利德华福高压变频器在供水系统中供水泵的应用

一、前言
　　福建石狮供水公司设计有三台供水泵组，前期为两台（#2、#3）供水泵组工频启动运行(#1供水泵组进行技改)，#2机组电机功率为200kW/10kV，泵组额定流量为4200m3/h，#3机组电机功率为1120kW/10kV，泵组额定流量为8200m3/h，由于全天各个时间段电价的不同及水厂用水量变化较大的因素，水厂平时要靠经常启停供水泵组来控制系统的供水，会造成工频启动供水泵时对泵组及供水管道所造成的冲击威胁，并且通过阀门的开度来调节供水量，大量电能消耗在阀门上。考虑到上述因素，供水站决定对#1供水泵组进行技改。
二、变频改造方案
　　经过考察及研究，变频调速在节能、调速精度、调速范围等方面具有同其它调速装置无法比拟的优越性，以及可以方便实现同自动化控制系统（如DCS系统等）的通讯，决定使用北京利德华福电气技术有限公司变频装置带#1泵组运行。并同时对#2、#3泵组进行增加软启动技改项目。
1、HARSVERT-A10/120型高压变频装置原理
　　HARSVERT高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
　　变频装置10KV系统结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。10KV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。
　　每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图1，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图2所示的波形。


图1. 功率单元电路结构


图2. 单元输出的PWM波形
　　输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。
　　输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。


图3. HARSVERT-A系列变频器的输出波形
当某一个单元出现故障时，通过使图1中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下停机造成的损失。
2、设备选型
　　引水一号机组技改配置水泵扬程45M，流量8600m3/h，配套电机1600kW/10kV，配套一台北京利德华福电气技术有限公司1600kW/10kV高压变频调速系统，变频系统安装、调试在2004年7月份完成并开始运行。
　　自水站引水通水以来，管路特性不断恶化，后采用前加氯，管道特性开始好转，但未达到设计值，选型时水泵扬程只有根据实际情况计算，水厂根据运行情况将水泵扬程设计值由50M降到45M，现实际运行时，额定点扬程45M，流量8600m3/h，保证了水泵在最高效区的运行。

三、改造后系统运行情况
1、变频试运情况
　　试运行时，电机在频率24-26Hz之间存在机械共振，后设置变频跳跃频率点，避开共振区，供水泵组稳定运行；实际调速时，水泵转速可降到额定的40%，即198转/分钟稳定运行，各种参数符合其特性曲线。
2、变频操作及节能情况
　　这次技改，通过变频可以减少工作人员的工作量、保护管道、节省电耗，在选型及可行性认证中水站投入了比较大的精力，引水变频的使用属于采用调速且管路特性不变的情况，水泵运行时单泵走单管，不属于变频和工频水泵并联运行的情况，应该算是比较简单并且最省电的情况，但实际上，由于峰谷电价、调节池的水位调节、水厂用水量变化较大（水厂取水只可用开关水泵调节）等因素，不能单纯地按流量来调节，需要建立一个有效的数学模型进行变频的控制，现将变频的控制做一个说明：
　〈1〉变频的数据采集是通过变频本身的PLC模块实现，PLC模块和工控机通过485卡通讯，水站通过原有控制系统AB的PLC和变频器西门子的PLC进行Modbus通讯，通讯成功后信号非常稳定。
　〈2〉变频控制分开环和闭环控制（恒压供水）两种，水站的运行方式为开环运行，即在AB的PLC内计算数值输送到变频进行控制，泵站控制系统上位机的控制分为手动和自动两种，手动即手动输入频率，自动为AB的PLC根据调节池水位、峰谷电价、总用水量的情况计算出变频频率控制变频，自动方式受影响方式较多，为了实现自动控制，水站先对中控调度主机进行软件修改，稳定了数据传送，并在调节池增加了水位信号。
　　在信号稳定之前，变频控制采用手动控制，电价谷值开1、3号机，其余开1、2号机，峰值变频频率调在30Hz，平值根据水位手动调节，这样整个供水系统可年省100万元以上（日供30万吨），但手动调节存在不能合理地分配平值电价时的流量及时间控制上的误差以及对日供水量的估计不足等因素，因此，水站在日供水在27.5-31万吨时建立一模型，和手动调节的唯一不同在平值电价时频率根据调节池水位及总用水量（山兜取水量+20万吨取水量）进行调节，调节池水位设定在3.3m，运行一星期，和手动调节相比，千吨水的耗电量由112度降到105度（日供30万吨），以平均电价0.51元/度计算，日省1071元，年省38万元，自动运行后，到晚上11:00调节池水位保持在3.28-3.38之间，达到设计理想值，若将保持水位降到3.3M以下，则省电效果更加明显。
　　在日供水流量低于27.5万吨或大于31万吨时，要达到最佳省电效果要调节工频机（2#、3#机组）的运行时间，更加复杂，现水厂正在努力进行计算，争取可以拿出一个最佳的方案。可见，建立一个可行有效的模型是省电的关键，在做好日常维护的同时，需时时根据管道参数及水泵运行参数模型完善运行模型，使之可以让变频发挥最大的作用。
四、结束语
　　高压变频装置其节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长了电机的寿命，减少了对引水管路的冲击，引水管路挡板全开，也减少了引水管道的震动和磨擦。总之，希望以北京利德华福电气技术有限公司为代表生产的高压变频调速系统能以其可靠的运行性能及良好的节能效果为石狮供水站及其他广大用户创造了更大的经济效益和社会效益。