安科瑞有源電力濾波器及配電能效平臺(tái)在污水處理廠中的應(yīng)用

摘  要：為減少污水處理設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波，通過(guò)確定主要諧波源，檢測(cè)和計(jì)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；減少了諧波分量，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(yùn)行。

關(guān)鍵詞：諧波源；諧波補(bǔ)償；有源電力濾波器；電流；污水

1 引言

    目前我國(guó)的水污染問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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。

1.1 污水處理系統(tǒng)特點(diǎn)

    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)規(guī)范，城鎮(zhèn)中的大中型污水處理廠的用電負(fù)荷等級(jí)通常按照二級(jí)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(tái)變壓器，以確保供電的可靠性。

1.2 污水處理廠中的主要用電設(shè)備

    主要是風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)。尤其是曝氣鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水提升泵等設(shè)備，單機(jī)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(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)恒液位控制。

1.3 其他

   污水處理廠的自動(dòng)化控制水平都比較高，要求對(duì)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(cè)，采集主要工藝、電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，設(shè)置自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足工藝設(shè)備的運(yùn)行要求。以上均需要大量的PLC控制器去實(shí)現(xiàn)。

    污水處理廠中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC控制器等在正常運(yùn)行的過(guò)程中都會(huì)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(duì)廠內(nèi)變配電系統(tǒng)和各個(gè)電氣設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響和危害，帶來(lái)安全隱患。

2 諧波補(bǔ)償裝置的比較

    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(bǔ)償裝置。諧波補(bǔ)償裝置分為無(wú)源型和有源型。

2.1 無(wú)源濾波器

   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(wú)功補(bǔ)償。無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)主要是受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)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(guò)載或者燒毀。此外，一個(gè)濾波器只能對(duì)一個(gè)同定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果不是非常理想。

2.2 有源濾波器

  一種新型電力電子裝置，其工作原理是先檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象中的諧波電流，隨后補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，補(bǔ)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(diǎn)是可以對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，并且補(bǔ)償特性不會(huì)受到電網(wǎng)阻抗和運(yùn)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(shí)例

3.1 項(xiàng)目概述

   山西某市污水處理廠工程，安裝2臺(tái)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(kāi)，2臺(tái)變壓器并列運(yùn)

行，每臺(tái)變壓器的負(fù)荷率約為百分之70。

   廠內(nèi)主要的大功率變頻設(shè)備為2臺(tái)90kW鼓風(fēng)機(jī)和2臺(tái)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(dòng)機(jī)負(fù)載、PLC柜等也都由變電站內(nèi)低壓開(kāi)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(cè)與計(jì)算

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

從圖中可以看出：

(1)實(shí)測(cè)電壓波形畸變率約為百分之一點(diǎn)七，基本符合相關(guān)規(guī)范。

(2)實(shí)測(cè)電流的畸變率約為百分之七點(diǎn)九，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(duì)一段母線的諧波電流進(jìn)行計(jì)算，諧波電流的計(jì)算公式如下：

   式中符號(hào)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(shí)測(cè)為百分之7.9

經(jīng)計(jì)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)，故考慮對(duì)諧波進(jìn)行集中補(bǔ)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(jì)算結(jié)果，選擇*大輸補(bǔ)償電流為75A的濾波器。

    且系統(tǒng)中同時(shí)存在諧波補(bǔ)償裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置，有源電力濾波器的補(bǔ)償接入點(diǎn)應(yīng)在無(wú)功補(bǔ)償裝置和諧波負(fù)載之間，并盡量靠近諧波負(fù)載。同時(shí)，有源電力濾波器的補(bǔ)償接人點(diǎn)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(bǔ)償電流。具體補(bǔ)償方案見(jiàn)圖2。

3．4諧波治理效果

   安裝有源電力濾波器后，再次對(duì)低壓系統(tǒng)內(nèi)的特波電壓和諧波電流進(jìn)行檢測(cè)．實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)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百分之1.7降為百分之1.5，三相電流畸變率巾百分之7.9降為百分之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，諧波治理效果較好。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,一般降幅在百分之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；減少主要次數(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(yùn)行。

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

4.1平臺(tái)概述

    安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)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(tái)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(dòng)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(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過(guò)一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

4.3平臺(tái)拓?fù)鋱D

4.4平臺(tái)子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測(cè)變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過(guò)監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)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(dòng)機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。效率高、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)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(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)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(gè)看板中，從多個(gè)維度對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)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(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對(duì)比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。

能效分析按三級(jí)計(jì)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(duì)各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過(guò)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(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來(lái)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(lái)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(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)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(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、效率高的目的。

4.4.6電氣安全

4.4.6.1電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來(lái)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(dòng)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(guò)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(cè)

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

4.4.6.4 防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)

防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門(mén)監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開(kāi)路、短路等故障信號(hào)。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(lái)，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測(cè)

污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等場(chǎng)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(lái)水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)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(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)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(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以曲線方式繪制上述監(jiān)測(cè)的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺(tái)通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)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、加氯接觸處理、污泥濃縮壓濾、生物處理等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、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(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5.相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

6 結(jié)語(yǔ)

在污水處理廠項(xiàng)目中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際諧波負(fù)載的類(lèi)型、大小和分布情況,科學(xué)合理地選擇諧波補(bǔ)償方案?？刹捎脝我谎a(bǔ)償方案,也可同時(shí)采用多種補(bǔ)償方案。當(dāng)電網(wǎng)中需要同時(shí)進(jìn)行諧波和無(wú)功補(bǔ)償時(shí),也可采用混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置。并根據(jù)諧波電流計(jì)算,選擇合適的有源電力濾波器型號(hào),以達(dá)到對(duì)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(yùn)行。

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