淺談有源電力濾波器及配電能效平臺在污水處理廠中的應(yīng)用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

【摘要】為減少污水處理設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波，通過確定主要諧波源，檢測和計算諧波分量，采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，大幅降低了電力系統(tǒng)中的三相電流畸變率，提高了電能質(zhì)量；抑制了諧波分量，減少了由諧波引起的電氣設(shè)備故障，保證了電力系統(tǒng)的正常運行。

【關(guān)鍵詞】諧波源；諧波補償；有源電力濾波器；電流；污水

1引言

當(dāng)前，我國的水污染問題日益突出，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。作為污水處理主要設(shè)施的污水處理廠，為保護(hù)環(huán)境發(fā)揮著巨大的作用。污水處理系統(tǒng)的范圍大，容量大，設(shè)備眾多，直接影響著人們的工作和生活。

根據(jù)國家規(guī)范，城鎮(zhèn)中的大中型污水處理廠的用電負(fù)荷等級通常按照二級負(fù)荷考慮，并由兩回高壓線路供電，廠內(nèi)變電站一般設(shè)置兩臺變壓器，以確保供電的可靠性。

污水處理廠中的主要用電設(shè)備是風(fēng)機、水泵類。尤其是曝氣鼓風(fēng)機和進(jìn)水提升泵等設(shè)備，單機功率比較大。而且由于工藝需要，采用變頻器控制的設(shè)備較多，比如曝氣鼓風(fēng)機常采用變頻器調(diào)速控制，以調(diào)節(jié)生化池內(nèi)的曝氣量和供氣壓力，使生化處理達(dá)到*佳運行狀態(tài)，進(jìn)水提升泵常采用變頻器調(diào)速，根據(jù)泵池液位調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)恒液位控制。

污水處理廠的自動化控制水平都比較高，要求對工藝處理流程中的流量、液位、壓力和水質(zhì)分析等進(jìn)行檢測，采集主要工藝、電氣設(shè)備的運行狀態(tài)信號，設(shè)置自動控制和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足工藝設(shè)備的運行要求。以上均需要大量的PLC控制器去實現(xiàn)。

污水處理廠中的變壓器、電動機、變頻器、PLC控制器等在正常運行的過程中都會產(chǎn)生大量的各次諧波[1]，是污水處理廠中的主要諧波源。這些諧波對廠內(nèi)變配電系統(tǒng)和各個電氣設(shè)備都會產(chǎn)生不同程度的影響和危害，帶來安全隱患。

2諧波補償裝置的比較

目前，污水處理廠諧波治理的主要方法是在電力系統(tǒng)中裝設(shè)諧波補償裝置。諧波補償裝置又分為無源型和有源型。

無源濾波器是一種由濾波電容器、電阻器、電抗器組合成的濾波裝置，與鑿波源并聯(lián)，不僅起到濾波作用，還可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補償。無源濾波器的缺點主要是受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，容易與電力系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，致使諧波放大，導(dǎo)致濾波器過載或者燒毀。此外，一個濾波器只能對一個同定頻率的諧波進(jìn)行補償，且補償效果不是非常理想。

有源濾波器是一種新型電力電子裝置，其工作原理是先檢測補償對象中的諧波電流，隨后補償裝置產(chǎn)生一個補償電流，補償電流與該諧波電流大小相等而極性相反，兩者相互抵消，從而濾除掉電網(wǎng)中的漪波分量。這種濾波器的優(yōu)點是可以對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行補償，并且補償特性不會受到電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

3有源電力濾波器的應(yīng)用實例

3．1項目概述

山西某市污水處理廠工程，安裝2臺SCBl0—800／10 800kVA l0／0．4kV干式變壓器，低壓系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線，正常情況下，母聯(lián)斷路器打開，2臺變壓器并列運

行，每臺變壓器的負(fù)荷率約為70％。

廠內(nèi)主要的大功率變頻設(shè)備為2臺90kW鼓風(fēng)機和2臺75kW進(jìn)水提升泵，由變電站內(nèi)低壓變頻柜負(fù)責(zé)供電及控制，變頻器安裝在變頻控制柜內(nèi)。全廠主要的電動機負(fù)載、PLC柜等也都由變電站內(nèi)低壓開關(guān)柜供電，因此廠內(nèi)的主要諧波源都集中在變電站低壓系統(tǒng)內(nèi)。

