù)越多，主要的高次諧波就越小，但是線路復雜了，功率元器件很多；一種是采用濾波器，在變頻器的輸入和輸出側安裝，LC無源濾波器目前還有采用，但采用有源電力濾波器是主要趨勢。它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，能實時產生一個與諧波電流大小相等，而方向相反的補償電流。從而使電網電流只含基波電流分量，它不受電網阻抗的影響。北京水源九廠前二期采用四套西門子的SIMOVERT“A”電流源型變頻器，單臺電機功率2500千瓦，采用12脈沖整流，又分主動變頻器和從動變頻器，啟動脈沖會產生30度的相位移，這樣3、5、7、9次的高次諧波數(shù)值是在允許值之內，但11、13等諧波電流均超標，加上變頻器負載不一致，三相電源電壓不很平衡，再加上控制回路觸發(fā)角的誤差，就會產生很多非特征性的諧波。第三期選用羅濱康的電壓源型變頻器，沒有諧波消除問題。我們根據電力科學院的諧波治理方案，一期和二期花了350萬人民幣來治理諧波和補償無功功率，這樣，6KV側功率因素達到了0.96以上，各次諧波數(shù)值都在允許值之內。6.選擇和應用大功率變頻器的幾個關健要素當今大型水泵站的節(jié)能降耗，大都選用大功率變頻調速技術，選擇好的符合水工藝流程要求的大功率變頻器，又如何科學的應用好變頻器？是一個非常重要的課題，要從七個關鍵要素中去思考去創(chuàng)新。6.1大功率變頻器要有過硬的消諧措施現(xiàn)在的大功率變頻器，上面配有隔離變壓器，二次線圈供電，功率單元和線圈相互絕緣，線圈之間有一個小的相位差，可清除各單元產生的大多數(shù)諧波電流，使基波電流盡量接近正弦波，而功率因數(shù)可在0.95以上。這樣，就可直接和普通電機配套，不增加噪音和發(fā)熱，不產生轉矩脈動，變頻器的效率高于0.97以上。6.2變頻器的dv/dt.值要小于500v/μs以下，當然越小越好。IGBT、IGCT的開關頻率高，開斷速度快，對大功率的水泵電機絕緣不利，還要增加電動機的損耗。我們知道，有許多廠家變頻器的dv/dt值大大超過500v/μs,有的高達1500v/μs之上。希望廠商要為用戶著想，在功率單元電路上設置LRC電路，其電感的鐵芯要選用超微晶新材料，進出電纜要屏蔽，電纜敷設必須嚴格按設計規(guī)范去做，保證dv/dt盡量小于500v/μs之下。dv/dt越小，就越有利于電動機繞組的絕緣，減小電動機的附加損耗，也可降低高次諧波分量。

變頻主電路的功率元件是變頻器技術發(fā)展的最主要的核心物質基礎。主電路功率元件的工作過程就是能量的過渡過程，其可靠性、穩(wěn)定性、精確性決定了變頻器的可靠性、穩(wěn)定性和精確性；功率元件的微型化、高性能化、多功能化和無公害化，也就決定了變頻器的微型化、高性能化、多功能化和無公害化。希望有更多集功率變換、驅動保護、監(jiān)測、智能控制、能自診斷、有自愈力等功能于一身，效率更高、功能更強、附加值更多的新一代綠色環(huán)保型變頻器供客戶任意挑選。雙PWM綠色變頻主電路拓撲結抅，將是新型大功率變頻調速技術發(fā)展的主要趨勢。不僅逆變部分采用最新的自關斷器件，就是整流部分也采用最新的PIC功率模塊元件;一方面交流輸入電流波形為正弦波，且功率因數(shù)接近于1；另一方面，實現(xiàn)能量向電網回饋，保證變頻器能四象限運行。PWM整流回路還可以大大減小直接環(huán)節(jié)的濾波電容的容量。采用雙PWM技術，對消除機械和電磁噪音是最佳的方法。隨著功率和頻率的增加，PWM的開關損耗也會增加；在大功率和高頻化方面還有大量技術要研究和突破。我們可以采用虛擬技術和嵌入式技術，隨著微處理技術迅速發(fā)展，利用諧波技術，硬開關變軟開關，采用標準化的PWM模式，來解決開關損耗問題。優(yōu)化的PWM模式，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計算簡單實時控制容易、動態(tài)響應速度快、控制精度高、準確度高的全數(shù)字化和網絡化的特點。ＰＷＭ控制技術現(xiàn)在正處在不斷完善和不斷創(chuàng)新的大好階段，必將進一步推動更多更好的綠色環(huán)保型變頻器的創(chuàng)新。

6.5變頻器要真正做到全數(shù)字化、智能化和網絡化。變頻調控系統(tǒng)包含多學科的技術領域，是一個快速監(jiān)控的系統(tǒng)，需要存儲和處理大量的多種數(shù)據，并在網絡上要快速實時的處理，傳遞大量的信息。水泵機組配套的變頻器是一個執(zhí)行器，在大型的水系統(tǒng)中，變頻器就工作在工藝流程非常復雜，工作環(huán)境不好，要不斷接受指令變速運行，長時間運轉的工況中。泵站和凈化處理廠相距遙遠，加上無人值守，長期高負荷運轉，出現(xiàn)故障的機率就很高。變頻器必須數(shù)字化、智能化、網絡化和安全化，才能在網絡上進行快速的穩(wěn)定工作、診斷和維修。6.6必須創(chuàng)建信息控制一體化的現(xiàn)場網絡監(jiān)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的ＦＣＳ現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)的ＰＬＣ控制器或ＰＩＤ控制器，沒有一個好的符合水工藝流程的監(jiān)控組態(tài)軟件的智能控制，要在網絡上做到快速的時間響應是不可能的。在水處理過程中，加藥系統(tǒng)的在線的動態(tài)響應時間要求在幾毫秒之內，有的要在１毫秒之內，其抖動時間要在１μＳ之內?，F(xiàn)在的FCS現(xiàn)場總線和一般的工業(yè)以太網達不到這個要求。只有實時工業(yè)以太網才能滿足大型泵站變頻調速的要求。ＥtherCAT、Ethernetpowerlink、PROFinet、MODBUS-