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備故障，保證了電力系統(tǒng)的正常運行。

【關鍵詞】諧波源；諧波補償；有源電力濾波器；電流；污水

1引言

當前，我國的水污染問題日益突出，嚴重阻礙了經(jīng)濟和社會的發(fā)展。作為污水處理主要設施的污水處理廠，為保護環(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荷等級通常按照二級負荷考慮，并由兩回高壓線路供電，廠內(nèi)變電站一般設置兩臺變壓器，以確保供電的可靠性。

污水處理廠中的主要用電設備是風機、水泵類。尤其是曝氣鼓風機和進水提升泵等設備，單機功率比較大。而且由于工藝需要，采用變頻器控制的設備較多，比如曝氣鼓風機常采用變頻器調(diào)速控制，以調(diào)節(jié)生化池內(nèi)的曝氣量和供氣壓力，使生化處理達到*佳運行狀態(tài)，進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)分析等進行檢測，采集主要工藝、電氣設備的運行狀態(tài)信號，設置自動控制和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足工藝設備的運行要求。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，還可進行適當?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用。

3有源電力濾波器的應用實例

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，每臺變壓器的負荷率約為70％。

廠內(nèi)主要的大功率變頻設備為2臺90kW鼓風機和2臺75kW進水提升泵，由變電站內(nèi)低壓變頻柜負責供電及控制，變頻器安裝在變頻控制柜內(nèi)。全廠主要的電動機負載、PLC柜等也都由變電站內(nèi)低壓開關柜供電，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、負荷率以及諧波畸變率，對一段母線的諧波電流進行計算，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柜內(nèi)，故考慮對諧波進行集中補償，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在無功補償裝置和諧波負載之間，并盡量靠近諧波負載。同時，有源電力濾波器的補償接人點應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行檢測．實測結(jié)果見圖3。

由圖2可看出，在應用有源濾波器之后，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備故障．保證了電力系統(tǒng)的正常運行。

4.AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

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智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、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)測主要用能設備能效，保護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、精細的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(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，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

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

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

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、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

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(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、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3電動機管理

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

4.4.4能耗管理

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

將所有有關能源的參數(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，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、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行分析，同比、環(huán)比、對標等。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/國際先進指標對標，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警。

4.4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(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消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設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、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、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，當終端設備發(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電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(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)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(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、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、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，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.相關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，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設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協(xié)議;也可將電量信號轉(zhuǎn)換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/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、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過大保護功能,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)中負載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,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、控制器等組成。

6 總結(jié)

在污水處理廠項目中,應根據(jù)實際諧波負載的類型、大小和分布情況,科學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。當電網(wǎng)中需要同時進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)量和電氣設備的安全運行。

審核編輯 黃宇