3．2諧波電流的檢測與計算

為確定低壓系統(tǒng)內(nèi)諧波的情況，采用諧波檢測軟件對低壓系統(tǒng)內(nèi)的諧波電壓和諧波電流進(jìn)行檢測，檢測波形和數(shù)據(jù)見圖1。

從圖中可以看出：

(1)實測電壓波形畸變率約為1．7％，基本符合國家相關(guān)規(guī)范。

(2)實測電流的畸變率約為7．9％，電流波形畸變較明，諧波電流主要為3、5、7次諧波產(chǎn)生。

根據(jù)廠內(nèi)變壓器的容量、負(fù)荷率以及諧波畸變率，對一段母線的諧波電流進(jìn)行計算，諧波電流的計算公式如下：

式中符號含義：S為變壓器容量，K為變壓器負(fù)荷率，U為變壓器二次側(cè)額定電壓；IHR為諧波電流；THDi為電流總諧波畸變率，實測為7．9％

經(jīng)計算，

3．3諧波治理方案

由于廠內(nèi)的諧波源主要集中在變電站的低壓開關(guān)柜內(nèi)，故考慮對諧波進(jìn)行集中補償，在低壓系統(tǒng)內(nèi)安裝有源電力濾波器，并根據(jù)述諧波電流的計算結(jié)果，選擇*大輸補償電流為75A的濾波器。

由于系統(tǒng)中同時存在諧波補償裝置和無功補償裝置，有源電力濾波器的補償接入點應(yīng)在無功補償裝置和諧波負(fù)載之間，并盡量靠近諧波負(fù)載。同時，有源電力濾波器的補償接人點應(yīng)處于采樣電流互感器的七游，以此保證采樣電流互感器的下游不包含容性負(fù)荷電流以及有源電力濾波器自身注入的諧波補償電流。具體補償方案見圖2

3．4諧波治理效果

安裝有源電力濾波器后，再次對低壓系統(tǒng)內(nèi)的特波電壓和諧波電流進(jìn)行檢測．實測結(jié)果見圖3。

由圖2可看出，在應(yīng)用有源濾波器之后，系統(tǒng)的三相電壓畸變率由1．7％降為1．5％，三相電流畸變率巾7．9％降為4．2％，其中主要的3、5、7次諧波含量明顯下降。系統(tǒng)內(nèi)電流波形變成光滑的正弦曲線，諧波治理效果顯著。采用諧波治理裝置的

效果如下：

大幅降低電力系統(tǒng)中的三相電流畸變率,一般降幅在50%左右，使電流和電壓波形變得光滑完整，提高了電能質(zhì)量；抑制主要次數(shù)的諧波分量，減少由諧波引起的電氣設(shè)備故障．保證了電力系統(tǒng)的正常運行。

4.AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

4.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺拓?fù)鋱D

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3電動機管理

馬達(dá)監(jiān)控實現(xiàn)水務(wù)中電機的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標(biāo)煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際先進(jìn)指標(biāo)對標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

4.4.6電氣安全

4.4.6.1電氣火災(zāi)監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

4.4.6.2消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

4.4.6.3消防設(shè)備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)備可以正常投入使用。

4.4.6.4 防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

	APView500	相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護(hù)網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議

	APM520	該儀表采用交流采樣技術(shù)，能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，可通過面板薄膜開關(guān)設(shè)置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協(xié)議;也可將電量信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流模擬信號輸出;或帶開關(guān)量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。
電能質(zhì)量		ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護(hù)、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過大保護(hù)功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協(xié)議
	ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中，能根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進(jìn)行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。

6 總結(jié)

在污水處理廠項目中,應(yīng)根據(jù)實際諧波負(fù)載的類型、大小和分布情況,科學(xué)合理地選擇諧波補償方案?？刹捎脝我谎a償方案,也可同時采用多種補償方案。當(dāng)電網(wǎng)中需要同時進(jìn)行諧波和無功補償時,也可采用混合動態(tài)消諧補償裝置。并根據(jù)諧波電流計算,選擇合適的有源電力濾波器型號,以達(dá)到對污水處理廠電網(wǎng)中諧波治理的目的,保證電源質(zhì)量和電氣設(shè)備的安全運行。

審核編輯 黃宇