变频调速是供水系统节能的最佳选择

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编者按:中国水网专家陈蕴珍在6月份结束的“2009水产业先进技术论坛”上撰文指出，变频调速是供水系统节能的最佳选择。陈蕴珍，原北京市市政工程设计研究院第二研究所副所长，擅长“电气及自动控制”项目的设计、评标和审核，先后承担过北京、深圳供水调度广域网系统工程、北京水源九厂、深圳东湖泵站等数十个项目。

由于全国各省市城市化的快速发展，近年来电力和水资源严重短缺。电力和水的限制已经在许多城市出现。国家投入巨资建设大型给排水工程。据统计和预测，中国城市每天缺水2000万立方米，每天排放污水约1亿立方米。我国新建和扩建水厂每年近600万m3/d，污水处理厂处理能力将达到700万m3/d左右

在给排水工程的建设和管理中，设备运行和管理成本很高，水厂的耗电量约占50%。大多数新建的fcs、dcs和plc监控系统不能进行网络监控，导致大量资源的消耗。有许多工厂和车站存在先天缺陷，如变电站位置不合理、配电电缆过多过长、变压器等设备选型不合理，尤其是水泵机组选型不合理、工艺流程总体布局不合理，使得给排水系统耗电量居高不下。给排水厂的运行管理应从三个方面进行研究:工艺流程的综合设计系统、加药系统和泵机组系统及其配套电气设备。综合生产单位需制定吨水电耗和耗药标准，即从吨水投资到最佳运行成本。在此，对水泵机组的最佳节能技术选择进行了分析和研究。

实例分析

自20世纪70年代以来，数十家大、中、小型水厂的设计打破了常规设计中保守的水泵选型方法，采用了串级调速或变频调速技术，使出厂水流量和供水系统扬程尽可能适应已配置管网系统特性的变化，提高水泵运行效率， 尽可能使供水调度经济合理，保持管网末端压力的稳定运行。

北京市第九水源厂在开始设计时，打破了传统的设计惯例，从工艺流程到变配电设备的选择，不再以日最高流量和相应压力为工作点，选择不同容量的泵和泵组合；相反，在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区设置在出现概率最高的工作段或点。调速泵的数量应为全年启动频率最高的泵的数量，备用泵应为定速泵。

先看看取水泵站。各种取水泵站组合的有效中心线都在系统特性曲线的左侧。在设计运行机组数量时，高效中心线应包含在最大流量点的曲线段中，曲线向右下方移动，流量增加，扬程降低，使其与四台泵的系统特性曲线重合或接近，泵的综合运行效率更高。从系统分析来看，同时运行四个泵是最经济的。分阶段施工考虑，第一阶段选择两台最大调速能力的泵更经济合理。

看看配水站的配置。根据计算机计算，第一阶段两台泵运行的概率最高，其次是三台泵。同时，具有各种泵组合的高效区域可以在高日流量和高流量的基础上向右和向下移动，如上图所示。增加额定流量，降低额定扬程，使配水泵的综合高效中心线处于两台或三台泵运行时的系统特性曲线之间，第二阶段后需要同时运行四台泵。考虑到日时变率，运行泵采用调速泵更为合理。当调速泵发生故障时，第三调速器必须运行，其综合效率略有降低，而工作水头仍然很高。因此，选择定速泵作为备用泵更加经济合理。

供水系统的几种变频调速技术

自20世纪80年代以来，中国水务行业真正进入了变频调速时代。如北京市第九水源厂、深圳梅林水厂、深圳市中西部水源系统泵站、北南水北调泵站、上海市原水供水公司、上海市排水管理公司、广州市、福州市、厦门市、东莞市、天津市、重庆市、石家庄市、昆明市、成都市、潮州市、大庆油田等供水公司的数百个大中型水厂和泵站都采用了变频调速装置。水泵的电机容量在315千瓦至2500千瓦之间，变频调速装置的数量接近1000个或更多。容量在200kw以下的变频调速装置较多。

由于电流型逆变器为全控桥式整流器，谐波含量非常高，对电网造成很大的公共危害，抑制谐波的措施也比较复杂，失去了价格和可靠性上的优势，在水务行业领域很少使用。220kw及以上水泵机组有六种变频调速装置可供选择:

“中-低-中”变频器
。其优点是变频器价格低，但缺点是增加了占地面积和成本，增加了两级变压器的损耗，大大降低了可靠性。低速时，变压器效率较低，功率因数较低。

低压大功率变频器
国内低压变频器已达到1000kw，国外已达到2000kw。尽可能推荐1.7kv、2.3kv和3.3kv多相专用电机。

中低压大功率变频器
具有中压传输损耗低、低压变频效率高的优点。输入变压器通过角度(△)连接，可以吸收变频系统中的高次谐波。

中压逆变器
a)中压igbt pwm逆变器。额定功率因数≥0.96，系统元件由60个减少到24个，电路简化，可靠性提高。b)中压igct pwm变频器。额定效率> 98%，额定功率因数> 0.95。

美国robicon公司、安川、富士、东芝等公司相继推出多级串联中压变频调速装置。采用多级结构和多级低压低功率igbt pwm变频单元串联输出中压变频电，实现大功率集成。额定效率≥ 96%，额定功率因数≥0.95。然而，必须指出的是，使用同样容量的中压设备不仅昂贵得多，而且可靠性也会降低。

对泵电机矢量控制或直接转矩控制变频调速方案的思考

矢量控制系统(vc)和直接转矩控制系统(dtc)都是高性能交流变频调速系统和转矩控制系统，都是基于异步电动机的动态数学模型设计的。矢量控制系统的特点是:通过坐标变换，电机模型需要很多电机参数，参数的变化对定位精度影响很大。

直接转矩控制系统(dtc)通过速度回路中的转矩反馈直接控制电机的定子磁通转矩。Dtc不受转子侧参数的影响，而vc受转子参数的影响很大。dtc比vc更健壮。

dtc系统通过电机电压和电流计算定子磁链和转矩，并采用bang-bang控制实现变频器的pwm控制，以电压为中心，矢量控制以电流为中心，具有电流调节时滞，而dtc没有电流控制回路，没有电流反射，因此电机可以获得更大的DV/DT，更大的加速电流，产生更快的电流响应和转矩响应。

dtc采用bang-bang控制，开关频率不稳定，电流谐波略大于vc，逆变器效率略低于vc，即dtc控制逆变器的稳态指标比vc差。无速度传感器控制是dtc和vc控制系统共同的研究课题，不是dtc的发明专利。它们都采用相同的交流电机数学模型。直接转矩控制的低速控制性能不好，所以采用转子磁链控制来补偿直接转矩控制的低速性能，低速时控制系统采用isr，高速时直接转矩控制过渡。水泵机组、生化处理和加药系统选用dtc系统或vc系统，否则将是有害无益的。Dtc和vc系统作为高性能的速度控制系统，本质上是一样的，都可以达到较高的静态和动态性能。Dtc和vc系统各有特点、优缺点，由于控制方法的不同，应用领域也不同。矢量控制更适合于大范围速度控制系统和伺服系统，直接转矩控制更适合于快速转矩响应和大滞后的鲁棒运动控制系统。这两个系统都有一些缺点，这两个系统的研究和开发都在朝着克服它们的缺点的方向发展。