高压变频器在苍南引供水公司应用及节能效果

　　苍南平原引供水公司成立于1998年，担任着苍南江南平原地区60万人口的供水任务，日设计供水量为10万吨。其送水泵房共有7台水泵机组，10kV/250kW二台，380kV/160kW二台，380kV/90kW二台，380kV/55kW一台，采用工频运行方式，泵站自1998年3月投入试运行。但由于实际需求输水总量为6-7万吨/日,所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量。以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。同时，根据预测，在近二、三年内还尚未能达到10万吨/日的需求量。鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，拟考虑安装变频调速装置，并经过经济技术评估，认为是可行的，于2003年3月筹划建设该技改项目。通过社会调查和筛选，决定选用北京利德华福公司制造的HARSVERT-A10/015高压变频调速装置，并于2003年12月投入使用。实践证明，将近5年多时间的运用高压变频调速装置是切实可行的，公司的加压水泵明显降低了能耗，提高了工作效率。

一、变频器节能的理论依据

　　苍南平原地区的各乡镇的用水量是不均匀的，这是由于气候和人们生活以及生产规律所决定的。由于流量的变化从而影响到管网水头损失的变化，尤其是地势平坦的地区，在几何扬程很小的情况下，送水泵站出口所需压力随流量的变化更为显著。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，先前泵站在运行中多采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值（少则多米，多则几十米）就白白地浪费于闸门阻力上。当水泵台数足够多时，是可以很好地适应水量变化的，但是水泵型号是有限的。装机台数过多，不仅管理不便，而且会无谓地增大建筑面积，提高工程造价，即使这样，也无法做到完全适应水量变化，还需要用闸门来调节水量。为此，采用水泵机组高压变频调速技术，可连续地改变水泵转数，来变更水泵工况，使其流量与扬程适应于管网用水量的变化，从而提高机组效率，维持管网压力恒定，达到节能的效果。我们从水泵调节原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功率亦为额定值;当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：

二、国内高压变频器技术现状与主要分类

　　由于高压大功率交流传动应用场合的限定，评价高压变频器的表现需要了解多方面的技术指标——可靠性、冗余设计、谐波含量、损耗等等的因素。由于对高压变频器性能的辨识还没有到更多技术细节的程度,因与低压变频器统一的拓扑结构不同，高压变频器为解决功率器件的耐压问题，不同厂家采用了不同的拓扑结构，从而形成了多种技术流派。

　　1.功率器件串联二电平电流型的代表厂商是Rockwell，早期代表产品有 Bulletin1557，以GTO为功率器件;近几年，又推出了PowerFlex7000，使用SGCT替代GTO 。优点是变频器可以四象限运行，缺点是功率因数随调速曲线变化，低速时功率因数随之变的很低。另外，只有6kV产品，无法适配10kV电机。

　　2.中性点钳位三电平PWM的代表厂商是ABB和西门子。Abb公司代表产品有ACS1000，IGCT为功率器件;西门子公司主推SIMOVERTMV系列产品， 以高压IGBT为主要功率器件;此技术方案最高输出电压仅有4.16kV（abb公司），不能适配10kV电网。

　　3.利德华福、罗宾康为代表的单元串联多电平技术方案。代表产品有HARSVERT-A系统， Perfect Harmony，以低压IGBT为功率器件，通过逆变H桥的串联形成高压。就目前的市场份额而言，以利德华福为代表的单元串联多重化电压源型变频器销售量占据优势，并且是国内产品的主要技术类型。其使用单元串联多电平的拓扑结构，可以直接使用成熟的低压变频器技术方案，具有对电网谐波污染小，输出波形多电平，正弦度高，适配普通国产异步电机的优点。该类型产品，输出电压可以直接到10kV，输出不需要加装升压变压器及滤波电抗器，结构简单。

　　4.在以上的拓扑结构之外，成都佳灵采用了直接串连的拓扑结构，但这种技术的成熟度市场还没有定论。如果在技术上实现了稳定应用的突破，将是一种极有前景的技术，将对市场格局产生重大影响。但是目前从市场反应来看，成都佳灵仍然有很长的一段路要走。

三、系统方案

　　根据实际情况确定的调速方案为：选择1、2号泵为可调速水泵，正常运行时其中任一台运行于调速状态，而另一台泵作为备用，也可随时投入工频状态运行。两台泵运行状态的切换采用手动方式。并要求两台泵不能同时投入变频状态，或同时投入工频状态运行，对此要求，在设计旁路切换柜时特别设计了机械联锁装置 。开环或闭环自动恒压供水，带阀门联动功能。

　　变频器与现场设备接口如图1所示：

图1：变频器与现场设备接口图

　　其中：高压紧急分断信号与KM1高压开关控制跳闸回路并联，高压合闸允许信号与KM1高压开关控制合闸回路串联，M1、M2阀门开全，关严信号取自阀门行程开关的空节点。M1、M2阀门开阀，关阀信号与阀门开阀，关阀控制回的开关阀按钮并联。M1、M2，水泵重故障信号取自水泵控制保护柜的空节点。

　　变频器与现场设备一次接线如图2所示：

图2：变频器与现场设备一次接线图

四、 恒压供水系统原理及PID调整

　　由于苍南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量，因此采用的是恒压供水系统，其工作原理如图3所示，测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

图3：恒压供水系统工作原理框图

　　1.在PID控制中，比例增益P加大，会使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当P太大时，系统会趋于不稳定。若P太小，又会使系统的动作缓慢;

　　2.积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象;而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。

　　3.微分D的作用主要是改善供水系统的动态性能。增大微分时间，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调;在调节过程中、后期，应不断减小微分时间，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。

　　泵站变频器在运行初期，供水系统采用恒压闭环控制，运行中发现运行频率曲线呈锯齿波，上下波动幅度较大，因此对PID系数进行调整，将P由1改为0.06、I由0.2改为0.5。通过几次逐步调整，现运行曲线较为平缓，波动幅度相当小。变频器根据偏差相应调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持供水系统的恒压稳定状态。

五、应用高压变频调速系统的节能效果

　　根据泵站供水系统改造之前一个月的报表计算得1000t水耗电率为98度电，改造之后的一个月1000t水耗电率为92度电. 分析泵站一年可节电（98-92）×70×360=15120度电。并且随着供水量的增加泵站供水系统采用一台工频，一台变频两台高压电动机供水方式节能效果更显著。现在泵站供水量随着经济的发展日供水量已达到9.5万吨。根据运行节能分析的需要对泵站供水系统泵的运行组合方式进行测试结果如下表

六、应用高压变频调速系统生产的其他效果

　　1.改善了工艺。在实际生产操作过程中，泵的参数（尤其是流量）需时常调整，不仅需要调节参数，而且备用设备需时常切换。根据工艺的变动，工艺参数又主要通过调节出口阀来控制，人工关小或开大阀门不仅费事，速度慢，也缩短阀门的寿命（填料及阀杆的磨损）采用变频调速就不用调节出口阀，只需要控制室内调节电机的转速即可。变频启动转速可以从零开始逐渐升高，因此带负荷直接启动不会有较大的启动电流，避免了通常泵组首先关闭出口阀后再启动的要求（无载启动是为了降低启动电流，保护电机）。

　　2.维护量减少。采用变频调速后，可能避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动，严重时会引起悬臂泵轴头断裂。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低泵的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封、轴承的寿命。

　　3.工作强度降低。由于调速系统在运转设备与备用设备间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由动手转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

　　4.减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流只是额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了启动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

七、高压变频调速系统的问题与改善

　　高压变频器在安装时对安装的环境考虑不周到,引起夏天高压变频器运行温度偏高需要安装空调才能满足高压变频器运行温度的要求并且室内环境温度偏高，引起变频器频繁过热保护。而且空调的可靠性会影响变频器的稳定运行，空调运行费用偏高，我们根据本站变频器的运行和环境情况对目前高压变频器的三种冷却方式进行分析决定采用安装风道加空调的方式进行改造，利用变频器原有的排风扇加装通风通道将热风引出室外，改装散热风道及空调后问题解决。另外，由于泵站处于平原地带，夏季雷雨台风季节，雷电频繁，变频器因此出现异常。后通过改善接地，加装避雷装置，问题得到一定解决。

结束语

　　高压变频器控制水泵机组，大大改善了供水、净水生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。PLC控制技术、Profibus总线技术和高压变频技术的完美结合，使得集成自动化程度高，运行稳定，操作简单，节能高效明显等优点。

　　苍南平原引供水公司高压变频器控制系统的成功应用，对于节约电能、提高效益、技术创新，都具有很高的经济价值，值得推广。

　　但要想送水泵站每台泵实现优化运行，就要研究其定性与定量的运行规律。根据苍南平原引供水公司地区用水曲线、出厂压力与管网压力控制点，清水池水位等参数，正在建立优化控制数学模型，在此基础上，下一步定量控制泵站定速与变频调速机组优化运行时的流量、扬程、效率变化规律。这样可以根据用户对于用水量与扬程要求，实现最优化控制。这种方式实现之时，便可以满足用户对水量、水压的需要，又达到明显降低电耗的目的，这是我们面临的一个艰巨的、必须攻克的难题。送水泵房水泵机组调速的经济效果很明显，比不调速节能8%左右，而且设备运行可靠，操作维护方便，由计算机控制，实现了泵站优化控制和现代化管理。要继续努力，力争将送水泵房水泵机组调速的经济效果更明显，比不调速节能15%左右，将苍南平原引供水公司供水泵站建成国内外先进水平的泵站。

参考文献

　　1.俞金寿，何衍庆等.集散控制的原理及应用。北京：机械工业出版社，1994

　　2.陈国呈，PWM变频调速及软开关电力变换技术。北京：机械工业出版社,2003

　　3.马小亮，大功率风机,泵节能调速发展方向探讨。电气传动.1999（1）

　　4.陈伯时，陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技丛书。北京：机械工业出版社,1998

　　5.HARSVERT-A高压变频调速技术培训教材。北京利德华福电气技术有限公司